Розробка та розрахунок схеми датчика температури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Огляд існуючих рішень та постановка задачі

1.1 Огляд методів вимірювання температури

1.2 Методи вимірювання температури і температурних шкал

1.3 Класифікація приладів для вимірювання температури

1.4 Огляд існуючих термоопорів (ТО)

1.5 Постановка задачі

2. Розрахункова частина

2.1 Синтез функціональної схеми пристрою вимірювання температури

2.2 Розрахунок перетворювача опору у напругу

2.3 Розрахунок фільтра і вибір комплектуючих елементів

2.4 Розрахунок аналого-цифрового перетворювача і вибір комплектуючих елементів

2.5 Розрахунок джерела живлення

Висновки

Перелік посилань



Вступ

Для всіх інформаційно-обчислювальних систем і, зокрема, для електромеханічних приладів і комплексів, характерна наявність блоків або підсистем, що виконують первинні перетворення аналогових сигналів, які надходять від датчиків, а також перетворення цих сигналів у форму, придатну для використання у великій системі й для їхнього безпосереднього виміру. Первинне перетворення сигналу містить у собі одержання напруги по заданому вихідному сигналу датчика, посилення (інверсне та не інверсне) струмів і напруг, підсумовування, фільтрація і т.д. Вторинне перетворення містить у собі перетворення аналогового сигналу у цифровий код. Отримані сигнали можуть бути безпосередньо обмірювані або організовані тим або іншим способом для формування інформації яка в подальшому використовується для контролю або керування технологічним процесом.

У даній роботі я буду використовувати різні технологічні засоби для розробки та розрахунку схеми датчика температури. Датчики температури мають велике значення для сучасного світу, адже не один технологічний пристрій не існує без датчика температури. За допомогою цих датчиків встановлюють режими відключення апаратури, визначають максимальну температуру роботи та розробляють схеми з урахуванням температури. У нашому повсякденному житті не можлива робота сучасних пристроїв без датчиків температури. Одним з прикладів використання датчиків температури являється ноутбук, саме у ньому використовуються температурні датчики для відключення при сильному нагріванні процесорів та мікропроцесорів.

Температумра (від лат. temperatura -- належне змішування, нормальний стан) -- фізична величина, яка описує здатність макроскопічної системи (тіла), що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, до передачі тепла іншим тілам.

У техніці температура вимірюється за Міжнародною шкалою: стоградусною шкалою Цельсія. У цій шкалі при нормальному тиску (760 мм.рт.ст.) стану танучого льоду відповідає температура 0⁰С, а точка кипіння води - 100⁰С. Для вимірювання температури використовується також термодинамічна шкала температур: шкала абсолютних температур, або шкала Кельвіна. Нуль абсолютної шкали температур відповідає значенню t =- 273,15⁰С.

Успішне вимірювання температури визначається правильним вибором методу вимірювання. Задача вибору методу є достатньо складною, оскільки доводиться шукати оптимальне рішення - з урахуванням великої кількості суперечливих чинників. Основними чинниками, що визначають вибір методу вимірювання, є область вимірювання температури, динаміка досліджуваного процесу, чутливість і точність вимірювання.



1. Огляд існуючих рішень та постановка задачі

1.1 Огляд методів вимірювання температури

В енергетичних установках і системах теплотехнічні вимірювання служать для безперервного виробничого контролю за роботою устаткування. При проведенні робіт з енергетичного аудиту різних систем, у яких основним об'єктивним показником відповідності їхніх експлуатаційних характеристик з нормативними вимогами або вимогами технологічних умов є температура, точність її вимірювання буде обумовлювати прийнятність подальших заходів щодо впровадження енергозберігаючих заходів. Як правило, величина температури найбільш значима в системах з потужними енергетичними потоками, в яких головним чином проводяться вимірювання ряду основних величин (тиску, температури, витрати та ін.) наступних робочих речовин:

· свіжої пари, перегрітої пари, відібраної і відпрацьованої пари;

· води живильної, охолодної, хімічно очищеної, мережевої і конденсату;

· димових газів у топці і газоходах котлоагрегату;

· повітря атмосферного, а також повітря для охолодження турбогенератора;

· насосів, вентиляторів, димососів і в системах перетворення енергій;

· палива твердого, рідкого і газоподібного.

Температурою називається ступінь нагріву речовини. Це ствердження про температуру засновано на теплообміні між двома тілами, що перебувають у тепловому контакті. Тіло, більше нагріте, що віддає тепло, має і більше високу температуру, чим тіло, що сприймає тепло. При відсутності передачі тепла від одного тіла до іншому, тобто в стані теплової рівноваги, температури тіл рівні.

Головним завданням інженера (інженера-енергоменеджера), що проводить температурні вимірювання, є подальше забезпечення надійної і раціональної експлуатації обстежуваної енергосистеми.

1.2 Методи вимірювання температури і температурних шкал

Виміряти температуру якого-небудь тіла безпосередньо, тобто так, як вимірюють інші фізичні величини, наприклад довжину, масу, об'єм або час, не представляється можливим, тому що в природі не існує еталона або зразка одиниці цієї величини. Тому визначення температури речовини роблять за допомогою спостереження за зміною фізичних властивостей іншого, так називаного термометричної речовини, яке наведе в зіткнення з нагрітим тілом, вступає з ним через якийсь час у теплову рівновагу. Такий метод вимірювання дає не абсолютне значення температури нагрітого середовища, а лише різницю щодо вихідної температури робочої речовини, умовно прийнятої за нуль.

Внаслідок зміни при нагріванні внутрішньої енергії речовини практично всі фізичні властивості останнього в більшому або меншому ступені залежать від температури, але для її вимірювання вибираються по можливості ті з них, які однозначно міняються зі зміною температури, не піддані впливу інших факторів і порівняно легко піддаються вимірюванням. Цим вимогам найбільше повно відповідають такі властивості робочих речовин, як об'ємне розширення, зміна тиску в замкнутому об'ємі, зміна електричного опору, виникнення термоелектрорушійної сили і інтенсивність випромінювання, покладені в основу улаштування приладів для вимірювання температури.

Зміна агрегатного стану хімічно чистої речовини (плавлення або затвердіння, кипіння або конденсація), як відомо, протікає при постійній температурі, значення якої визначається складом речовини, характером її агрегатної зміни і тиском. Значення цих відтворених температур рівноваги між твердою і рідкою або рідкою і газоподібною фазами різних речовин при нормальному атмосферному тиску, рівному 101325 Па (760 мм рт. ст.), називаються реперними точками.

Якщо прийняти як основу інтервал температур між реперними точками плавлення льоду і кипіння води, позначивши їх відповідно 0 і 100, у межах цих температур виміряти об'ємне розширення якої-небудь робочої речовини, наприклад ртуті, що перебуває у вузькій циліндричній скляній посудині, і розділити на 100 рівних частин зміну висоти її стовпа, то в результаті буде побудована так називана температурна шкала.

Для вимірювання температури, що лежить вище або нижче обраних значень реперних точок, отримані поділення наносять на шкалі і за межами відміток 0 і 100. Поділки температурної шкали називаються градусами.

При побудові зазначеної температурної шкали була довільно прийнята пропорційна залежність об'ємного розширення ртуті від температури, що, однак, не відповідає дійсності, особливо при температурах вище 100 градусів. Тому за допомогою такої шкали можна точно виміряти температуру тільки у двох вихідних точках 0 і 100 градусів, тоді як результати вимірювання у всьому іншому діапазоні шкали будуть неточні. Те ж явище спостерігалося б і при побудові температурної шкали з використанням інших фізичних властивостей робочої речовини, таких, як зміна електричного опору провідника, збудження термоелектрорушійної сили і т.п.

Користуючись другим законом термодинаміки, англійський фізик Кельвін в 1848 р. запропонував дуже точну і рівномірну, що не залежить від властивостей робочої речовини шкалу, яка отримала назву термодинамічної температурної шкали (шкали Кельвіна). Остання заснована на рівнянні термодинаміки для оборотного процесу (циклу Карно).

Термодинамічна температурна шкала починається з абсолютного нуля і у цей час є основною. Одиниці термодинамічної температури позначаються знаком К (кельвін), а умовне значення її буквою Т.

На Генеральній конференції по мірах і вагам Міжнародний комітет мір і ваг прийняв нову практичну температурну шкалу 1968 р. (МПТШ-68), градуси якої позначаються знаком °С (градус Цельсія), а умовне значення температури - буквою I. Для цієї шкали градус Цельсія дорівнює градусу Кельвіна.

Крім Міжнародної практичної температурної шкали існує ще шкала Фаренгейта, запропонована в 1715 р. Шкала побудована шляхом поділення інтервалу між реперними точками плавлення льоду і кипіння води на 180 рівних частин (градусів), позначуваних знаком °Ф. По цій шкалі точка плавлення льоду дорівнює 32, а кипіння води 212°Ф.

Для перерахування температури, вираженої в Кельвінах або градусах Фаренгейта, у градуси Цельсія користуються рівнянням

і⁰С = Т К-273,15 = 0,556 (п°Ф - 32), (4.1)

де п -- число градусів по шкалі Фаренгейта.

1.3 Класифікація приладів для вимірювання температури

Прилади для вимірювання температури розділяються залежно від використовуваних ними фізичних властивостей речовин на наступні групи з діапазоном показань:

Термометри розширення (-190…+6500С) засновані на властивості тіл змінювати під дією температури свій об'єм.

Манометричні термометри (-160…+6000С) працюють за принципом зміни тиску рідини, газу або пари з рідиною в замкнутому об'ємі при нагріванні або охолодженні цих речовин.

Термометри опору (-200…+6500С) засновані на властивості металевих провідників змінювати залежно від нагрівання їхній електричний опір.

Термоелектричні термометри (-50…+18000С) побудовані на властивості різнорідних металів і сплавів утворювати в парі (спаї) термоелектрорушійну силу, що залежить від температури спаю.

Пірометри (-30…+60000С) працюють за принципом вимірювання випромінюваної нагрітими тілами енергії, що залежить від температури цих тіл.

Термометри розширення. Фізична властивість тіл змінювати свій об'єм залежно від нагрівання широко використовується для вимірювання температури. На цьому принципі заснований пристрій рідинних скляних і дилатометричних термометрів, які з'явилися дуже давно і послужили для створення перших температурних шкал.

В рідинних термометрах, побудованих на принципі теплового розширення рідини в скляному резервуарі, як робочі речовини використовуються ртуть і органічні рідини -- етиловий спирт, толуол і ін. Найбільш широке застосування одержали ртутні термометри, що мають у порівнянні з термометрами, заповненими органічними рідинами, істотні переваги: великий діапазон вимірювання температури, при якому ртуть залишається рідкою, незмочення скла ртуттю, можливість заповнення термометра хімічно чистою ртуттю через легкість її одержання та ін. При нормальному атмосферному тиску ртуть перебуває в рідкому стані при температурах від -39 (точка замерзання) до 357°С (точка кипіння) і середній температурний коефіцієнт об'ємного розширення 0,18· 10^-3К^-1.

Термометри з органічними рідинами здебільшого придатні лише для вимірювання низьких температур у межах до 100°С. Рідинні термометри, виготовлені зі скла, є місцевими приладами, що показують. Вони складаються з резервуара з рідиною, капілярної трубки, приєднаної до резервуара і закритої із протилежного кінця, шкали і захисної оболонки.

Ртутні термометри за призначенням розділяються на промислові (технічні), лабораторні і зразкові. Основна похибка ртутних термометрів залежить від діапазону показань і ціни поділу шкали, зі збільшенням яких вона зростає. Внаслідок невеликого відхилення видимого коефіцієнта розширення ртуті в склі при зміні температури ртутні термометри мають майже рівномірну шкалу. Ртутні термометри виготовляються двох видів; із вкладеною шкалою і паличні (рис.1.1).

Рисунок 1.1 - Ртутні термометри:

Термометр із вкладеною шкалою має заповнений ртуттю резервуар 1 (рис.1.1), капілярну трубку 2, циферблат 3 з молочного скла зі шкалою і зовнішньою циліндричною оболонкою 4, у якій укріплений капіляр і циферблат. Зовнішня оболонка з одного кінця щільно закрита, а з іншого - припаяна до резервуара.

Паличний термометр складається з резервуара 1 (рис.4.1), з'єднаного з товстостінним капіляром 2 зовнішнім діаметром 6-8 мм. Шкала термометра нанесена безпосередньо на поверхні капіляра у вигляді насічки по склу. Паличні термометри є більше точними в порівнянні з термометрами із вкладеною шкалою.

Недоліками ртутних термометрів є їхня крихкість, неможливість дистанційної передачі і автоматичного запису показань, більша інерційність і труднощі відліку через нечіткість шкали і поганої видимості ртуті в капілярі. Все це значною мірою обмежує їхнє застосування, залишаючи за ними головним чином область місцевого контролю і лабораторні вимірювання.

Точність показань ртутного термометра, як і будь-якого приладу, що вимірює температуру, залежить від способу його установки, тобто від а- з вкладеною шкалою; б - паличний. правильного вирішення питань пов'язаних з теплообміном між вимірюваною речовиною, термометром і зовнішнім середовищем. Це завдання зводиться до двох основних вимог: по-перше, до забезпечення найбільш сприятливих умов передачі тепла від вимірюваного середовища чутливої частини (резервуару) термометра і, по-друге, до зменшення по можливості віддачі тепла приладом навколишньому повітрю.

Особливо великий вплив на точність вимірювання робить витік тепла від термометра, що при рідкому вимірюваному середовищі визначається теплопровідністю частин приладу, а при газовій і паровій - ще додатковим обміном тепла випромінюванням з навколишніми поверхнями.

Крім того, уведена у вимірюване середовище чутлива частина приладу тією чи іншою мірою змінює навколишнє температурне поле внаслідок відводу тепла. У цих умовах вимірювання температури не дає правильних результатів, тому що показання приладу відповідають його власній температурі, що відрізняється від температури вимірювального середовища. Неправильна установка термометра, що дає більшу втрату тепла в навколишнє середовище, може привести до заниження його показань на 10-15%.

Розглянуті нижче способи установки ртутних термометрів є в основному загальними для різних типів термометрів.

Застосовуються два способи установки ртутних термометрів: у захисних оправах (або гільзах) і шляхом безпосереднього занурення термометрів у вимірювальне середовище.

Досить розповсюдженої є установка термометра в захисній гільзі (рис.1.2), що оберігає його від поломки і забезпечує необхідну щільність з'єднання в місці розташування приладу. Довжина захисної гільзи вибирається залежно від необхідної глибини занурення термометра. Для поліпшення теплопередачі від гільзи до резервуара термометра кільцевий зазор, що утвориться в гільзі, між резервуаром і її стінкою заповнюється при вимірюванні температури до 150⁰С машинним маслом, а при більше високій температурі - мідною стружкою. Заповнення гільзи маслом або стружкою проводиться так, щоб у це середовище був занурений тільки резервуар термометра. Надмірне заповнення гільзи знижує точність вимірювання через зростання відтоку тепла і збільшує інерційність приладу.

Рисунок 1.2 - Установка ртутного термометра в захисній гільзі

При вимірюванні температури в трубопроводі термометр установлюється в положення, при якому вісь труби проходить посередині резервуара. Занурення кінця термометра до центра труби, тобто в зону найбільшої швидкості потоку, поліпшує теплообмін між середовищем, що рухається.

Найбільш правильною є установка термометра уздовж осі трубопроводу на коліні з висхідним потоком (рис.4.2, а), тому що при цьому умови обтікання кінця гільзи досить сприятливі. На горизонтальному трубопроводі діаметром до 200 мм термометр установлюється похило до осі труби назустріч потоку (рис.4.2, б). При діаметрі трубопроводу більше 200 мм термометр може бути розташований за нормаллю до осі труби (рис.4.2, в). На прямій вертикальній ділянці трубопроводу з висхідним потоком термометр завжди встановлюється похило назустріч потоку (рис.4.2, г). Установлювати термометри на вертикальних трубопроводах зі спадним потоком не рекомендується.

До дилатометричних термометрів відносяться стрижневі і пластинчастий (біметалічний) термометри, дія яких засноване на відносному подовженні під впливом температури двох твердих тіл, що мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення.

Стрижневий термометр (рис.4.3, а) має закриту з одного кінця трубку 1, що поміщується у вимірювальне середовище і виготовлену з матеріалу з більшим коефіцієнтом лінійного розширення. У трубку вставлений стрижень 2, що притискається до її дна важелем 3, з'єднаним із пружиною 4. Стрижень виготовлений з матеріалу з малим коефіцієнтом розширення. При зміні температури трубка змінює свою довжину, що приводить до переміщення в ній стрижня, що зберігає майже постійні розміри і з'єднаного за допомогою важеля 3 із вказівною стрілкою приладу.

Рисунок 1.3 - Дилатометричні термометри: а - стрижневий; б - пластинчастий

Пластинчастий термометр (рис.1.3, б) складається із двох вигнутих і спаяних між собою по краях металевих смужок, з яких смужка 1 має великий коефіцієнт лінійного розширення, а смужка 2 -- малий. Отримана пластинка міняє залежно від температури ступінь свого вигину, величина якого за допомогою тяги 3, важеля 4 і з'єднаної з ним стрілки вказується по шкалі приладу. При збільшенні температури пластинка вигинається убік металу з меншим коефіцієнтом лінійного розширення.

Дилатометричні термометри не одержали поширення як самостійні прилади, а використовуються головним чином як чутливі елементи в сигналізаторах температури. Крім того, пластинчасті термометри іноді застосовуються для компенсації впливу змінної температури навколишнього повітря на показання інших приладів, у які вони вбудовуються.

Дія манометричних термометрів заснована на залежності тиску рідини, газу або пари з рідиною в замкнутому об'ємі (термосистемі) від температури. Зазначені термометри є промисловими що показують і самописними приладами, призначеними для вимірювання температури в діапазоні до 600°С. Клас точності їх 1-2,5. Залежно від робочої речовини, яка використовується в термосистемі, анометричні термометри розділяються на газові, рідинні і конденсаційні (мають як робочу речовину органічні рідини з низькою температурою кипіння: хлористий метил, ацетон і фреон). Вибір робочої речовини виконується виходячи із заданого діапазону показань і умов вимірювання.

Рисунок 1.4 - Схема манометричного термометра, що показує

Схема манометричного термометра, що показує, приведена на рис.1.4. Термосистема приладу, заповнена робочою речовиною, складається з термобалону 1, що занурюється у вимірювальне середовище, манометричної трубчастої пружини 2, що діє за допомогою тяги 3 на вказівну стрілку 4, і капіляра 5, що з'єднує пружину з термобалоном.

Термобалон являє собою металеву трубку, закриту з одного кінця, а з іншого з'єднану з капіляром. За допомогою знімного штуцера 6 з різьбленням і сальником термобалон установлюється в трубопроводах, баках і т.п. Можлива установка його і у захисній гільзі. При нагріванні термобалона збільшення тиску робочої речовини передається через капіляр трубчастій пружині і приводить до розкручування останньої доти, поки діюче на неї зусилля, пропорційне різниці тисків у системі і навколишнім повітрі, не зрівноважиться силою її пружної деформації.

Дія термоелектричних термометрів заснована на властивості металів і сплавів створювати термоелектрорушійну силу (термо-е.р.с), що залежить від температури місця з'єднання (спаю) кінців двох різнорідних провідників (термоелектродів), що утворюють чутливий елемент термометра -- термопару. Маючи у своєму розпорядженні закон зміни термо-е.р.с. термометра від температури і визначаючи значення термо-е.р.с. електровимірювальним приладом, можна знайти шукане значення температури в місці вимірювання.

Термоелектричний термометр, що складається із двох спаяних і ізольованих по довжині термоелектродів, захисного чохла і головки із затискачами для підключення сполучної лінії, є первинним вимірювальним перетворювачем. Як вторинні прилади, що працюють із термоелектричними термометрами, застосовуються магнітоелектричні мілівольтметри і потенціометри.

Термоелектричні термометри широко застосовуються в енергетичних установках для вимірювання температури перегрітої пари, димових газів, металу труб котлоагрегатів і т.п. Позитивними властивостями їх є: великий діапазон вимірювання, висока чутливість, незначна інерційність, відсутність стороннього джерела електричного струму і легкість здійснення дистанційної передачі показань.

Для одержання порівняно високих значень термо-е.р.с. вибір термоелектродів проводиться таким чином, щоб у парі із платиною один з них створював позитивну, а інший негативну термо-е.р.с.

Термоелектричні термометри, що одержали практичне застосування, розділяються по матеріалам термоелектродів на дві групи: зі благородних (платина, платинородій) і неблагородних металів або сплавів (хром-алюмель, хромель-копеловий сплав). Термометри типів ТПП і ТПР із термоелектродами із благородних металів і сплавів застосовуються головним чином для вимірювання температури вище 1000°С, тому що вони мають велику термостійкість. Незважаючи на відносно малі значення що розвиває термо-е.р.с. термометри типу ТПП завдяки винятковій сталості термоелектричних властивостей і великому діапазону вимірювання одержали широке поширення головним чином як лабораторні, зразкові і еталонні.

Випускаються одинарні (з одним чутливим елементом) і подвійні (із двома чутливими елементами) термоелектричні термометри різних типів.

Подвійні термометри застосовуються для вимірювання температури в тому самому місці одночасно двома вторинними приладами, установленими в різних пунктах спостереження. Вони містять два однакових чутливих елементи, з'єднаних у загальні арматури. Термоелектроди ізольований одне від одного і знаходяться у захисному чохлі.

На рис.1.5 показаний устрій термометра типу ТПП. Термоелектроди, що утворюють робочий кінець (спай) 1, ізольовані по довжині порцеляновими трубками 2 і 3 і поміщені в захисний чохол 4, розрахований на атмосферний тиск. Для додання чохлу додаткової міцності неробоча частина його вставлена в сталеву трубку 5. За допомогою сталевих втулок 6 і 7 захисний чохол з'єднаний з корпусом 8, у якому закріплені два затискачі 9 із припаяними до них термоелектродами, ущільненими мастикою 10. Корпус закритий знімною кришкою 11 на різьбленні, ущільненим прокладкою 12. Для уведення в корпус зовнішніх сполучних проводів служить штуцер 13 з ущільненням 14. На поверхні закріплена металева табличка 15, на якій зазначені: тип термометра, допускаємий тиск і кінцеву температуру вимірюваного середовища, матеріал захисного чохла, дата виготовлення термометра і марка підприємства-виробника.

На точність вимірювання термоелектричним термометром великий вплив роблять спосіб установки і правильність проведення перевірки термометра і вторинного приладу.

Одним з основних вимог, які рекомендуються при установці термоелектричного термометра, є досягнення мінімального витоку тепла по його арматурах. Для цього термометр можливо глибше занурюють у вимірювальне середовище, що приводить до збільшення теплосприймаючої поверхні, і розташовується в місцях з великою швидкістю потоку, що поліпшує умови теплообміну.

Рисунок 1.5 - Термоелектричний термометр типу ТПП (А) ТХА (Б)

1.4 Огляд існуючих термоопорів (ТО)

Для вимірювання температури широке застосування отримали термометри опору, дія яких заснована на зміні електричного опору металевих провідників залежно від температури. Метали, як відомо, збільшують при нагріванні свій опір. Отже, знаючи залежність опору провідника від температури і визначаючи цей опір за допомогою електровимірювального приладу, можна судити про температуру провідника.

Найбільшого поширення набули ТО з чутливим платиновим елементом і мідним.

Платина навіть при високих температурах в окислювальному середовищі не змінює своїх фізичних і хімічних властивостей. ТКЄС платини в діапазоні від 0 до плюс 100 °С складає приблизно 1/273 °С^-1, питомий опір при 20 °С рівне 10,510^-6 Омм, діапазон перетворюваних температур складає -260 до +1300 °С.

Значення ТКЕО міді вище, ніж у платини, тому ТОМ чутливіше до зміни температури. Мідь завдяки своїй низькій вартості широко застосовується в перетворювачах температури в діапазоні від мінус 50 до плюс 180 °С.

Залежність електричного опору від температури - лінійна:

R_t=R₀(1+_tt),

де R₀ - опір перетворювача при 0°С;

_t - температурний коефіцієнт опору міді рівний 1/234,7 °С^-1;

t - температура за Цельсієм.

До недоліків мідних перетворювачів температури відноситься висока окислюваність міді при нагріваннях, унаслідок чого вони застосовуються в порівняно вузькому температурному діапазоні, в середовищах з низькою вологістю і за відсутності агресивних газів.

Вимоги до тих, що серійно випускаються ТС відбиті в ГОСТ 6651-84, згідно якому для них прийняті наступні параметри:

- тип (ТОП, ТОМ);

- номінальне значення R₀ (опір при 0 С), Ом;

- умовне позначення номінальної статичної характеристики: 1П; 10П; 50П; 100П; 500П - для ТОП і 10М; 50М; 100М - для ТОМ, де цифри відповідають значенню R₀, а буква - матеріалу чутливого елементу (П - платина, М - мідь).

Конструкції чутливих елементів терморезистивних перетворювачів температури бувають найрізноманітнішими залежно від меж перетворюваних температур, умов експлуатації і т.п. Чутливий елемент сучасного платинового терморезистивного перетворювача температури (рисунок 1.6) має вид спіралі 1,

Рисунок 1.6 Конструкція чутливого елементу ТСП

поміщеної в канавках дво- або чотирьохканального керамічного каркаса 2 і ущільненим порошкоподібним окислом алюмінію 3. Окисел алюмінію є хорошим електроізолятором, володіє великою теплостійкістю і хорошою теплопровідністю. Кріплення платинової спіралі до каркаса здійснюється за допомогою глазурі на основі окислу алюмінію і кремнію.

1.5 Постановка задачі

температура датчик термоопір перетворювач

Виходячи з огляду методів вимірювання температури та конструкцій термоопору можна сформулювати наступні задачі курсового проектування:

1. Розробити перетворювач опору в напругу.

2. Розробити фільтр низької частоти для придушення високочастотних перешкод.

3. Розробити нормалізатор сигналу для приведення рівня сигналу о температурі після перетворювача та фільтру до напруги повної шкали аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

4.Вибрати АЦП який забезпечує завданий клас точності перетворення.



2. Розрахункова частина

2.1 Синтез функціональної схеми пристрою вимірювання температури

Згідно завданню на курсовий проект пристрій що розробляється повинен виконувати перетворення сигналу з датчика температури у цифровий код. У якості датчика температури, згідно завдання, використовується датчик температури термоопір. Напруга з датчика перетворення фільтрується фільтром низької частоти. Згідно завданню на курсовий проект фільтр має 2-й порядок. Вихідний сигнал пристрою повинен мати цифрову форму.

Схема функціональна пристрою що розробляється наведена на рисунку 2.1

Рисунок 2.1. Пристрій сполучення термоопору з аналого-цифровим перетворювачем.

Схема складається з наступних елементів:

- T/R - датчик температури, перетворює температуру процесу у опір;

- R/U - перетворювач, перетворює опір у напругу;

- ФНЧ - фільтр низької частоти, усуває перешкоди високої частоти;

- K - нормувач вихідного сигналу, підсилює вихідний сигнал до напруги повної шкали АЦП;

- =/? - стабілізатор напруги, формує напруги живлення вузлів пристрою;

- ?/? - трансформатор живлення.

2.2 Розрахунок перетворювача опору у напругу

Розрахунок починаємо з розрахунку перетворювача. Для підключення термоопору до схем вимірювання використовується перетворювачі опір - напруга. Ці перетворювачі можуть бути побудовані за схемою включення терморезистора в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача або за схемою з вимірювальним мостом.

Схема електрична перетворювача наведена на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2. Перетворювач опір - напруга.

Визначимо вхідні дані для розрахунку:

- діапазон вимірюваної температури ТОП Т_мин=50 єС, Т_мах=300єС

- опір для максимальної R _tмах=106,01 та мінімальної температури R _tмин=59,7 Ом

- вихідна напруга перетворювача U_вых=10В.

Приймемо стум через ТСП I _том = 1 мА.

Задамо напругу живлення термоопору Uст.ном.. Типове значення Uст.ном.= 9В. Вибираємо відповідний стабілітрон. Д818Е, який має напругу стабілізації - 9В, мінімальний струм стабілізації - 3 мА, максимальний струм стабілізації - 33 мА. Робочий струм приймемо як 5 мА.

Розрахуємо номінал опору R1:

де - вхідна напруга стабілізатора живлення ТСП, - робочий струм стабілітрона.

Розрахуємо номінал опору R2:

Розрахуємо мінімальну та максимальну напругу на виході перетворювача для завданого діапазону температур:

U_max (t) = - R (t_мах)/ R2 U_ст.ном=

U_min (t) = - R (t_мін)/ R2 U_ст.ном.=

Визначаємо необхідний коефіцієнт підсилення:

Ку= U_вых/ U_max (t)=91



За довідковими даними вибирається тип резисторів і їх номінал згідно з номінальним рядом. За довідковими даними вибирається операційний підсилювач з мінімальним напругою зміщення, малими вхідними струмами і низькою питомою потужністю. Коефіцієнт підсилення повинен бути по можливості високим.

R1:МЛТ-0,125-1 кОм±20%

R2:МЛТ-0,125-9,1 кОм±5%

Обираємо підсилювач К140УД8 з наступними параметрами:

Робота від двох джерел +/-15 вольт

Струм споживання: не більше 5 мА

1 МГц частота одиничного підсилення

2 В/мкс швидкість наростання

Малий вхідний струм: не більше 0,2 нА

Зміщення нуля не більше 50 мВ

Температурний дрейф зміщення нуля не більше 50 мкВ/°С

Широкий діапазон допустимих синфазних напруг: +/-10 В

Диференціальний коефіцієнт підсилення не менше 30 000

Внутрішня частотна корекція

Закордонний аналог - uA740

2.3 Розрахунок фільтра і вибір комплектуючих елементів

Далі розглянемо фільтр низьких частот. Сигнал від датчика температури звичайно має значення від мікровольт до мілівольт і з'єднується з пристроєм перетворення довгими проводами, саме тому необхідно приймати додаткові заходи щодо зниження рівня шумів і наведень. Крім того, треба приймати до уваги що температура змінюється дуже повільно, потрібно подавляти перешкоди за допомогою фільтра низьких частот.

Існує два види фільтрів це активні та пасивні. Ми будемо використовувати активний фільтр низьких частот Чебешева.

Вихідними даними для розрахунку фільтра є вихідні дані з практичної роботи №6:

1. Нерівномірність передачі в смузі пропускання 0,5

2. Смуга пропускання 200

3. Коефіцієнт підсилення 2

4. Порядок фільтра 2

Схема електрична фільтру наведена на рисунку 2.3.

Рисунок 2.3. Фільтр нижніх частот другого порядку.

За довідковими даними знаходимо коефіцієнти фільтрів для заданої нерівномірності і порядку Чебешева.

В=1,425625; С=1,516203.

Розраховуємо номінальне значення С2

С2=10/f c;

С2= 10/200 = 0,05 мкФ.



Розраховуємо номінальне значення С1

С1?В*2*С2/(4*С*(К+1))

Розрахуємо значення опорів:

За довідковими даними вибираємо тип резисторів. З урахуванням того, що струми в перетворювачі маленькі, можна вибирати резистори потужністю до 0,125Вт типу МЛТ. За довідковими даними обираємо тип і номінал конденсаторів. Для використання у фільтрі можна вибрати конденсатори типу К10-17. Значення ємності вибираємо з номінального ряду Е24.По довідковими даними вибираємо тип операційного підсилювача.

Вибираємо типи резисторів і конденсаторів:

R1:МЛТ-0,125-22 кОм±5%

R2:МЛТ-0,125-43 кОм±20%

R3:МЛТ-0,125-27 кОм±5%

C1: К10-17-8,2 нФ±5%

C2: К10-17-0,051 мкФ±5%

Для вирішення даної задачі можна вибрати прецизійний ОУ загального застосування з внутрішньої частотної корекцією 140УД6 з наступними характеристиками:

Робота від двох джерел +/-5...+/-18 вольт

Малий струм споживання: не більше 4 мА

1 МГц частота одиничного посилення

2 В/мкс швидкість наростання

Вхідний струм не більше 100 нА

Зміщення нуля не більше 10 мВ

Температурний дрейф зміщення нуля не більше 20 мкВ/°С

Широкий діапазон допустимих синфазних напруги: +/-15 В

коефіцієнт підсилення не менше 30 000

Зарубіжний аналог - МС1456

2.4 Розрахунок аналого-цифрового перетворювача і вибір комплектуючих елементів

Аналогово-цифровий перетворювач - це пристрій, призначений для перетворення безперервно змінюючихся в часі фізичної величини в еквівалентні їй значення цифрових кодів.

Як аналогової величини може бути напруга, струм, кутове переміщення, тиск газу і т.д. Процес аналого-цифрового перетворення передбачає послідовне виконання наступних операцій:

- вибірку значень вихідної аналогової величини в деякі означений час, тобто дискретизація сигналу в часі;

- квантування (округлення перетворюється величини до деяких відомих величин) одержаної в дискретні моменти часу значення аналогової величини за рівнем;

- кодування - заміна знайдених квантових значень деякими числовими кодами.

Згідно завданню на курсовий проект у пристрою буде використано АЦП з 0,1-го класу точності перетворення. Виконаємо розрахунок нормализатора та вибір АЦП.

Визначимо вихідні дані для розрахунку:

1. Напруга при мінімальній температурі ;

2. Напруга при максимальній температурі ;

3. ;

4. ;

5. Напруга повної шкали АЦП 10В;

6. Клас точності перетворення и=0,1;

Визначаємо корисну роздільну здатність АЦП

Визначаємо роздільну здатність АЦП, прийнявши дп = 5 дискретів.

Найближчим значенням до N є двійкове число 8192 (2¹³).

Таким чином розрядність АЦП повинна бути не менше 13.

Згідно з напругою повної шкали і розрядністю вибираємо 16-ти розрядне АЦП ADS7825. Розраховуємо не інвертуючий нормалізатор вхідної напруги.

Схема електрична нормализатора наведена на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4. Нормалізатор сигналу АЦП.

Визначаємо напругу зсуву шкали нормалізатора.

U_cм= U_tmin• К_п • К_ф= 0,06• 91• 2=10,9В.

Розраховуємо джерело. Обираємо стабілітрон Д814Г з напругою стабілізації рівною 11 та діапазоном робочих струмів I_max = 29 мА и I_min = 3 мА. Робочий струм приймемо як 10 мА.

Вибираємо номінал резистора R2, прийнявши його 500 Ом.

Визначаємо струм навантаження стабілітрона

Визначаємо баластний опір R1, обравши в якості вхідної напруги Евх напруга живлення ОУ -15В

Обираємо номінал опору R3, R4, R5 рівним 10 кОм.

Визначаємо необхідний коефіцієнт підсилення:

Визначаємо значення резисторів R6, R7, R8. Приймемо значення опору R8 рівним R5 і рівним 10 кОм, тоді для забезпечення 50 % діапазону регулювання коефіцієнта підсилення:

R6 =R8/2=5 кОм;

R7= (R6+ R8/2)К = R8•К =10 • 1,1 = 11 кОм.

Обираємо резистори:

R1:МЛТ-0,125-130 Ом±5%

R2:МЛТ-0,125-510 Ом±10%

R3: МЛТ-0,125-10 кОм±20%

R4: МЛТ-0,125-10 кОм±20%

R5:МЛТ-0,125-10 кОм±20%

R6:МЛТ-0,125-5,1 кОм±5%

R7:МЛТ-0,125-11 кОм±5%

R8:СП-0,125-10 кОм±20%

У якості АЦП [1] оберемо 16-ти розрядне АЦП типу ADS7825. Мікросхема має наступні технічні параметри:

Кількість розрядів - 16;

Час перетворення, мкc - 25;

Напруга живлення,В - 5;

Потужність що споживається,мВт - 50;

Вхідна напруга перетворення,В 0..10;

Кількість каналів перетворення - 4.

Рисунок 2.4.2. Підключення АЦП ADS7825

Вибираємо операційний підсилювач К140УД8 з наступними параметрами:

Робота від двох джерел +/-15 вольт

Струм споживання: не більше 5 мА

1 МГц частота одиничного підсилення

2 В/мкс швидкість наростання

Малий вхідний струм: не більше 0,2 нА

Зміщення нуля не більше 50 мВ

Температурний дрейф зміщення нуля не більше 50 мкВ/°С

Широкий діапазон допустимих синфазних напруг: +/-10 В

Диференціальний коефіцієнт підсилення не менше 30 000

Внутрішня частотна корекція

Закордонний аналог - uA740

2.5 Розрахунок джерела живлення

Вхідними даними для розрахунку джерела живлення є напруга живлення операційного підсилювача - +15В та -15В, і напруга живлення АЦП - +5В. Як стабілізатори виберемо параметричні стабілізатори з керуючим транзистором.

Схема електрична стабілізатора наведена на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 Параметричний стабілізатор напруги.

Розрахуємо споживану потужність пристроєм:

Р_жив=Р_пр+ Р_філ + Р_АЦП=(1552)+(1552)+50=0,35Вт

Оберемо необхідну напругу для стабілізатора +15 та -15 В:



U_вх= U_ст+3=15+3=18В.

Обираємо необхідну напругу для стабілізатора +5В

Розраховуємо максимальну розсіювальну потужність керуючого транзистора 15 вольтового стабілізатора, де

Розраховуємо максимальну розсіювальну потужність керуючого транзистора 5 вольтового стабілізатора, де

Обираємо керуючий транзистор за визначеними параметрами. Цим параметрам відповідає транзистор КТ604А з наступними параметрами:

Визначаємо максимальний струм бази керуючого транзистора 15 вольтового стабілізатора.

Визначаємо максимальний струм баз керуючого транзистора 5 вольтового стабілізатора

Обираємо на напругу 15 вольт стабілітрон VD2,VD3: КС215Ж з наступними параметрами:

Напруга стабілізації: 15В

Мінімальний струм стабілізації: 0,5мА

Максимальний струм стабілізації: 8,3мА

Диференційний опір: 70 Ом

Обираємо на напругу 5 вольт стабілітрон VD4: 2С156У1 з наступними параметрами:

Напруга стабілізації: 5,6В

Мінімальний струм стабілізації: 1мА

Максимальний струм стабілізації: 9мА

Диференційний опір: 60 Ом

Розраховуємо опір R1 15 вольтового стабілізатора:

Розраховуємо опір R1 5 вольтового стабілізатора:

Розраховуємо потужність що розсіються на опорі R1 15 вольтового стабілізатора:

Розраховуємо потужність що розсіються на опорі R1 5 вольтового стабілізатора:

Обираємо номінали резисторів:

Для 15 вольтового стабілізатора: R1:МЛТ-0,125-1,1 кОм±10%

Для 5 вольтового стабілізатора: R1:МЛТ-0,125-1,2 кОМ±10%

2.6 Розрахунок випрямляча напруги

Випрямляч використовується для перетворення змінної напруги в постійну та навпаки. Зазвичай випрямлячі включають в себе конденсатори фільтри. У даній роботі ми будемо використовувати мостовий випрямляч. Основною особливістю якого є використання однієї обмотки трансформатора. Мостовий випрямляч має більш кращу випрямлену напругу ніж інші. Недоліком мостового випрямляча являється кількість діодів і потреби до ідентичності всіх діодів

Розрахуємо випрямляч напруги в якості котрого використаємо двонапівперіодний випрямляч схема якого наведена на рисунку 2.6.



Рис. 2.6. Двонапівперіодний випрямляч.

Розрахунок випрямляча:

Визначаємо зміну напругу на вході випрямляча для стабілізатора 15 вольт.

Визначаємо зміну напругу на вході випрямляча для стабілізатора 5 вольт.

Визначаємо максимальний струм через діод моста:

Для 15 вольтового стабілізатора:

Для 5 вольтового стабілізатора:



Розраховуємо зворотню напругу:

Для стабілізатора 15В:

Для стабілізатора 5В:

За даними обираємо діоди Д206, які мають допустимий струм 100мА та зворотну напругу 100В.

Розрахуємо ємність конденсаторів фільтру, прийнявши коефіцієнт пульсації рівним 0,01.

За довідником обираємо номінали фільтрів:

Для 15 вольтового стабілізатора: :К50-29 39мкФ-25В±10%

Для 5 вольтового стабілізатора: :К50-29 39мкФ-25В±10%

2.7 Розрахунок трансформатора

Трансформатор - це електрична машина котра має дві або більше індуктивно зв'язаних обмоток і призначений для перетворення однієї ч декількох систем змінного струму в одну чи декілька систем змінного струму. Конструктивно трансформатор має: серцевину та декілька індуктивних обмоток.

Розрахунок трансформатора живлення:

Вхідні дані:

- Напруга живлення для випрямляча 15В.

- Напруга живлення для випрямляча 5В.

- Струм навантаження - 0,023А та 0,01А

Розрахунок потужності вторинних обмоток трансформатора:

Розрахуємо розміри магнітопроводу обмоток трансформатора:

Обираємо розміри магнітопроводу для трансформатору типу ШІ:

h=2см, a=0,8см, b=0,8см, c=3,2см

Визначаємо струм первинної обмотки трансформатора:

Визначаємо площу перерізу магнітопроводу обмоток трансформатора:



Визначаємо діаметр магнітопроводу:

Визначаємо кількість витків обмоток:



Висновки

При виконанні курсового проекту було виконано розрахунок перетворювача опору в напругу для термоопору ТСП50П. Розраховано фільтр Чебишева 2-го порядку. Коефіцієнт підсилення фільтру було вибрано таким що дорівнює 7.

Було виконано розрахунок нормалізатора вхідного сигналу АЦП, який перетворює вихідний сигнал о температурі у напругу повної шкали АЦП. Хочу звернути увагу на те, що розрахунки таких датчиків починаються не с джерела живлення, а саме з перетворювача. Даний датчик може фіксувати температуру з невеликим відхиленням. Але все одно він вважається більш точним ніж деякі інші датчики температури.

У цій курсовій роботі була розроблена схема пристрою сполучення датчика температури з аналогового цифровим перетворювачем. За допомогою якої можна підбирати схожі схеми сполучення.

Даний пристрій може використовуватися в промисловості для отримання значення температури в цифровому сигналі(двійковому коді). Або для виводу температури на ЕОМ.

У курсовому проекті було обрано 16-ти АЦП типу ADS7825.

Також було виконано розрахунок джерела живлення, який включає до себе стабілізатор напруги, випрямляч, фільтр та трансформатор.

Размещено на Allbest.ru