Разработка прибора, предназначенного для точного измерения в широких пределах температуры различных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

3.1 Выбор термодатчика

3.2 Выбор операционного усилителя

3.3 Выбор АЦП

3.4 Выбор блока питания

3.5 Выбор семисегментного индикатора

4. ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

4.1 Чертеж основной платы

4.2 Чертеж дополнительной платы

4.3 Настройка прибора

Список литературы

Введение

В настоящее время происходит интенсивное развитие рынка информационно-измерительных систем, выпускается множество, как совершенно новых, так и модернизированных приборов. Такие приборы применяются во многих производственных и добывающих отраслях. На рынке информационно-измерительных систем существует довольно жёсткая конкуренция, что побуждает производителей измерительного оборудования применять в своих разработках прогрессивные конструкторские идеи и современные электронные компоненты. Большинство современных измерительных приборов выполняются на базе микроконтроллера и схем аналого-цифрового преобразования, что дает возможность осуществить обработку информации в цифровом виде. С другой стороны применение микроконтроллеров в информационно-измерительных системах обусловлено возрастающим спросом на недорогие портативные и необслуживаемые и высокопроизводительные устройства с очень малым потреблением энергии, то есть с возможностью автономной работы длительный период.

Современные измерители температуры представляют собой интеллектуальные устройства с цифровым интерфейсом. Они обладают свойствами самодиагностики и конфигурирования на расстоянии, работают в широком диапазоне измеряемых температур, имеют улучшенную температурную компенсацию, повышенную точность.

прибор точное измерение температура

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать прибор, предназначенный для точного измерения в широких пределах температуры различных объектов для использования как в быту, так и в технике.

В этом термометре использована БИС серии К572, поэтому он содержит относительно небольшое число элементов. Термометр готов к работе сразу после включения питания.

Основные технические характеристики

Пределы измеряемой температуры, °С -50...+99.9

Основная погрешность измерения, °С ±0,1

Дополнительные погрешности, °С: от изменения температуры окружающей среды в пределах от 0 до +40 °С ±0,05

от смены датчиков ±0,1

Наибольшая длина экранированного кабеля для соединения датчиков с прибором (при сопротивлении каждого провода в кабеле не более 5 Ом), м 300

Потребляемая мощность. Вт 3

Габариты, мм: 120Х 110Х40

Напряжение питания: 220В.

2. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Структурная схема цифрового термометра показана на рис. 1.

Изменение температуры объекта, в котором размещен термодатчик, вызывает изменение сопротивления датчика, которое в блоке Е1 преобразуется в соответствующее изменение напряжения. Преобразователь U1 питается от стабилизатора тока G1. Выходной сигнал блока Е1 усиливается усилителем А1 и поступает к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) U2, на выходе которого включен цифровой блок индикации H1, высвечивающий текущую температуру контролируемого объекта.

E1

H1

U1 U2

A1

Рис.1 Структурная схема цифрового термометра

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

3.1 Выбор термодатчика

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Действие ТС (термопреобразователь сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, предоставленных разными видами веществ, способных проводить электрический ток: металлами, полупроводниками, электролитами.

ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. ТКС (температурный коэффициент сопротивления) сравнительно невелик (0,3...0,6 %*К-1) и, как правило, положителен для металлов. Для полупроводников в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов и положителен для позисторов. Электролиты характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

ТС состоит из чувствительного элемента соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов. Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи непосредственно или при помощи ИПТ, фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.

В зависимости от условий применения, требовании, предъявляемых к точности измерения, промышленностью выпускаются платиновые ТС различных конструкций. Такое разнообразие конструкций объясняется тем, что все требования, предъявляемые различными объектами измерения, не могут быть обеспечены одной и той же конструкцией.

Таблица 1

Тип	Номинальное сопротивление при 0°C, Ом	Условное обозначение номинальной статической характеристики преобразования	Диапазон измеряемой температуры, °С
			от	до
ТСП	1 5 10 46 50 100 500	1П 5П 10П гр.21 50П 100П 500П	--50 --100 --200 --260 --260 --260 --260	1100 1100 1000 1000 1000 1000 300
ТСМ	10 50 53 100	10М 50М гр.23 100М	--50 --50 --50 --200	--200 --200 180 200

Выбераем датчик ТСМ 50М включенный по трехпроводной схеме.

3.2 Выбор операционного усилителя

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Схема операционного усилителя

Рис.2

Условные обозначения на схеме для операционного усилителя, изображённого на рисунке справа, следующие:

V+ - неинвертирующий вход

V - - инвертирующий вход

Vout - выход

VS+ - плюс напряжения питания

VS - - минус напряжения питания

Стабилизатор тока питания моста выполнен на операционном усилителе (DA1.2) К157УД2. Схема К157УД2 представлена на рис.3.

Рис.3

Микросхема представляет собой малошумящий двухканальный операционный усилитель средней точности. Имеет защиту от коротких замыканий на выходе. Содержит 53 интегральных элемента.

Микросхема К157УД2 - универсального назначения, обладающий низким уровнем собственных шумов (типовое шачение напряжения шумов, приведенных ко входу ОУ, составляет 1,6 мкВ в полосе частот 20...20 000 Гц при нулевом сопротивлении источника сигнала). Операционный усилитель К157УД2 допускает большой диапазон входных дифференциальных напряжений, имеет защиту от коротких замыканий на выходе. Его можно использовать в самых разнообразных устройствах низкочастотной стереофонической аппаратуры.

Назначение выводов:

1 - коррекция 1-го канала;

2 - вход неинвертирующий 1-го канала (+);

3 - вход инвертирующий 1-го канала (-);

4 - напряжение питания (-Uп);

5 - вход инвертирующий 2-го канала;

6 - вход неинвертирующий 2-го канала;

7 - коррекция 2-го канала;

8 - коррекция 2-го канала;

9 - выход 2-го канала;

11 - напряжение питания (+Uп);

13 - выход 1-го канала;

14 - коррекция 1-го канала.

Электрические параметры:

Номинальное напряжение питания. ± 15 В

Максимальное выходное напряжение при Uп= ± 15 В,

Uвх= ± (25...200) мВ ? |±13| В

Напряжение смещения нуля при Uп= ± 15 В, Uвых?|1,2| В ?|±5| мВ

Входной ток при Uп= ± 15 В, Uвых?|2,2| .? 500 нА

Ток потребления при Uп= ± 15 В ..? 7 мА

Коэффициент усиления напряжения при Uп= ± 15 В:

Uвых= ±(10±0,5) В, f= 0...50 Гц. . .? 50*10і

Uвых= ±(7±0,5) В (эф.), f= 20 кГц . ? 300

Напряжение с диагонали измерительного моста, пропорциональное температуре, усиливается дифференциальным усилителем, выполненным на операционном усилителе DA1.1 (К157УД2).

Дифференциальный усилитель - это устройство, предназначенное для усиления разности подаваемых ему на входы сигналов. Дифференциальный усилитель представляет собой схему, которая предназначена для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В данном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов и определяется их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным.

Дифференциальный усилитель используют в тех случаях, когда слабые сигналы теряются на фоне шумов.

3.3 Выбор АЦП

АЦП реализован на БИС К572ПВ2А и работает по принципу двойного интегрирования с автокорректировкой "нуля" и автоматическим определением, полярности входного сигнала.

Микросхемы К572ПВ2А представляют собой интегрирующий АЦП на 3 1/2 десятичных разряда с выходом на семисегментный светодиодный индикатор.

ИС предназначены для применения в измерительных приборах напряжения, тока, сопротивления, температуры и веса с выводом информации на семисегментные светодиодные индикаторы.

Содержат 1040 интегральных элементов.

Микросхема имеет дифференциальные входы для измеряемого и образцового напряжений. Это позволяет измерять «плавающие» напряжения и подавлять синфазные помехи, возникающие в цепях входного сигнала и образцового источника. Входное сопротивление АЦП для дифференциального и синфазного сигналов практически определяется только токами утечки через элементы монтажа и корпус и составляет около 20 МОм.

Основные параметры микросхемы К572ПВ2

Число десятичных разрядов 3.5

Погрешность преобразования, ед. мл. разряда

Для К572ПВ2 А 1

Напряжение питания В +5±5%, -5±5%

Опорное напряжение UREF, В

0.1..1 (обычно используют 0.1 или 1 В, но можно использовать и промежуточные значения)

Диапазон входного сигнала ±1.999· UREF

Входное сопротивление 20 Мом

3.4 Выбор блока питания

Питается термометр от сети переменного тока напряжением 220 В через трансформатор Т1. Для стабилизации питающего двуполярного напряжения предусмотрены параметрические стабилизаторы VD1,R18 и VD2,R19. Образцовое напряжение для АЦП и стабилизатора тока снято с делителя напряжения на резисторах R16, R17. Оно дополнительно фильтровано конденсатором С12.

Трансформатор питания для уменьшения габаритов выполнен из четырех магнитопроводовПЛ6,5Х12,5х16 (сечение приблизительно 3 см.кв). Обмотка I содержит 3000 витков провода ПЭВ-2 0,08, II - 2Х130 витков провода ПЭВ-2 0,18, 111 - 70 витков провода ПЭВ-2 0,4. В трансформаторе питания может быть применение иного магнитопровода, однако высоту корпуса термометра при этом придется увеличить.

3.5 Выбор семисегментного индикатора

Сигнал с АЦП поступает на табло состоящее из трех светодиодных индикаторов HG1 - HG3 и светодиода HL1. Семисегментный индикатор выполнен на АЛС324Б (рис.4).

Рис.4

Индикаторы знакосинтезируюшие АЛС324Б-1, на основе соединения арсенид-фосфид-галлий.

Предназначены для визуальной индикации. Индикаторы имеют семь сегментов и децимальную точку, излучающих свет при воздействии прямого тока. Различные комбинации элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и децимальную точку.

Выпускаются в пластмассовом корпусе. У индикаторов АЛС324А-1 элементы имеют общий катод, у АЛС324Б-1 - общий анод.

Высота знака 7,5 мм.

Масса прибора не более 2 г.

Некоторые электрические и световые параметры:

- Цвет свечения .. красный

- Сила света при Iпр=20 мА через элемент, не менее: сегмента 0,15 мкд децимальной точки 0,05 мкд

- Неравномерность силы света индикатора, не более. 3

- Длина волны излучения в максимуме спектральной плотности 650..670 нм

- Постоянное прямое напряжение на элементе при Iпр=20 мА, не более 2,5 В.

Предельные эксплуатационные данные:

- Обратное напряжение любой формы и периодичности.. 5 В

- Постоянный прямой ток через элемент:

- при Т=-60..+35°С 25 мА

- Рассеиваемая мощность:

- при Т=-60..+35°С 500 мВт

- Температура окружающей среды -60..+70°С

Светодиод АЛ310А (рис.5).

Рис.5

Диоды АЛ310А светоизлучающие, с рассеянным излучением, эпитаксиальные.

Изготовляются на основе соединений галлий-алюминий-мышьяк.

Выпускаются в корпусе из металла с диффузно рассеивающим компаундом.

Маркируются цветными точками на корпусе АЛ310А - одной красной; АЛ310Б - одной синей.

Масса диода не более 0,3 г.

Некоторые электрические и световые параметры АЛ310А:

Цвет свечения - Красный

Сила света при Iпр=10 0,61..1,2 мкд

Длина волны излучения в максимуме спектральной плотности 0,67 мкм

Постоянное прямое напряжение при Iпр=10 мА, не более 2 В.

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянный прямой ток 12 мА

Температура окружающей среды -60..+70°С.

4. ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Переключателем SB1 выбирают один из термодатчиков RK1, RK2, установленных на объекте, температуру которого надобно измерить. Датчик включен в одно из плеч измерительного моста постоянного тока, выполненного на прецизионных резисторах R1 - R5. Точность и линейность показаний индикатора в пределах измеряемой температуры определяется в основном стабильностью тока, питающего измерительный мост.

Стабилизатор тока питания моста выполнен на операционном усилителе DA1.2. Подстроечный резистор R11 позволяет в небольших пределах изменять роль выходного тока, что дает вероятность изменять крутизну преобразования сопротивления термодатчика в напряжение и обеспечивает установку верхней границы измеряемой температуры. Нижнюю рубеж устанавливают подстроечным резистором R1.

Напряжение с диагонали измерительного моста, пропорциональное температуре, усиливается дифференциальным усилителем, выполненным на операционном усилителе DA1.1, и с его выхода подается на вход АЦП. Конденсаторы С1, С2, С4 служат для фильтрации помех.

АЦП реализован на БИС К572ПВ2А и работает по принципу двойного интегрирования с автокорректировкой "нуля" и автоматическим определением, полярности входного сигнала. Сигнал, несущий информацию о текущей температуре выбранного объекта, представлен на выходе АЦП в виде, удобном для отображения семиэлементными индикаторами. Он поступает на табло, состоящее из трех светодиодных индикаторов HG1 - HG3 и светодиода HL1.

Светодиод загорается при отрицательной температуре измеряемого объекта. Для разделения целых и десятых долей градуса на индикаторе HG2 высвечивается запятая.

Питается термометр от сети переменного тока напряжением 220 В через трансформатор Т1. Для стабилизации питающего двуполярного напряжения предусмотрены параметрические стабилизаторы VD1R18 и VD2R19. Образцовое напряжение для АЦП и стабилизатора тока снято с делителя напряжения на резисторах R16, R17. Оно дополнительно фильтровано конденсатором С12.

Все элементы цифрового термометра размещены на двух печатных платах, соединенных между собой уголками.

4.1 Чертеж основной платы

Рис.6

4.2 Чертеж дополнительной платы

Рис.7

4.3 Настройка прибора

В приборе использованы постоянные резисторы R2 - R5 - С2-29В-0,125: R18, R19 - МЛТ-0,5; подстроечные - СПЗ-38, остальные - МЛТ-0,125. Конденсаторы С1 - С5, С9 - К73-17-С7, С10, С11 - КТ.1; С6, С8 - К10-7; С12-С 14 - К50-6.

При отсутствии стандартных датчиков можно изготовить их самостоятельно. Для этого надобно отмерить 619 см провода ПЭТВ диаметром 0,05 мм намотать его бифилярно на изоляционную оправку, к одному концу провода датчика припаять один гибкий вывод, ко второму - два таких же вывода.

Можно припаять датчик прямо к проводникам подводящего кабеля. На каждый датчик потребуется три проводника в кабеле. Такое подключение позволяет скомпенсировать температурную погрешность, вносимую проводниками кабеля. Сопротивление датчика при температуре 20 °С должно быть 57, 52 Ом.

Безошибочно собранный из заведомо исправных элементов термометр налаживания не требует, надобно лишь установить границы измеряемого диапазона. Для этого вместо датчика включают его эквивалент (магазин резисторов или точный резистор). Вначале включают резистор сопротивлением 41,7 Ом, и резистором R1 устанавливают на табло показание минус 50°С; потом заменяют резистор на прочий, с номиналом 75,59 Ом, и резистором R11 устанавливают показание плюс 99,9 °С. Операцию калибровки следует повторить дважды.

При необходимости расширить интервал измеряемой температуры до 180°С надобно подключить к АЦП ещё один цифровой индикатор АЛС324Б. Остальные технические характеристики термометра при этом сохраняются.

Список литературы

РАДИО N 1, 1985 г., с.47-48.

Размещено на Allbest.ru

...