Принцип работы электрических термометров и создание измерительного преобразователя для датчика термопары

Содержание

Задание на курсовую работу

Введение

1. Построение графика функции E = f(t)

1.2 Идеальная линейная характеристика

2. Точность преобразования и линейность

3. Разрешающая способность АЦП

4. Линеаризация НСХ преобразователя

5. Выбор и обоснование принципа работы узла АЦП

6. Определение времени преобразования измерительного

преобразователя

7. Структурная схема измерительного преобразователя

Заключение

Список литературы

Задание на курсовую работу

1. Исходные данные:

1) тип датчика – термопара: ТХА(К);

2) диапазон температуры – от 600 до 1100 °С;

3) входной сигнал – термо-э.д.с. (ГОСТ 6616-94 (ГОСТ Р50342-92), ГОСТ Р8.585 – 2001 (ГОСТ 3044-84));

4) выходной сигнал – двоичный код, пропорциональный температуре;

5) класс точности – 0,25;

6) время реакции датчика на изменение температуры – более 10 сек.;

7) гальваническое разделение между входными и выходными цепями.

2. 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) аналого-цифрового преобразования с учетом линеаризации, учитывая, что максимальная погрешность преобразователя 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 аналого-цифрового преобразования;

7) 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). Составить описание устройства и принципа действия измерительного преобразователя по структурной (функциональной) схеме: функциональное назначение и необходимость в составе прибора каждого узла схемы.

Введение

В настоящее время широко используется преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, что связано с тем, что данные, представленные в цифровом виде легко обрабатывать с помощью существующих вычислительных устройств и реализовывать дешевые системы обработки и передачи данных. Преобразовывая в цифровую форму с помощью АЦП такие аналоговые величины, как температура, давление, скорость, звук, можно реализовать различные устройства обработки данных, отличающиеся высоким качеством работы при малой стоимости и простоте.

В связи с тем, что сейчас существует широкий выбор различных интегральных схем, сочетающих в одном кристалле все необходимые функциональные узлы для построения высококачественных и эффективных систем обработки различных физических параметров, то это позволяет ввести цифровую обработку сигналов любому разработчику, который в ней нуждается.

Не маловажным является различные датчики, которые нужны для измерения различных данных где порой человеку быть не суждено. Одними из них являются датчики измерения температуры или просто термодатчики. Различают следующие виды датчиков:

1. Жидкостные термометры. Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма материала, из которого сделан датчик (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

2. Механические термометры. Термометры этого типа также по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль.

3. Электрические термометры. Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.

Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной элетроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры). Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100(сопротивление при 0°С - 100Ω) PT1000(сопротивление при 0°С - 1000Ω) (IEC751). Температурный диапазон -200 +800°С.

4. Оптические термометры. Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров при изменении температуры.

Все термодатчики имеют нелинейную зависимость выходного сигнала от температуры (кроме тех, что были созданы с помощью интегральных микросхем).

В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя для датчика термопары. Рассмотрим термопару ТХА(K).

1. Построение графика функции E = F(t)

 

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, єС	Т. э. д. с., мВ для температуры, єС	Т. э. д. с., мВ для температуры, єС идеальной прямой	погрешность нелинейности
0	600	24,902	24,902	0
1	610	25,327	25,30612	0,02088
2	620	25,751	25,71024	0,04076
3	630	26,176	26,11436	0,06164
4	640	26,599	26,51848	0,08052
5	650	27,022	26,9226	0,0994
6	660	27,445	27,32672	0,11828
7	670	27,867	27,73084	0,13616
8	680	28,288	28,13496	0,15304
9	690	28,709	28,53908	0,16992
10	700	29,128	28,9432	0,1848
11	710	29,547	29,34732	0,19968
12	720	29,965	29,75144	0,21356
13	730	30,383	30,15556	0,22744
14	740	30,799	30,55968	0,23932
15	750	31,214	30,9638	0,2502
16	760	31,629	31,36792	0,26108
17	770	32,042	31,77204	0,26996
18	780	32,455	32,17616	0,27884
19	790	32,866	32,58028	0,28572
20	800	33,277	32,9844	0,2926
21	810	33,686	33,38852	0,29748
22	820	34,095	33,79264	0,30236
23	830	34,502	34,19676	0,30524
24	840	34,909	34,60088	0,30812
25	850	35,314	35,005	0,309
26	860	35,718	35,40912	0,30888
27	870	36,121	35,81324	0,30776
28	880	36,524	36,21736	0,30664
29	890	36,925	36,62148	0,30352
30	900	37,325	37,0256	0,2994
31	910	37,724	37,42972	0,29428
32	920	38,122	37,83384	0,28816
33	930	38,519	38,23796	0,28104
34	940	38,915	38,64208	0,27292
35	950	39,310	39,0462	0,2638
36	960	39,703	39,45032	0,25268
37	970	40,096	39,85444	0,24156
38	980	40,488	40,25856	0,22944
39	990	40,879	40,66268	0,21632
40	1000	41,269	41,0668	0,2022
41	1010	41,657	41,47092	0,18608
42	1020	42,045	41,87504	0,16996
43	1030	42,432	42,27916	0,15284
44	1040	42,817	42,68328	0,13372
45	1050	43,202	43,0874	0,1146
46	1060	43,585	43,49152	0,09348
47	1070	43,968	43,89564	0,07236
48	1080	44,349	44,29976	0,04924
49	1090	44,729	44,70388	0,02512
50	1100	45,108	45,108	0

Построим график НСХ термопары ТХА(К) для диапазона температур от +600 до +1100 єС с шагом 10єС, пользуясь программой Microsoft Excel.

Рис.1. График зависимости термо-э.д.с. от температуры для датчика ТХА(К)

1.2 Идеальная линейная характеристика

 

Из курса математики задаемся уравнением прямой вида

:

- Е_нач и Е_кон присваиваем значение  и  соответственно;

- t_нач и t_кон присваиваем значение  и  соответственно.

Рис.2. Отклонение НСХ от идеальной прямой

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.

В АЦП абсолютная точность определяется тремя видами погрешностей: внутренне присущей преобразователям дискретной погрешностью (±Ѕ единицы младшего разряда) или погрешностью квантования, аналоговой погрешностью, обусловленной низким качеством элементов схемы (она обычно определяется в виде отношения полной погрешности в процентах ко всему суммарному входному сигналу), и апертурной погрешностью.

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 600 и 1100 єС, 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 0,309.

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 600 до 1100 єС, определяется по формуле (1):

 или  (1)

где

– значение идеальной линейной характеристики преобразования для температуры 850 єС;

– значение термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА(К) для температуры 850 єС;

 – 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 1,53 %, что больше требуемой (0,2%), поэтому необходимо провести линеаризацию для обеспечения заданного класса точности измерения температуры датчика ТХА(К).

3. Разрешающая способность аналого-цифрового преобразования

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

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,

 = 1,53/0,2 = 7,65