 |
На что необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры
|
|
|
|
Исходные данные для проектирования Системы
Требуются разработать Датчик температуры, обеспечивающий на его выходе унифицированный электрический сигнал. Исходные данные для выбора параметров измеряемых величин и сигналов приведены в таблицах 1.3.1 и 1.3.2.
Таблица 1.3.1 Варианты и характеристики ПИП неэлектрических величин
| Последняя цифра студ. билета | Тип измерительного чувствительного элемента |
| Термопреобразователи сопротивления ТСМ 100М |
Таблица 1.3.2 Варианты и характеристики датчика неэлектрических величин
| Предпоследняя цифра студ. билета | Вид выходного унифицированного электрического сигнала |
| 0 – 20 мА |
Введение
Термометры сопротивления (термопреобразователи сопротивления, ТС) серии ТСП (платиновые), ТСМ (медные) предназначены для непрерывного измерения и контроля температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред, неагрессивных к материалу корпуса датчика, а также агрессивных, но не разрушающих защитный корпус.
Термометры сопротивления имеют разборную конструкцию и состоят из защитной арматуры и термоэлектрической вставки. Термометры сопротивления обладают хорошими термоэлектрическими свойствами.
ТС могут быть использованы в теплоэнергетике, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также на объектах атомных электростанций.
Введение в ИП
1.1 Обзор о датчиках температуры и анализ исходных данных
Терморезистивные термодатчики
Терморезистивные термодатчики — основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры. Разработаны они были впервые для океанографических исследований. Основным элементом является терморезистор — элемент изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.
|
|
|
Несомненные преимущества термодатчиков этого типа это долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем.
Например датчик 702-101BBB-A00, диапазон измерения которого от -50 до +130 °С. Этот датчик относиться к группе кремневых резистивных датчиках.
В зависимости от материалов используемых для производства терморезистивных датчиков различают:
1. Резистивные детекторы температуры(РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.
2. Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков —хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.
3. Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.
Полупроводниковые
В качестве примера полупроводникового датчика температуры возьмем LM75A. Диапазон измерений этого датчика от -55 до +150.
Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) дает возможность реализовать довольно точный датчик.
|
|
|
Достоинства таких датчиков — простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Все это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.
Термоэлектрические(термопары)
Термоэлектрические преобразователи — иначе, термопары. Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) – нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.
Термопара ДТПКХХ4 измеряет температуры в пределах от -40 до +400. Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от используемых в них материалов. Например, термопары из неблагородных металлов – до 1100 °С. Термопары из благородных металлов (платиновая группа) – от 1100 до 1600 градусов. Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам). Как правило используется в комплекте с милливольтметром, а свободный конец (конструктивно выведенный на головку) удален от измеряемой среды с помощью удлиняющего провода. Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность. Наиболее распространенным способом применения термопар являются электронные термометры.
Пирометры
Пирометры – бесконтактные датчики, регистрирующие излучение исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.
|
|
|
Различают три вида пирометров:
1. Флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.
2. Интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей – контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.
3. Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии. В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.
Акустические
Акустические термодатчики – используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных). Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется и приемник после получения сигнала считает эту скорость.
Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.
|
|
|
Пьезоэлектрические
В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.
Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока(прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.
На что необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры
1. Температурный диапазон.
2. Можно ли погружать датчик в измеряемую среду или объект? Если расположение внутри среды недопустимо, то стоит выбирать акустические термометры и пирометры.
3. Каковы условия измерений!? Если используется агрессивная среда, то необходимо использовать либо датчики в корозийнозащитных корпусах, либо использовать бесконтактные датчики. Кроме того, необходимо предусмотреть другие условия: влажность, давление и тд.
4. Как долго датчик должен будет работать без замены и калибровки. Некоторые типы датчиков обладают относительно низкой долговременной стабильностью, например термисторы.
5. Какой выходной сигнал необходим. Некоторые датчики выдают выходной сигнал в величине тока, а некоторые автоматически пересчитывают его в градусы.
6. Другие технические параметры, такие как: время срабатывания, напряжение питания, разрешение датчиков и погрешность. Для полупроводниковых датчиков, важным также являет тип корпуса.
1.2 Обзор компонентов примененных в ИП: термопреобразователя ТСМ-100М и операционного усилителя К140УД8
Медные термометры сопротивления типа ТСМ-50М и ТСМ-100М применяются для измерения температуры исследуемой среды в пределах от -200 до +180 0С. Эти приборы разработаны для использования в различных производственных процессах. Например, медные термосопротивления широко распространены в пищевой и перерабатывающей промышленности.
ТСМ-50М и ТСМ-100М имеют несколько модификаций, имеющих разные характеристики по нескольким признакам. Так, медные термометры сопротивления обладают тремя типами присоединения: для этого используются 2-, 3- или 4-проводные схемы.
|
|
|
Конструкция термометров сопротивления состоит из нескольких частей:
• корпуса,
• каркаса из прочного материала,
• проволоки, намотанной на каркас. Именно этот элемент называется чувствительным и служит для определения уровня температуры.
Для производства чувствительных материалов используются различные металлы, которые соответствуют следующим требованиям:
• устойчивость к окислению,
• обладают монотонной зависимостью значения сопротивления от текущей температуры, и другие.
Одно из основных свойств чувствительного элемента – уровень сопротивления. Он указан в названии приборов: ТСМ-50М или ТСМ-100М. 50 или 100 означают в данном случае, какое сопротивление имеет эталонный элемент, если температура равна 0 0С.
Наиболее подходящим материалом является платина. Приборы с этим металлом могут измерить температуру в пределах 1100 0С. Однако такие устройства отличаются более высокой ценой. По этой причине широкое распространение получили модели, в которых применяется медная проволока. Такие термометры сопротивления отличаются высокой точностью измерений, долговечностью и выгодной ценой.
Часто используемая следующая конструкция (рисунок 2).
Рисунок.2-Пример конструкции ТСМ-100М
Градуировка ТСМ-100М приведена в приложении А.
Характеристики операционного усилителя К140УД8
Данный ОУ доступен в нескольких корпусах. Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности, имеющие на выходе полевые транзисторы с p-n переходом и p-каналом, с внутренней частотной коррекцией и малыми входными токами. Корпус К140УД8 типа 301.8-2, масса не более 1,5 г., КР140УД8 типа 2101.8-1, масса не более 1 г. Схемы балансировки ОУ показаны на рисунке 3.
Рисунок.3-Схема балансировки ОУ
Назначение выводов КР140УД8:
1,5 - балансировка;
2 - вход инвертирующий;
3 - вход неинвертирующий;
4 - напряжение питания -Uп;
6 - выход;
7 - напряжение питания +Uп;
Параметры ОУ представлены в таблице 1
| Напряжение питания | 15 В 5%
| |
| Максимальное выходное напряжение при Uп= 15 В, Rн = 10 кОм
| 12 В
| |
| Напряжение смещения нуля при Uп= 15 В, Rн более 50 кОм
| 30 мВ | |
| Входной ток при Uп= 15 В, Rн более 50 кОм
| не более 2 нА | |
| Разность входных токов при Uп= 15 В, Rн более 50 кОм
| не более 0,15 нА | |
| Ток потребления при Uп= 15 В
| не более 5 мА | |
| Коэффициент усиления напряжения К140УД8А, КР140УД8А | не менее 50000 | |
| Максимальная скорость нарастания выходного напряжения при Uп= 15 В, Uвх= 5 В, Rн не менее 10 кОм, Cн не более 100 пФ К140УД8(А,В), КР140УД8(А,В) К140УД8Б, КР140УД8Б
| не менее 2 В/мкс не менее 5 В/мкс | |
| Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений при Uп= 15 В, Uвх= 5 В
| не менее 64 дБ | |
| Температурный дрейф напряжения смещения при Uп= 15 В, Rн не менее 50 кОм К140УД8А К140УД8Б К140УД8В
| не более 50 мкВ/ ° C не более 100 мкВ/ ° C не более 150 мкВ/ ° C | |
| Частота единичного усиления при Uп= 15 В, Rн не менее 50 кОм
| 3 МГц |
Таблица 1-Параметры ОУ К140УД8
2 Расчет измерительного усилителя
2.1 Обоснование схемы ИУ
Для построения датчика была выбрана следующая схема (рисунок 1):
Рисунок.4-Схема измерительного преобразователя
Физическая величина-температура вещества, в которую погружен термопреобразователь сопротивления, переводится в электрический вид при помощи датчика ТСМ-100М. Она снимается с измерительного моста, в одно плечо которого включен датчик. После снятия этой величины с моста она поступает на оба входа операционного усилителя DA на котором собран дифференциальный усилитель, смысл работы которого заключается в усилении разности сигналов на его входах. Благодаря этому измерительный преобразователь можно считать защищенным от помех и шумов, так как синфазные сигналы не усиливаются. Для увеличения надежности в схеме, на каждом из входов дифференциального усилителя присутствует повторитель напряжения, который обладает очень большим входным сопротивлением.
Рисунок.5 –Схема усилителя
В этой схеме симметричный вход подключается к двум неинвертирующим усилителям с плавным регулированием коэффициента усиления с помощью переменного резистора KR.
Коэффициент усиления этой схемы находится из выражения:
где К – коэффициент переменного резистора KR.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала схемы находится из выражения:
3 Имитационное моделирование ИУ
|
3.1 Моделирование в Electronics Workbench
Один из самых известных пакетов схематического моделирования цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых электронных схем высокой сложности.
Данная система схемотехнического моделирования показала достаточно высокую гибкость и точность вычислений, найдя широкое применение более чем в 50 странах мира, как на предприятиях, так и в высших учебных заведениях. Electronics Workbench включает инструменты для моделирования, редактирования, анализа и тестирования электрических схем. Программа имеет простой интерфейс и идеально подходит для начального обучения электронике. Библиотеки предлагают огромный набор моделей радиоэлектронных устройств от самых известных иностранных производителей с широким диапазоном значений параметров. Кроме этого, есть возможность создания собственных компонентов. Активные элементы могут быть показаны как идеальными, так и реальными моделями. Всевозможные приборы (мультиметры, осциллографы, вольтметры, амперметры, частотные графопостроители, динамики, светодиоды, лампы накаливания, логические анализаторы, сегментные индикаторы) позволяют делать измерения любых величин, строить графики.
Измерительный преобразователь смоделированный показан на рисунке 2.
Рисунок.6- ИП смоделированный в EW
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы я освоил работу с операционными усилителями, измерительными мостами, термопреобразователями сопротивления. Рассчитал и смоделировал на компьютере схему измерительного преобразователя который состоял из первичного термопреобразователя, измерительного моста, повторителя, дифференциального усилителя и преобразователя напряжение-ток. В итоге получилось устройство которое в зависимости от изменения температуры от -40 до 150 градусов выдает на выходе ток в пределах от 0 до 20 мА.
С помощью операционного усилителя К140УД8, термопреобразователя сопротивления ТСМ-100М, построечных резисторов данное устройство можно собрать на печатной плате.
Список литературы
1. Мелешкин Ю.А., Лысенко О.В. Линейные цепи с
операционными усилителями. Учебн. пособ. Самар. гос. техн. ун-т,
Самара, 1997г.
2. Фолкенберри Л. Применение ОУ и пинейных интегральных
схем: Пер. с англ. М.- Мир, 1985.
3. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.
для вузов-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 2004.-790с.
4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных
устойствах.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.
5. Резисторы. Справочник под редакцией Четверткова И.И.-М.:
Энергоатомиздат. 1991.
6. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки.
Справочник под ред. Кучинского Т.С.-М.: Энергоатомиздат, 1987.
7. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры:
Справочник; Под ред. Г.С.Найвельта.-М.: Радио и связь, 1986.
|
Приложение А
Градуировка ТСМ-100М
| t°C | ТС, R1, Ом | |||
| W100 = 1,3910 | W100 = 1,4280 | |||
| 50П | 100П | 50М | 100М | |
| -240 | 1,35 | 2,70 | - | - |
| -200 | 8,65 | 17,31 | 6,08 | 12,16 |
| -160 | 17,27 | 34,55 | 14,81 | 29,62 |
| -120 | 25,68 | 51,36 | 23,84 | 47,69 |
| -80 | 33,97 | 67,81 | 32,71 | 65,42 |
| -40 | 42,00 | 84,01 | 41,40 | 82,81 |
| 50,00 | 100,00 | 50,00 | 100,00 | |
| 59,85 | 119,71 | 60,70 | 121,40 | |
| 69,55 | 139,10 | 71,40 | 142,80 | |
| 79,11 | 158,22 | 82,08 | 164,19 | |
| 88,51 | 177,03 | 92,79 | 185,58 | |
| 97,77 | 195,55 | - | - | |
| 106,89 | 213,78 | - | - | |
| 115,85 | 231,71 | - | - | |
| 124,68 | 249,36 | - | - | |
| 133,35 | 266,71 | - | - | |
| 141,88 | 283,76 | - | - | |
| 150,25 | 300,51 | - | - | |
| 158,48 | 316,96 | - | - |
,,
|
|
|
