| КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: Технические средства автоматизации и управления на тему: Измерительный преобразователь для датчика температуры - термопара | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: 4653 | Комментирии: 0 | 29-12-2013 00:33 |
СКАЧАТЬ:
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: Технические средства автоматизации и управления
на тему: Измерительный преобразователь для датчика температуры - термопара
Оглавление
Задание на курсовую работу 3
Введение 5
1. График функции 8
2. Точность преобразования и линейность 11
3. Разрядность АЦ - преобразователя 13
4. Линеаризация НСХ преобразователя по температуре 14
5. Выбор АЦ. 15
6. время преобразования измерительного преобразователя 17
7. Структурная схема и принцип работы АЦ-преобразователя 18
8. Структурная схема измерительного преобразователя 21
Заключение 24
Список используемой литературы 25
Задание на курсовую работу
Исходные данные
1. Тип датчика: термопара ТХА (К)
2. Диапазон измеряемой температуры: 0..1300°С
3. Входной сигнал в зависимости от типа датчика:
4. термо-э.д.с. (ГОСТ 3044-84);
5. Выходные сигналы:
• цифровой - пропорциональный температуре двоичный код;
• аналоговый - пропорциональный температуре ток или напряжение.
6. Класс точности - 0,25
7. Время реакции датчика на изменение температуры - более 10 сек.
8. Гальваническое разделение между входными и выходными цепями.
Задание.
1. Построить график функции E = f (T), где E - термо-электродвижущая сила (термо-э.д.с.) термопары (мВ); T - температура (°С).
2. Построить прямую, соединяющую крайние точки заданного диапазона температуры, т.е. идеальную линейную характеристику преобразования по температуре.
3. Определить максимальную в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделать вывод о необходимости линеаризации, исходя из заданного класса точности с учетом запаса по погрешности не менее 20% от заданного (0.25)
4. Определить разрешающую способность (разрядность) АЦ-преобразования с учетом линеаризации (для линеаризации достаточно дополнительные 2 разряда), учитывая, что максимальная погрешность преобразователя (п. 1.5) в соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» не должна превышать ± 5 квантов (единиц младшего разряда).
5. Определить число участков линеаризации, обеспечивающих заданную точность преобразования, и предложить вариант линеаризации НСХ преобразователя по температуре любым способом (кусочно-линейная аппроксимация, прямое преобразование с помощью ПЗУ, другое).
6. Выбрать и обосновать принцип работы узла АЦ-преобразования.
7. Определить время преобразования измерительного преобразователя, исходя из принципа работы узла АЦ-преобразования, фильтрации помех и времени реакции датчика.
8. Разработать структурную (функциональную) схему измерительного преобразователя, указав основные функциональные узлы с учетом особенностей измерения температуры датчиком - термопарой (э.д.с. низкого уровня, компенсация температуры свободных концов) и термометром сопротивления (пассивный датчик, малый диапазон изменения сопротивления). Составить описание устройства и принципа действия измерительного преобразователя по структурной (функциональной) схеме: функциональное назначение и необходимость в составе прибора каждого узла схемы.
Введение
Повышение технико-экономических показателей систем управления техническими процессами (ТП) и производством в целом таких, как качество управления, надежность, снижение затрат на проектирование, безопасность эксплуатации, возможность адаптации систем управления к изменяющимся свойствам объектов улучшение условий работы оператора в большой степени зависит от используемых технических средств.
В настоящее время технические средства автоматизации и управления (ТСА и У) компонуются в агрегатные комплексы технических средств, которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и конкретных задач по автоматизации технологических процессов выполняется согласно международной стандартизации.
ТСА и У выполняют следующие функции:
1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса;
2. передачу информации по каналам связи;
3. преобразование, хранение и обработка информации;
4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем);
5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связь с оператором с помощью исполнительных механизмов
Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы:
1. средства на входе системы (датчики);
2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых);
3. внутрисистемные ТСА (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором;
4. средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций ТСА приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае.
В данной курсовой работе речь идет о термоэлектрическом преобразователе – термопара. Термопреобразователь (преобразователь, датчик температуры) – это средство измерения (прибор), преобразующий измеряемую температуру в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации средствами автоматизации ТП.
ТХА(К):
преобразователь термоэлектрический
Материал термоэлектродов:
• сплав хромель - положительного
• сплав алюмель – отрицательного
Диапазон рабочих температур, °С: -200…+1200.
Предельная температура при кратковременном применении, °С: 1300.
Чувствительные элементы датчиков температуры (термопар) формируют сигналы низкого уровня (десятки милливольт). Для того, чтобы исключить помехи от сильноточных цепей, сигнал от датчика подается в преобразователь измерительный (ПИ), который устанавливается ближе к датчику, чтобы дополнительно повысить точность измерения и уменьшить расход проводов компенсационных. Применение ПИ позволяет располагать источник питания и АЦП в пункте управления. Один провод соединяет ПИ с источником питания, а второй "возвращает” выходной токовый сигнал в пункт управления. Шунтирующий резистор, включенный в цепь токового сигнала, преобразует его в сигнал напряжения постоянного тока, который подается на вход индикатора или регулирующего устройства.
1. График функции
Для построения НСХ - номинальной статистической характеристики (зависимость термо-э.д.с. термопары ТХА(К) от температуры) используем данные ГОСТ 3044-84 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики» (табл. 1).
Таблица 1
№ точки температура рабочего конца, °С Термо-э.д.с. для температуры,мВ Термо-э.д.с. для температуры,мВ
(идеальная прямая) Погрешность нелинейности
0 0 0 0 0
1 50 2,022 2,015308 0,006692
2 100 4,095 4,030615 0,064385
3 150 6,137 6,045923 0,091077
4 200 8,137 8,061231 0,075769
5 250 10,151 10,07654 0,07446
6 300 12,207 12,09185 0,11515
7 350 14,292 14,10715 0,18485
8 400 16,395 16,12246 0,27254
9 450 18,513 18,13777 0,37523
10 500 20,640 20,15308 0,48692
11 550 22,772 22,16838 0,60362
12 600 24,902 24,18369 0,71831
13 650 27,022 26,199 0,823
14 700 29,128 28,21431 0,91369
15 750 31,214 30,22962 0,98438
16 800 33,277 32,24492 1,03208
17 850 35,314 34,26023 1,05377
18 900 37,325 36,27554 1,04946
19 950 39,310 38,29085 1,01915
20 1000 41,269 40,30615 0,96285
21 1050 43,202 42,32146 0,88054
22 1100 45,108 44,33677 0,77123
23 1150 46,985 46,35208 0,63292
24 1200 48,828 48,36738 0,46062
25 1250 50,633 50,38269 0,25031
26 1300 52,398 52,398 0
Рис 1. График зависимости термо-э.д.с. от температуры для датчика ТХА(К)
Построим график НСХ термопары ТХА(К) для диапазона температур от 0 до 1300°С с шагом 10°С, пользуясь программой Microsoft Excel.
Рис2. Отклонение НСХ от идеальной прямой
Идеальная линейная характеристика
Из курса математики задаемся уравнением прямой вида
:
- Енач и Екон присваиваем значение и соответственно;
- tнач и tкон присваиваем значение и соответственно.
2. Точность преобразования и линейность
Точность учитывает погрешности квантования, нелинейности входных цепей и формирователей, погрешности производственной настройки, шум и кратковременный дрейф параметров. Существуют две разновидности определения точности: абсолютная и относительная точность.
Абсолютная точность – это отношение действительного выходного напряжения преобразователя, соответствующего полной шкале, к его расчетному выходному значению.
Погрешность линейности или нелинейность можно определить как максимальное отклонение любой из этих дискретных точек от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования. Эти крайние точки устанавливаются потребителем в процессе калибровочной настройки.
Относительная погрешность в АЦП – это максимальное отклонение выходных цифровых кодов от прямой линии, проведенной через нуль и точку, соответствующую полной шкале.
Нелинейность преобразователя – это отклонение от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования для заданного диапазона работы.
В нашем случае прямая, соединяющая две крайние точки рабочего диапазона датчика 0 и 1300°С, является идеальной линейной характеристикой преобразования.
Из графиков (рис.1, рис.2) видно, что максимальное отклонение характеристики датчика от идеальной прямой появляется в значении шкалы 850°С и составляет 1,05377.
Такое же значение подтверждают математические вычисления в программе Microsoft Excel (из значений идеальной линейной характеристики вычитаются значения НСХ датчика ТХА(К)).
Относительная погрешность – это разность между номинальным и действительным отношениями аналоговой величины, соответствующей заданному цифровому входному сигналу, к полной шкале, независимо от калибровки последней.
Максимальная относительная погрешность нелинейности (в %) в диапазоне температур от 0 до 1300°С, определяется по формуле (1):
или (1)
где
– значение идеальной линейной характеристики преобразования для температуры 850 °С;
– значение термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА(К) для температуры 850 °С;
– диапазон значений термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА(К) для крайних точек характеристики преобразования .
Итак, максимальная относительная погрешность нелинейности (в %) составит:
Наш измерительный преобразователь должен обеспечивать класс точности 0,25. Также измерительный преобразователь должен обеспечивать запас по погрешности, который должен быть не менее 20%., т.е. 20% от 0,25 составляют 0,05 и тогда точность преобразования должна быть лучше 0,2 (0,25 - 0,05= 0,2).
В нашем случае максимальная погрешность нелинейности составляет 2,01109 %, что больше требуемой (0,2%), поэтому необходимо провести линеаризацию для обеспечения заданного класса точности измерения температуры датчика ТХА(К).
3. Разрядность АЦ - преобразователя
Разрешающая способность преобразователя есть наименьший уровень входного аналогового сигнала (для АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала. На практике полезная разрешающая способность преобразователя часто оказывается меньше указанной, поскольку она ограничивается из-за воздействия шума, температуры и факторов времени.
Для определения значения полезной разрешающей способности измерительного преобразователя с заданной точностью применим формулу:
где
– полезная разрешающая способность преобразователя;
– требуемое значение класса точности преобразователя (0,2).
Таким образом, полезная разрешающая способность (разрядность) аналого-цифрового преобразования должна быть лучше 500 единиц (квантов).
Согласно ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» максимальная погрешность преобразователя не должна превышать ±5 квантов (единиц младшего разряда), поэтому разрешающая способность аналого-цифрового преобразования будет равна:
где
– значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования;
– полезное значение разрешающей способности;
– максимальная погрешность преобразователя (±5 квантов).
Таким образом, разрешающая способность аналого-цифрового преобразования должна быть не хуже 12 разрядов (212 = 4096 > 2500).
При необходимости линеаризации, на нее надо дополнительно 2 разряда, тогда значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования будет:
Таким образом, разрешающая способность аналого-цифрового преобразования должна быть не менее 14 разрядов.
4. Линеаризация НСХ преобразователя по температуре
Для достижения требуемой точности преобразования используют линеаризацию НСХ термопреобразователя. На практике широкое распространение получил метод линеаризации с помощью кусочно-линейной аппроксимации. В этом методе исходную функцию представляют ломанной кривой, уменьшая тем самым число точек характеристики, значение которых необходимо держать в памяти вычислительного устройства, соответственно при этом уменьшаются требования к вычислительному устройству, что удешевляет стоимость всей системы и упрощает ее.
Мы также будем использовать метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого разделим исходную НСХ термопреобразователя на несколько участков, в каждом из которых НСХ представляется прямым отрезком, соединяющим крайние точки характеристики НСХ.
В первом приближении число необходимых участков линеаризации можно определить по формуле (5)
, (5)
где
– число участков линеаризации;
– максимальная погрешность линеаризации (%)
– требуемая точность преобразования (0,2)
Итак,
= 1,05377/0,2 = 5,26885 участка.
Таким образом, в первом приближении, для соответствия преобразователя классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 6 участка.
5. Выбор АЦ.
По существу аналого-цифровые преобразователи либо преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП.
В основном находят применение 2 основных типа АЦП: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.
При выборе принципа работы узла аналого-цифрового преобразования будем учитывать следующие факторы:
- точность преобразования;
- скорость преобразования;
- стабильность точностных характеристик преобразователя во времени;
- энергопотребление
- стоимость
- сложность
- гальваническое разделение входных и выходных цепей.
Рассмотрим все эти факторы:
1) требования к точности преобразования – 14 разрядный АЦП;
2) из задания известно, что время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 секунд – можем применить низкоскоростной АЦП;
3) стабильность точностных характеристик преобразователя во времени – с течением времени преобразователь должен обеспечивать высокое качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;
4) низкое энергопотребление
5) низкая стоимость
6) малая степень сложности
7) гальваническое разделение между входными и выходными цепями - различия будут лишь в технической реализации и стоимости выбранного решения.
Этим требованиям отвечают интегрирующие АЦП, которые имеют дополнительные преимущества по сравнению с АЦП последовательного приближения: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.
Недостатком таких АЦП является большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. В нашем случае требования по быстродействию АЦП позволяют применить данный вид АЦП.
6. время преобразования измерительного преобразователя
АЦП последовательных приближений
Двухтактный интегрирующий АЦП.
В двухтактном интегрирующем АЦП соотношение длительностей тактов определяется равенством:
В нашем случае Uвх примем равным 4,5108 В (усилитель должен усиливать входной сигнал с датчика в 100 раз), Uоп – 2,5 В как наиболее часто используемое опорное напряжение в современных схемах и самое простое в исполнении.
Тогда время разряда , и общее время преобразования АЦП:
Время интегрирования входного напряжения Uвх установим кратным периоду сетевой помехи и равным t1 = 640 мс.
Таким образом, максимальное время преобразования измерительного преобразователя будет равно:
Время реакции датчика на изменение температуры – не более 10 секунд, в нашем случае максимальное время преобразования равно 1,98 секунд.
7. Структурная схема и принцип работы АЦ-преобразователя
Рассмотрим принцип работы двухтактного интегрирующего АЦП.
Рисунок 3. Упрощенная схема двухтактного интегрирующего АЦП
В первом такте цикла преобразования производится интегрирование – накопление интеграла от некоторого входного сигнала, а затем во втором также выполняется операция «разинтегрирования» - считывание накопленного интеграла путем подачи на вход интегратора другого входного сигнала (опорного). Диаграмма изменения напряжения Uи на выходе неинвертирующего интегратора при реализации принципа двухтактного интегрирования показана на рис. 4. В первом такте длительностью Т1 напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью Т2 происходит обратное изменение Uи – от Uм до исходного уровня. Накопление интеграла (в течение Т1) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх.и = U1, а считывание (Т2) – при подаче напряжения Uвх.и = U2.
Рис. 4. Диаграмма изменения интеграла при реализации принципа двухтактного интегрирования
Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать
U1T1 U2T2
------ + ------- =0,
ф ф
где
ф – постоянная времени интегратора.
Отсюда видно, что напряжения U1 и U2 должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством
T2/T1 = - U1/U2.
Задача построения точного цифрового измерителя длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Выбирая время интегрирования равным одному или нескольким периодам сигнала помехи, помеху можно исключить. Двухтактный интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре.
Рисунок 5. Диаграммы работы двухтактного интегрирующего АЦП
Выбор длительности интегрирования входного сигнала Uвх обуславливается подавлением высокочастотных помех и исключением влияние сетевых помех на точность преобразования (интеграл от синусоидального напряжения в интервале, кратном периоду изменения синусоиды равен нулю).
8. Структурная схема измерительного преобразователя
Выходное напряжение термопары пропорционально разности температур между двумя спаями (чувствительным и опорным). На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами:
1) поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную 0°С, обычно для этой цели используют ванночку с тающим льдом или стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу;
2) построение компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна 0°С.
Основная идея компенсирующих схем заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т.е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С).
Кроме того, т.к. термопары имеют низкое выходное напряжение (50мкВ/°С или около этого), и применяются в областях, где существуют большие синфазные помехи промышленной частоты и радиочастотные наводки, то усилитель (или измерительная схема) должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (50Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление.
Кроме того, входное сопротивление усилителя должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление.
Исходя из этих положений, одним из вариантов структурной схемы измерительного преобразователя может стать преобразователь, приведенный на рис.6.
Рисунок 6. Структурная схема измерительного преобразователя
Рассмотрим назначение каждого узла структурной схемы измерительного преобразователя.
Измерительный преобразователь (рис.6) содержит фильтр низких частот (ФНЧ), устройство компенсации ЭДС опорного спая, измерительный усилитель сигнала датчика (термопары), интегратор, логический узел управления (устройство управления), генератор тактовых импульсов, компаратор, выходной счетчик и узел гальванического разделения между входными и выходными цепями (гальваническая изоляция).
ФНЧ (фильтр низких частот) необходим для устранения высокочастотных составляющих помех из полезного сигнала датчика термопары и пропуска на измерительный усилитель только медленно изменяющихся сигналов.
Схема компенсации ЭДС опорного спая содержит в своем составе полупроводниковый датчик, воспринимающий температуру опорного спая и схему, формирующую поправку к напряжению датчика, т.е. компенсирующую разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С).
Затем скомпенсированный сигнал подается на вход измерительного усилителя, который усиливает малые значения сигнала с термопары до величин, которые будут корректно обрабатываться интегрирующим АЦП.
Интегрирующий АЦП состоит из нескольких узлов: интегратора, компаратора, генератора тактовых импульсов, устройства управления и счетчика.
Интегратор, который интегрирует входной сигнал в течение определенного времени, затем, когда счетчик переполняется, аналоговый входной сигнал отсоединяется устройством управления от интегратора и интегрируется опорное напряжение. Т.к. опорное напряжение постоянно, то наклон в течение времени T2 всегда будет постоянным. Интервал времени T2, необходимый для возвращения выходного напряжения интегратора в нуль, является функцией входного напряжения Uвх. Цифровой счетчик, который установился в конце интервала T1 в исходное состояние, снова начинает считать в течение интервала T2. Когда выходное напряжение интегратора достигает нуля, счетчик останавливается и его состояние представляет цифровое слово, отображающее входной аналоговый сигнал.
Блок гальванической изоляции необходим для гальванического разделения между входными и выходными цепями измерительного преобразователя, что позволяет подключать к выходу преобразователя практически любые устройства, исключая выход их из строя (из-за возникновения уравнивающих токов при появлении разности потенциалов между сопрягаемыми устройствами вследствие различных факторов).
Заключение
В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя для датчика температуры - термопара.
Построен график зависимости термо-э.д.с. от температуры для датчика ТХА(К). Построена идеальная линейная характеристика преобразования по температуре. Определена максимальная в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделан вывод о необходимости линеаризации. Определена разрядность АЦ-преобразователя с учетом линеаризации.
Определено число участков линеаризации, обеспечивающих заданную точность преобразования, и предложен вариант линеаризации НСХ преобразователя по температуре. Выбран и обоснован принцип работы узла АЦ-преобразования. Определено время преобразования измерительного преобразователя. Разработана структурная схема измерительного преобразователя, с указанием основных функциональных узлов.
Таким образом, разработанная конструкция полностью соответствует требованиям задания.
Список используемой литературы
1. Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник – Додека, 2005г.
2. Г. И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, 2-е издание - Додэка-XXI, 2007
3. ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения»
4. ГОСТ 3044-84 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики»
5. Гутников В.С. Тенденции развития электронных измерительных преобразователей для датчиков // Приборы и системы управления, № 10, 2007
6. Слива Е.С. Коррекция характеристик первичных преобразователей по температуре // Вестник СГАУ.Самара, 2009
7. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер с франц. М.: Мир, 2008
8. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. — Москва: издательство Энергоатомиздат, 2006. — 320 с: ил.
9. Гнатек Ю. Р. Справочник по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям: Пер. с англ. / Под ред. Ю. А. Рюжина М.: Радио и связь, 2002.
10. Телец В. А. Классификация микроэлектронных АЦП // Измерительная техника. 2007, Кз 12.
11. АЦП со сроком службы 200 часов при 200°С // Электроника № 26, 2010
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: Технические средства автоматизации и управления
на тему: Измерительный преобразователь для датчика температуры - термопара
Оглавление
Задание на курсовую работу 3
Введение 5
1. График функции 8
2. Точность преобразования и линейность 11
3. Разрядность АЦ - преобразователя 13
4. Линеаризация НСХ преобразователя по температуре 14
5. Выбор АЦ. 15
6. время преобразования измерительного преобразователя 17
7. Структурная схема и принцип работы АЦ-преобразователя 18
8. Структурная схема измерительного преобразователя 21
Заключение 24
Список используемой литературы 25
Задание на курсовую работу
Исходные данные
1. Тип датчика: термопара ТХА (К)
2. Диапазон измеряемой температуры: 0..1300°С
3. Входной сигнал в зависимости от типа датчика:
4. термо-э.д.с. (ГОСТ 3044-84);
5. Выходные сигналы:
• цифровой - пропорциональный температуре двоичный код;
• аналоговый - пропорциональный температуре ток или напряжение.
6. Класс точности - 0,25
7. Время реакции датчика на изменение температуры - более 10 сек.
8. Гальваническое разделение между входными и выходными цепями.
Задание.
1. Построить график функции E = f (T), где E - термо-электродвижущая сила (термо-э.д.с.) термопары (мВ); T - температура (°С).
2. Построить прямую, соединяющую крайние точки заданного диапазона температуры, т.е. идеальную линейную характеристику преобразования по температуре.
3. Определить максимальную в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделать вывод о необходимости линеаризации, исходя из заданного класса точности с учетом запаса по погрешности не менее 20% от заданного (0.25)
4. Определить разрешающую способность (разрядность) АЦ-преобразования с учетом линеаризации (для линеаризации достаточно дополнительные 2 разряда), учитывая, что максимальная погрешность преобразователя (п. 1.5) в соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» не должна превышать ± 5 квантов (единиц младшего разряда).
5. Определить число участков линеаризации, обеспечивающих заданную точность преобразования, и предложить вариант линеаризации НСХ преобразователя по температуре любым способом (кусочно-линейная аппроксимация, прямое преобразование с помощью ПЗУ, другое).
6. Выбрать и обосновать принцип работы узла АЦ-преобразования.
7. Определить время преобразования измерительного преобразователя, исходя из принципа работы узла АЦ-преобразования, фильтрации помех и времени реакции датчика.
8. Разработать структурную (функциональную) схему измерительного преобразователя, указав основные функциональные узлы с учетом особенностей измерения температуры датчиком - термопарой (э.д.с. низкого уровня, компенсация температуры свободных концов) и термометром сопротивления (пассивный датчик, малый диапазон изменения сопротивления). Составить описание устройства и принципа действия измерительного преобразователя по структурной (функциональной) схеме: функциональное назначение и необходимость в составе прибора каждого узла схемы.
Введение
Повышение технико-экономических показателей систем управления техническими процессами (ТП) и производством в целом таких, как качество управления, надежность, снижение затрат на проектирование, безопасность эксплуатации, возможность адаптации систем управления к изменяющимся свойствам объектов улучшение условий работы оператора в большой степени зависит от используемых технических средств.
В настоящее время технические средства автоматизации и управления (ТСА и У) компонуются в агрегатные комплексы технических средств, которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и конкретных задач по автоматизации технологических процессов выполняется согласно международной стандартизации.
ТСА и У выполняют следующие функции:
1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса;
2. передачу информации по каналам связи;
3. преобразование, хранение и обработка информации;
4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем);
5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связь с оператором с помощью исполнительных механизмов
Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы:
1. средства на входе системы (датчики);
2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых);
3. внутрисистемные ТСА (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором;
4. средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций ТСА приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае.
В данной курсовой работе речь идет о термоэлектрическом преобразователе – термопара. Термопреобразователь (преобразователь, датчик температуры) – это средство измерения (прибор), преобразующий измеряемую температуру в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации средствами автоматизации ТП.
ТХА(К):
преобразователь термоэлектрический
Материал термоэлектродов:
• сплав хромель - положительного
• сплав алюмель – отрицательного
Диапазон рабочих температур, °С: -200…+1200.
Предельная температура при кратковременном применении, °С: 1300.
Чувствительные элементы датчиков температуры (термопар) формируют сигналы низкого уровня (десятки милливольт). Для того, чтобы исключить помехи от сильноточных цепей, сигнал от датчика подается в преобразователь измерительный (ПИ), который устанавливается ближе к датчику, чтобы дополнительно повысить точность измерения и уменьшить расход проводов компенсационных. Применение ПИ позволяет располагать источник питания и АЦП в пункте управления. Один провод соединяет ПИ с источником питания, а второй "возвращает” выходной токовый сигнал в пункт управления. Шунтирующий резистор, включенный в цепь токового сигнала, преобразует его в сигнал напряжения постоянного тока, который подается на вход индикатора или регулирующего устройства.
1. График функции
Для построения НСХ - номинальной статистической характеристики (зависимость термо-э.д.с. термопары ТХА(К) от температуры) используем данные ГОСТ 3044-84 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики» (табл. 1).
Таблица 1
№ точки температура рабочего конца, °С Термо-э.д.с. для температуры,мВ Термо-э.д.с. для температуры,мВ
(идеальная прямая) Погрешность нелинейности
0 0 0 0 0
1 50 2,022 2,015308 0,006692
2 100 4,095 4,030615 0,064385
3 150 6,137 6,045923 0,091077
4 200 8,137 8,061231 0,075769
5 250 10,151 10,07654 0,07446
6 300 12,207 12,09185 0,11515
7 350 14,292 14,10715 0,18485
8 400 16,395 16,12246 0,27254
9 450 18,513 18,13777 0,37523
10 500 20,640 20,15308 0,48692
11 550 22,772 22,16838 0,60362
12 600 24,902 24,18369 0,71831
13 650 27,022 26,199 0,823
14 700 29,128 28,21431 0,91369
15 750 31,214 30,22962 0,98438
16 800 33,277 32,24492 1,03208
17 850 35,314 34,26023 1,05377
18 900 37,325 36,27554 1,04946
19 950 39,310 38,29085 1,01915
20 1000 41,269 40,30615 0,96285
21 1050 43,202 42,32146 0,88054
22 1100 45,108 44,33677 0,77123
23 1150 46,985 46,35208 0,63292
24 1200 48,828 48,36738 0,46062
25 1250 50,633 50,38269 0,25031
26 1300 52,398 52,398 0
Рис 1. График зависимости термо-э.д.с. от температуры для датчика ТХА(К)
Построим график НСХ термопары ТХА(К) для диапазона температур от 0 до 1300°С с шагом 10°С, пользуясь программой Microsoft Excel.
Рис2. Отклонение НСХ от идеальной прямой
Идеальная линейная характеристика
Из курса математики задаемся уравнением прямой вида
:
- Енач и Екон присваиваем значение и соответственно;
- tнач и tкон присваиваем значение и соответственно.
2. Точность преобразования и линейность
Точность учитывает погрешности квантования, нелинейности входных цепей и формирователей, погрешности производственной настройки, шум и кратковременный дрейф параметров. Существуют две разновидности определения точности: абсолютная и относительная точность.
Абсолютная точность – это отношение действительного выходного напряжения преобразователя, соответствующего полной шкале, к его расчетному выходному значению.
Погрешность линейности или нелинейность можно определить как максимальное отклонение любой из этих дискретных точек от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования. Эти крайние точки устанавливаются потребителем в процессе калибровочной настройки.
Относительная погрешность в АЦП – это максимальное отклонение выходных цифровых кодов от прямой линии, проведенной через нуль и точку, соответствующую полной шкале.
Нелинейность преобразователя – это отклонение от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования для заданного диапазона работы.
В нашем случае прямая, соединяющая две крайние точки рабочего диапазона датчика 0 и 1300°С, является идеальной линейной характеристикой преобразования.
Из графиков (рис.1, рис.2) видно, что максимальное отклонение характеристики датчика от идеальной прямой появляется в значении шкалы 850°С и составляет 1,05377.
Такое же значение подтверждают математические вычисления в программе Microsoft Excel (из значений идеальной линейной характеристики вычитаются значения НСХ датчика ТХА(К)).
Относительная погрешность – это разность между номинальным и действительным отношениями аналоговой величины, соответствующей заданному цифровому входному сигналу, к полной шкале, независимо от калибровки последней.
Максимальная относительная погрешность нелинейности (в %) в диапазоне температур от 0 до 1300°С, определяется по формуле (1):
или (1)
где
– значение идеальной линейной характеристики преобразования для температуры 850 °С;
– значение термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА(К) для температуры 850 °С;
– диапазон значений термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА(К) для крайних точек характеристики преобразования .
Итак, максимальная относительная погрешность нелинейности (в %) составит:
Наш измерительный преобразователь должен обеспечивать класс точности 0,25. Также измерительный преобразователь должен обеспечивать запас по погрешности, который должен быть не менее 20%., т.е. 20% от 0,25 составляют 0,05 и тогда точность преобразования должна быть лучше 0,2 (0,25 - 0,05= 0,2).
В нашем случае максимальная погрешность нелинейности составляет 2,01109 %, что больше требуемой (0,2%), поэтому необходимо провести линеаризацию для обеспечения заданного класса точности измерения температуры датчика ТХА(К).
3. Разрядность АЦ - преобразователя
Разрешающая способность преобразователя есть наименьший уровень входного аналогового сигнала (для АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала. На практике полезная разрешающая способность преобразователя часто оказывается меньше указанной, поскольку она ограничивается из-за воздействия шума, температуры и факторов времени.
Для определения значения полезной разрешающей способности измерительного преобразователя с заданной точностью применим формулу:
где
– полезная разрешающая способность преобразователя;
– требуемое значение класса точности преобразователя (0,2).
Таким образом, полезная разрешающая способность (разрядность) аналого-цифрового преобразования должна быть лучше 500 единиц (квантов).
Согласно ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» максимальная погрешность преобразователя не должна превышать ±5 квантов (единиц младшего разряда), поэтому разрешающая способность аналого-цифрового преобразования будет равна:
где
– значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования;
– полезное значение разрешающей способности;
– максимальная погрешность преобразователя (±5 квантов).
Таким образом, разрешающая способность аналого-цифрового преобразования должна быть не хуже 12 разрядов (212 = 4096 > 2500).
При необходимости линеаризации, на нее надо дополнительно 2 разряда, тогда значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования будет:
Таким образом, разрешающая способность аналого-цифрового преобразования должна быть не менее 14 разрядов.
4. Линеаризация НСХ преобразователя по температуре
Для достижения требуемой точности преобразования используют линеаризацию НСХ термопреобразователя. На практике широкое распространение получил метод линеаризации с помощью кусочно-линейной аппроксимации. В этом методе исходную функцию представляют ломанной кривой, уменьшая тем самым число точек характеристики, значение которых необходимо держать в памяти вычислительного устройства, соответственно при этом уменьшаются требования к вычислительному устройству, что удешевляет стоимость всей системы и упрощает ее.
Мы также будем использовать метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого разделим исходную НСХ термопреобразователя на несколько участков, в каждом из которых НСХ представляется прямым отрезком, соединяющим крайние точки характеристики НСХ.
В первом приближении число необходимых участков линеаризации можно определить по формуле (5)
, (5)
где
– число участков линеаризации;
– максимальная погрешность линеаризации (%)
– требуемая точность преобразования (0,2)
Итак,
= 1,05377/0,2 = 5,26885 участка.
Таким образом, в первом приближении, для соответствия преобразователя классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 6 участка.
5. Выбор АЦ.
По существу аналого-цифровые преобразователи либо преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП.
В основном находят применение 2 основных типа АЦП: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.
При выборе принципа работы узла аналого-цифрового преобразования будем учитывать следующие факторы:
- точность преобразования;
- скорость преобразования;
- стабильность точностных характеристик преобразователя во времени;
- энергопотребление
- стоимость
- сложность
- гальваническое разделение входных и выходных цепей.
Рассмотрим все эти факторы:
1) требования к точности преобразования – 14 разрядный АЦП;
2) из задания известно, что время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 секунд – можем применить низкоскоростной АЦП;
3) стабильность точностных характеристик преобразователя во времени – с течением времени преобразователь должен обеспечивать высокое качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;
4) низкое энергопотребление
5) низкая стоимость
6) малая степень сложности
7) гальваническое разделение между входными и выходными цепями - различия будут лишь в технической реализации и стоимости выбранного решения.
Этим требованиям отвечают интегрирующие АЦП, которые имеют дополнительные преимущества по сравнению с АЦП последовательного приближения: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.
Недостатком таких АЦП является большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. В нашем случае требования по быстродействию АЦП позволяют применить данный вид АЦП.
6. время преобразования измерительного преобразователя
АЦП последовательных приближений
Двухтактный интегрирующий АЦП.
В двухтактном интегрирующем АЦП соотношение длительностей тактов определяется равенством:
В нашем случае Uвх примем равным 4,5108 В (усилитель должен усиливать входной сигнал с датчика в 100 раз), Uоп – 2,5 В как наиболее часто используемое опорное напряжение в современных схемах и самое простое в исполнении.
Тогда время разряда , и общее время преобразования АЦП:
Время интегрирования входного напряжения Uвх установим кратным периоду сетевой помехи и равным t1 = 640 мс.
Таким образом, максимальное время преобразования измерительного преобразователя будет равно:
Время реакции датчика на изменение температуры – не более 10 секунд, в нашем случае максимальное время преобразования равно 1,98 секунд.
7. Структурная схема и принцип работы АЦ-преобразователя
Рассмотрим принцип работы двухтактного интегрирующего АЦП.
Рисунок 3. Упрощенная схема двухтактного интегрирующего АЦП
В первом такте цикла преобразования производится интегрирование – накопление интеграла от некоторого входного сигнала, а затем во втором также выполняется операция «разинтегрирования» - считывание накопленного интеграла путем подачи на вход интегратора другого входного сигнала (опорного). Диаграмма изменения напряжения Uи на выходе неинвертирующего интегратора при реализации принципа двухтактного интегрирования показана на рис. 4. В первом такте длительностью Т1 напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью Т2 происходит обратное изменение Uи – от Uм до исходного уровня. Накопление интеграла (в течение Т1) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх.и = U1, а считывание (Т2) – при подаче напряжения Uвх.и = U2.
Рис. 4. Диаграмма изменения интеграла при реализации принципа двухтактного интегрирования
Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать
U1T1 U2T2
------ + ------- =0,
ф ф
где
ф – постоянная времени интегратора.
Отсюда видно, что напряжения U1 и U2 должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством
T2/T1 = - U1/U2.
Задача построения точного цифрового измерителя длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Выбирая время интегрирования равным одному или нескольким периодам сигнала помехи, помеху можно исключить. Двухтактный интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре.
Рисунок 5. Диаграммы работы двухтактного интегрирующего АЦП
Выбор длительности интегрирования входного сигнала Uвх обуславливается подавлением высокочастотных помех и исключением влияние сетевых помех на точность преобразования (интеграл от синусоидального напряжения в интервале, кратном периоду изменения синусоиды равен нулю).
8. Структурная схема измерительного преобразователя
Выходное напряжение термопары пропорционально разности температур между двумя спаями (чувствительным и опорным). На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами:
1) поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную 0°С, обычно для этой цели используют ванночку с тающим льдом или стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу;
2) построение компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна 0°С.
Основная идея компенсирующих схем заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т.е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С).
Кроме того, т.к. термопары имеют низкое выходное напряжение (50мкВ/°С или около этого), и применяются в областях, где существуют большие синфазные помехи промышленной частоты и радиочастотные наводки, то усилитель (или измерительная схема) должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (50Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление.
Кроме того, входное сопротивление усилителя должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление.
Исходя из этих положений, одним из вариантов структурной схемы измерительного преобразователя может стать преобразователь, приведенный на рис.6.
Рисунок 6. Структурная схема измерительного преобразователя
Рассмотрим назначение каждого узла структурной схемы измерительного преобразователя.
Измерительный преобразователь (рис.6) содержит фильтр низких частот (ФНЧ), устройство компенсации ЭДС опорного спая, измерительный усилитель сигнала датчика (термопары), интегратор, логический узел управления (устройство управления), генератор тактовых импульсов, компаратор, выходной счетчик и узел гальванического разделения между входными и выходными цепями (гальваническая изоляция).
ФНЧ (фильтр низких частот) необходим для устранения высокочастотных составляющих помех из полезного сигнала датчика термопары и пропуска на измерительный усилитель только медленно изменяющихся сигналов.
Схема компенсации ЭДС опорного спая содержит в своем составе полупроводниковый датчик, воспринимающий температуру опорного спая и схему, формирующую поправку к напряжению датчика, т.е. компенсирующую разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С).
Затем скомпенсированный сигнал подается на вход измерительного усилителя, который усиливает малые значения сигнала с термопары до величин, которые будут корректно обрабатываться интегрирующим АЦП.
Интегрирующий АЦП состоит из нескольких узлов: интегратора, компаратора, генератора тактовых импульсов, устройства управления и счетчика.
Интегратор, который интегрирует входной сигнал в течение определенного времени, затем, когда счетчик переполняется, аналоговый входной сигнал отсоединяется устройством управления от интегратора и интегрируется опорное напряжение. Т.к. опорное напряжение постоянно, то наклон в течение времени T2 всегда будет постоянным. Интервал времени T2, необходимый для возвращения выходного напряжения интегратора в нуль, является функцией входного напряжения Uвх. Цифровой счетчик, который установился в конце интервала T1 в исходное состояние, снова начинает считать в течение интервала T2. Когда выходное напряжение интегратора достигает нуля, счетчик останавливается и его состояние представляет цифровое слово, отображающее входной аналоговый сигнал.
Блок гальванической изоляции необходим для гальванического разделения между входными и выходными цепями измерительного преобразователя, что позволяет подключать к выходу преобразователя практически любые устройства, исключая выход их из строя (из-за возникновения уравнивающих токов при появлении разности потенциалов между сопрягаемыми устройствами вследствие различных факторов).
Заключение
В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя для датчика температуры - термопара.
Построен график зависимости термо-э.д.с. от температуры для датчика ТХА(К). Построена идеальная линейная характеристика преобразования по температуре. Определена максимальная в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделан вывод о необходимости линеаризации. Определена разрядность АЦ-преобразователя с учетом линеаризации.
Определено число участков линеаризации, обеспечивающих заданную точность преобразования, и предложен вариант линеаризации НСХ преобразователя по температуре. Выбран и обоснован принцип работы узла АЦ-преобразования. Определено время преобразования измерительного преобразователя. Разработана структурная схема измерительного преобразователя, с указанием основных функциональных узлов.
Таким образом, разработанная конструкция полностью соответствует требованиям задания.
Список используемой литературы
1. Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник – Додека, 2005г.
2. Г. И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, 2-е издание - Додэка-XXI, 2007
3. ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения»
4. ГОСТ 3044-84 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики»
5. Гутников В.С. Тенденции развития электронных измерительных преобразователей для датчиков // Приборы и системы управления, № 10, 2007
6. Слива Е.С. Коррекция характеристик первичных преобразователей по температуре // Вестник СГАУ.Самара, 2009
7. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер с франц. М.: Мир, 2008
8. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. — Москва: издательство Энергоатомиздат, 2006. — 320 с: ил.
9. Гнатек Ю. Р. Справочник по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям: Пер. с англ. / Под ред. Ю. А. Рюжина М.: Радио и связь, 2002.
10. Телец В. А. Классификация микроэлектронных АЦП // Измерительная техника. 2007, Кз 12.
11. АЦП со сроком службы 200 часов при 200°С // Электроника № 26, 2010