 |
Указания для выполнения курсовой работы
|
|
|
|
Введение
Целью курсовой работы является закрепление теоретических и практических знаний изучаемого предмета, развитие у студентов навыков проектирования измерительных преобразователей (ИП) состоящей из датчика температуры, измерительного усилителя (ИУ) на операционных усилителях и работы со справочной литературой.
Операционные усилители имеют массовое применение в аналоговой электронике благодаря высококачественным свойствам, в частности, большому коэффициенту ослабления синфазного сигнала и коэффициенту усиления напряжения.
Выполнение курсовой работы обеспечивает возможность получения необходимых знаний о свойствах и параметрах ИП и ИУ на операционных усилителей, о принципах построения схем ИП.
Задание на курсовую работу
Общие сведения
1.1.1 Полное наименование курсовой работы по дисциплине «Измерительные преобразователи» и ее условное обозначение – Измерительный преобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом. Далее в Техническом задании «Датчик».
1.1.2 Порядок оформления и сдачи заказчику результатов курсовой работы по созданию Датчика определяется Стандартом АУЭС.
1.2 Назначение и структура Датчика
1.2.1 Назначение Датчика
Проектируемый Датчик предназначен для обеспечения измерительной информации о технологических параметрах объекта контроля - температуре T.
Структура Датчика
Датчик должен состоять из двух преобразователей:
1) Первичный измерительный преобразователи (ПИП) - измерительный преобразователь, непосредственно воспринимающий измеряемую физическую величину и преобразующий измерительный сигнал на электрический сигнал.
|
|
|
2) Вторичный преобразователь – измерительный и нормирующий преобразователи на операционных усилителях, предназначенный для получения унифицированных аналоговых электрических сигналов.
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 50М | |
| Термопреобразователи сопротивления ТСМ 100М | |
| Термопреобразователи сопротивления ТСП 50П | |
| Термопреобразователи сопротивления ТСП 100П | |
| Терморезисторы КМТ-1 | |
| Терморезисторы ММТ-1 | |
| Терморезисторы СТ3-1 | |
| Терморезисторы КМТ-8 | |
| Терморезисторы ММТ-8 | |
| Терморезисторы СТ4-17 |
Таблица 1.3.2 Варианты и характеристики датчика неэлектрических величин
| Предпоследняя цифра студ. билета | Вид выходного унифицированного электрического сигнала |
| 4 – 20 мА | |
| 0 – 20 мА | |
| 0 – 10 В | |
| 0 – 5 В | |
| 4 – 20 мА | |
| 0 – 20 мА | |
| 0 – 10 В | |
| 0 – 5 В | |
| 0 – 20 мА | |
| 0 – 10 В |
Примечание
Параметры измерительных чувствительных элементов приведены в приложении к курсовой работе.
Для чувствительных элементов из полупроводниковых терморезисторов диапазон измеряемой температуры выбрать от 00С до 500С, а для термосопротивлении - 400С до 1500С.
1.4.Функциональная схема ИП
ИП должен функционировать следующим образом.
Измерительная информация о технологических параметрах объекта контроля - температуре Т преобразуется с помощью датчик Дт в электрический сигнал напряжения Ut, которые усиливает соответствующим ИУт с коэффициентами передачи КтU.
|
|
|
На рисунке 1 представлена структурная схема ИП.
Для усиления сигнала датчика должны использоваться измерительный усилитель, построенные на операционных усилителях (ОУ).
Для выделения полезного сигнала на фоне синфазной помехи входное сопротивление усилителя должно быть не менее 50 кОм, а погрешность измерения напряжения на выходе ИУ, вызванная синфазной помехой, не должна превышать 1%.
Рисунок 1. Функциональная схема ИП.
Для питания измерительных мостов и ОУ необходимо - выбрать схему источников питания. Значение напряжения Е можно выбрать в диапазоне 10 ¸ 15 В. Токи через чувствительных элементов надо выбрать в диапазоне от 2 мА до 10 мА.
1.5 Требования к оформлению курсовой работы
Курсовая работа включает пояснительную записку и лист графического материала.
Пояснительная записка выполняется на листах формата А4 в соответствии со стандартами, принятыми в высшей школе. Объем пояснительной записки - 15-20 листов машинописного текста, выполненного обычным шрифтом размером 12 пунктов через 1,5 интервала (для оформления в программе «Word»).
Пояснительная записка включает:
- титульный лист;
- лист содержания курсовой работы;
- лист задания в соответствии с вариантом;
- разделы курсовой работы в соответствии с содержанием;
- библиографический список используемой литературы;
- приложение со справочными данными использованных в курсовой работе электронных компонентов, условными обозначениями интегральных схем с таблицами их основных параметров.
Лист содержания включает следующие пункты:
Задание (в соответствии с вариантом).
Введение.
1. Построение и расчет измерительной цепи датчиком с мостовой схемой.
2. Построение и расчет схемы измерительного усилителя.
3. Заключение.
4. Приложение.
Библиографический список использованной литературы.
Графический материал включает функциональную схему ИП, выполненную на листе формата А4 в соответствии со стандартом.
Указания для выполнения курсовой работы
2.1 Общие указания и примерное содержание курсовой работы
Задание на курсовую работу формулируется в соответствии с п.1 настоящих методических указаний. Также в этом разделе должна быть приведена таблица с исходными данными по своему варианту.
|
|
|
Введение курсовой работы должно содержать краткий обзор компонентов и устройств ИП, применяемых в современной промышленности, сведения об операционных усилителях и областях их применения, особенно в информационно-измерительной технике. Также в этой части курсовой работы требуется сформулировать ее цель.
В разделах 1 и 2 требуется построить и обосновать схемы. Затем необходимо выбрать из справочной литературы компоненты схем в соответствии с заданием, рассчитать схемы и выполнить проверку. Список вспомогательных материалов для выполнения этой части курсовой работы приведен в конце данных методических указаний.
Заключение курсовой работы должно содержать выводы по проделанной работе и полученные навыки.
Лист приложения должен включать справочные данные использованных в курсовой работе электронных компонентов, условные обозначения интегральных схем с таблицами их основных параметров.
Библиографический список должен содержать перечень использованной литературы при выполнении курсовой работы.
2.2 Примерное содержание курсовой работы.
Введение
1. Расчет ПИП.
1.1. Обзор о датчиках температуры и анализ исходных данных.
1.2. Расчет ПИП.
Выводы по первому разделу.
2. Расчет измерительного усилителя.
2.1. Обоснование схемы ИУ.
2.2. Расчет ИУ.
2.3. Расчет качественных параметров ИУ.
3. Имитационное моделирование схемы ИП.
Резистивные датчики температуры являются достаточно точными устройствами, но требуют внешнего тока возбуждения и обычно используются в мостовых измерительных схемах. Термисторы имеют наивысшую чувствительность, но в то же время обладают наибольшей нелинейностью. Однако, они популярны в портативных приложениях, таких как измерение температуры аккумуляторной батареи и в других системах измерения критичных температур.
Современные полупроводниковые датчики температуры дают высокую точность и обладают высокой линейностью по диапазону рабочих температур от - 55°С до + 150 °С. Внутренние усилители могут масштабировать выходной сигнал до удобных значений на выходе, например, 10 мВ/°С. Они также полезны для применения в цепях компенсации температуры холодного спая для широкодиапазонных датчиков температуры - термопар. Полупроводниковые температурные датчики можно объединять в многофункциональные интегральные схемы (ИС), которые выполняют ряд других мониторирующих функций.
|
|
|
В таблице 2.1 перечислено большинство из наиболее популярных типов преобразователей температуры и даны их характеристики.
Таблица 2.1 Наиболее популярные типы преобразователей температуры.
| Термопары | РДТ | Термисторы | Полупроводниковые датчики температуры |
| Самые широкий диапазон температур: -184°С до+2300° С | Диапазон: -200°С до +850°С | Диапазон: 0°С до + 100° С | Диапазон: -55°С до +150°С |
| Высокая точность и повторяемость | Высокая линейность | Низкая линейность | Линейность: 1° С Точность: 1°С |
| Необходимость компенсации холодного спая | Требует внешнего возбуждения | Требует внешнего возбуждения | Требует внешнего возбуждения |
| Низкое выходное напряжение | Низкая стоимость | Высокая чувствительность | Типовой выходной сигнал: 10 мВ/К, 20мВ/К или 1 мА/К |
Измерительный усилитель обычно служит для измерения малых разностей напряжения полезного сигнала на фоне значительных помех. Такие ИУ также называют инструментальными усилителями, усилителями датчиков, разностными усилителями, усилителями рассогласования.
Схемы ИУ, как правило, строятся на ОУ для обеспечения высоких значений входного сопротивления, коэффициента усиления и коэффициента ослабления синфазного сигнала.
Построение и расчет схемы ИУ заключается в синтезе ИУ из типовых функциональных блоков, выборе из справочной литературы компонентов схемы, расчете и проверке основных параметров ИУ, удовлетворяющих условиям его работы в соответствии с заданием на КР.
Для построения схемы ИУ можно выбрать из справочника ОУ общего применения, например серии 140 (К140УД6, К140УД8 и другие). Данные ОУ имеют большие значения входного сопротивления (≥ 2 Мом), коэффициента усиления (≥ 5·104), коэффициента ослабления синфазного сигнала (≥ 70дБ).
1. Построение и расчет схем измерительных цепи с датчиком и мостом
Измерительный выходной сигнал датчиков технологических параметров часто представляет собой напряжение, снимаемое с мостовой схемы. Поэтому в качестве датчиков температуры можно использовать схему балансного моста (см. рис. 2), в одном из плеч которого включен первичный резистивный измерительный преобразователь (термистор, термо- или тензорезистор определяемой согласно варианту).
|
|
|
Рисунок 2. Схема балансного моста
Выходное напряжение U такой схемы рано нулю при условии равенства всех плеч моста или их по парного равенства: RX0 = R1 и R2 = R3 . Здесь в качестве RX0 используется сопротивление первичного резистивного измерительного преобразователя до рассогласования, задающего разбаланс моста.
По условиям задания разбаланс моста:
Из этого выражения по известным значениям n и RX0 можно определить отклонение сопротивления резистивного преобразователя при рассогласовании Δ RX и после рассогласования: RX = RX 0 − Δ RX.
Выходное напряжение рассогласования моста: U = U2 – U1,
где U2 = Eпит ·RX /(RX + R2) и U1 = Eпит R1 /(R1 + R3).
2. Построение и расчет схемы измерительного усилителя.
Для усиления сигнала датчика напряжение U подается на вход схемы, построенной на ОУ с дифференциальным входом (рис.2). В этой схеме UВЫХ = m(UВХ 2 – UВХ 1) = mUВХ.ДИФ., если R1 = R2; R3 = Roc. Здесь m = R3/R2 = Roc/R1 - дифференциальный коэффициент усиления схемы, а UВХ.ДИФ.- дифференциальное входное напряжение ОУ, равное выходному напряжению U измерительного моста, так как UВХ 1 = U1 и UВХ 2 = U2.
В разностном (дифференциальном) усилителе помехи на входах воспринимаются синфазными сигналами и ослабляются. Схема усиливает только разностный сигнал. В идеальном ИУ синфазные входные напряжения одинаковы, их разность равна нулю, поэтому помехи не влияют на работу ИУ. В реальном ИУ трудно создать одинаковые условия приема синфазных сигналов по каждому входу ИУ.
Расчет качественных параметров ИУ.
Качество подавления синфазной помехи характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), значения которого обычно более 80 дБ. Для повышения КОСС необходимо точно подобрать номиналы резисторов схемы ИУ. Для сбалансированной схемы на рис. 3 КОСС можно определить по выражению:
где Δ m - изменение, зависящее от выбранной точности k резисторов схемы, то есть k = Δ m ·100/ m, %.
Для увеличения входного сопротивления эту схему дополняют повторителями напряжения на неинвертирующем ОУ, подключаемыми к входам усилителя (рис.4).
В этом случае входное сопротивление по каждому входу схемы будет равно:
Недостатком такой схемы является трудность регулировки коэффициента усиления ИУ, так как приходиться одновременно изменять точно подобранные сопротивления схемы. Это устраняется в усилителе представленном на рис. 5.
В этой схеме симметричный вход подключается к двум неинвертирующим усилителям с плавным регулированием коэффициента усиления с помощью переменного резистора KR.
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Рисунок 5.
Коэффициент усиления этой схемы находится из выражения:
где К – коэффициент переменного резистора KR.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала схемы находится из выражения:
Коэффициент передачи синфазного сигнала:
По известным значениям UВХ.ДИФ и диапазону изменения выходного сигнала ИУ можно определить пределы изменения коэффициента усиления схемы ИУ от KU. МАКС до KU. МИН:
Здесь UВЫХ. МАКС. соответствует верхнему пределу диапазона изменения выходного сигнала ИУ, равному 1 В, а UВЫХ. МИН. – нижнему.
Далее выбираем номиналы резисторов для схемы ИУ (рис. 5) так, чтобы входные токи ОУ были малыми. Обычно значения сопротивлений входных резисторов схемы (R1, R2) берут высокими в пределах десятка кОм, чтобы не нагружать входы ОУ. Значения сопротивлений обратной связи RОС, R3, как правило, на порядок выше. Для обеспечения высокого значения КОСС сопротивления резисторов R, R1, R2, а также резисторов RОС, R3 выбирают равными с точностью k = 5% (из ряда Е24 номиналов сопротивлений резисторов). По заданной точности можно найти
Затем можно определить пределы изменения коэффициента К (от КМИН до КМАКС) переменного резистора КR, исходя из требуемой глубины регулирования коэффициента усиления схемы ИУ от КU.МАКС до КU.МИН:
Далее можно определить пределы изменения сопротивления переменного резистора КR по выражению: KMINR<KR<KMAXR.
Резистор KR можно построить из двух частей. Одна из них является постоянным резистором с сопротивлением KMINR, а другая - переменным с сопротивлением KMAXR - KMINR. После расчета сопротивлений постоянной и переменной частей резистора KR необходимо выбрать номиналы этих резисторов из справочника с точностью k = 10% (из ряда Е12).
Далее можно найти нижнюю границу входного сопротивления ИУ по выражению:
и затем проверить найденное значение по условию задания на КР. Далее следует найти нижнюю границу КОСС ИУ (при KMAX) по выражению:
Наконец, необходимо определить наибольший уровень синфазной помехи на выходе ИУ (выходную синфазную ошибку при K МАКС) UВЫХ. СФ. МАКС по выражению:
синфазное напряжение на входе ИУ СФВХU T , ИУТ , определяется по выражению: UВХ. СФ. = (UВХ 2 – UВХ 1)/2.
Полученное значение требуется проверить по условию задания на КР.
Приложение
Терморезисторы
Терморезистор – это устройство, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур.
Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС – (-6,5; +70)%/оC.
Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при достаточно низких температурах обмен электронами соседних ионов затрудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена ионов электронами становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда.
Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:
1.Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и p- типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150oC и выше, причем ТКС при комнатной температуре примерно равен 0,8% на 1oC.
2. Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1oC), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120oC, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250oC. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большое изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например 0-100oC.
В таблице П1 приведена технические параметры терморезисторов предложенное в курсовой работе.
Таблица П2.Номинальные статические характеристики термопреобразователей сопротивления
| 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 | - | - |
Параметры ОУ
|
|
|
