Обзор температурных датчиков. Обоснование выбора

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

1.1 Описание структурной схемы

1.2 Обзор температурных датчиков. Обоснование выбора

1.3 Обзор АЦП

1.4 Описание микропроцессорной части

1.5 Описание платы индикации и клавиатуры

1.6 Обзор и сравнение характеристик силовых при

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1 Выбор и расчет схемы компенсации температуры свободных концов термопары

2.2 Выбор и расчет усилителя

2.3 Выбор коммутатора, его характеристики

2.4 Выбор АЦП

2.5 Выбор гальванической развязки силовой части и схемы управления

2.6 Выбор схемы управления нагревателем

2.7 Выбор силового тиристора

2.8 Электрический расчет электронагревателей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

Рабочим заданием данной работы было устройство, которое поддерживает температуру технологического процесса (объекта) по заданной программе, которая вводится с клавиатуры, в течении определенного времени по восьми каналам, после чего отключает регуляторы (резистивного типа), при этом отображать информацию на дисплее.

Без системы регулирования температуры многие промышленные процессы непроизводительны, а иногда просто невозможны. Регуляторы используются везде: хим. цеха энергетических и нефтегазовых объектов, легкая промышленность и т. п.

В настоящее время на российском рынке не так много фирм разрабатывают подобные устройства. Поэтому приобретение подобных аппаратов у малоконкурирующих фирм обойдется довольно большим денежным эквивалентом. В разработанной мною микропроцессорной восьмиканальной системе регулировки температуры рабочие характеристики не уступают характеристикам подобных устройств производственного объединения «Овен» и даже имеют некоторые дополнительные сервисные возможности, такие как звуковая и световая сигнализация, защита от короткого замыкания в канале каждого регулятора и др.

Разработанное мною устройство поддерживает диапазон регулирования температуры от 90 до 170 ºС с высокой степенью точности в ±2 ºС.

Для достижения заданной цели в своей бакалаврской работе я составил структурную схему работы аппарата. Подробно обдумывая каждый структурный узел схемы, я выбирал наиболее рациональные и энергетически выгодные методы решения поставленной задачи. Во многих структурных узлах я использовал новейшую элементную базу. По ходу проектирования были проведены обзоры наиболее важных узлов, влияющих на количественную составляющую измерительного и регулирующего каналов, таких как аналого-цифровой преобразователь, термодатчиков, силовых полупроводниковых приборов и др. А также произведены расчеты канала измерения (датчиков температуры, усилителя, сумматора, АЦП, погрешности квантования АЦП) и канала регулировки (силового ключа, параметров нагревателя). Составлены принципиальные схемы микропроцессорной части с датчиками температуры, силовой части со схемой управления полупроводниковыми силовыми ключами, а также части контроллера клавиатуры и дисплея

 

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Описание структурной схемы

Структурная схема электрического аппарата приведена на плакате Э1.

В этой схеме можно выделить три части:

1) измерительную (термопары, датчик температуры, усилители, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь);

2) аппаратуру программного управления и обработки данных (микропроцессор, клавиатура, дисплей, контроллер клавиатуры и дисплея, оперативно-запоминающее устройство, постоянно-запоминающее устройство, регистры и формирователи);

3) силовую (схема управления, электронагреватели).

Толстыми стрелками на схеме показано направление взаимодействия цифровых сигналов, а тонкими – аналоговых.

Режим работы аппарата устанавливается клавиатурой, с помощью которой выбирают канал измерения, программу регулировки температуры. Сигналы с клавиатуры преобразуются с помощью контроллера клавиатуры и дисплея в коды и поступают на шину данных. Микропроцессор в соответствии подпрограммой установки режима анализирует данные с клавиатуры, сравнивая их с константами из ПЗУ, при этом микропроцессор вырабатывает управляющие коды на коммутатор для подключения канала измерения и подает коды на схему управления электронагревателями. Вводимая информация с клавиатуры и информация выводимая микропроцессором отображается на дисплее.

Температуру объекта измеряют восемь термопар, вырабатывая термоЭДС. Эту, небольшой величины ЭДС, усиливает усилитель. В то же время другой датчик температуры, находящийся вблизи подсоединения свободных концов термопары к аппарату, выдает компенсирующее напряжение. Сумматор производит вычитание величин ЭДС с выхода усилителя термопары и напряжения термодатчика свободных концов. Компенсированное сумматором напряжение поступает на вход АЦП, последний в свое время преобразует его в цифровой код. Режим измерения начинается с подачи команды «ПУСК» с клавиатуры. Сформированные в АЦП коды поступают в микропроцессор, где производится их обработка по заданной программе. В случае отклонения температурного режима от заданного микропроцессор подает сигнал на схему управления, которая в свою очередь повышает или понижает температуру канала при помощи полупроводниковых силовых ключей.

 

Обзор температурных датчиков. Обоснование выбора

Температура объекта или технологического процесса может измеряться несколькими наиболее популярными датчиками температуры:

1) Терморезистор. При повышении температуры терморезистора его электрическое сопротивление увеличивается линейно. При использовании терморезисторов в качестве датчиков температура терморезистора практически определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Наибольшее распространение получили терморезисторы типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные). Диапазон измерения температур ТСП (-200…+750ºС), а ТСМ (-50…+150ºС).

В процессе измерения температуры с помощью терморезисторов могут возникать следующие погрешности:

· от колебания напряжения питания;

· от изменения сопротивления соединительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды;

· от собственного нагрева датчика, под действием протекающего через него тока;

· динамическая погрешность (при быстром изменении температуры).

2) Полупроводниковые терморезисторы. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления термисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов α=(4…6)∙10^-3 1/ºС, то для полупроводниковых терморезисторов α>4∙10^-2 1/ºС. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах. Электрическое сопротивление термистора при окружающей температуре +20ºС для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 может составлять 1 - 200 кОм, а для типов КМТ-1, КМТ-4 от 20 до 1000 кОм. Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ - 120ºС, а для типов КМТ - 180ºС. Ток, проходящий через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разогрева термистора.

3) Термопары. Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений – появлении термоЭДС. В зависимости от материала электродов термопары разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов. Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП (платинородий – платина). Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинством ее является химическая стойкость к окислительной среде, взаимозаменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Недостаток – малое значение термоЭДС. Термопара типа ТПП может длительно работать при температуре 1300ºС.

Существенно большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов. Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА (хромель – алюмель) и типа ТХК (хромель – копель). ТХА применяют для измерения температур в пределах от -50 до +1000ºС. Они способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для ТХА очень близка к линейной. Термопары типа ТХК имеют самую высокую чувствительность – 6,95 мВ на 100ºС. Однако диапазон измеряемых температур от -50 до +600ºС несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Зависимость термоЭДС от температуры для ТХК менее линейна. Их достоинством является более высокая влагостойкость.

Для непосредственного измерения температуры объекта (технологического процесса) выбираем термопару типа ТХА, т.к. ее зависимость термоЭДС от температуры более линейна в сравнении с другими типами термопар, что дает дополнительную точность измерения, а также термопара типа ТХА прекрасно работает в окислительных средах.

Зависимость термоЭДС от температуры для термопары типа ТХА:

 

,

 

где  - температура рабочего спая термопары, ºС;  - температура свободных концов термопары, ºС; - термоЭДС термопары, В;  - коэффициент термопары типа ТХА, В/ ºС.

Идеальным было бы, если температура свободных концов  была равна 0ºС или всегда была постоянна. Но так как в реальности температура свободных концов никогда не бывает постоянной и всегда имеет различную температуру, в зависимости от места положения аппарата, то проектируемый аппарат нуждается в дополнительном датчике температуры для компенсации температуры свободных концов термопары. Решим эту задачу использованием термопреобразователя сопротивления типа ТСМ. Зависимость сопротивления термопреобразователя от температуры определяется по формуле:

 

,

 

где  - сопротивления терморезистора при температуре Т, ºС;  - сопротивление терморезистора при 0 ºС;  - температурный коэффициент меди, 1/ºС;  - температура свободных концов термопары, ºС.

Медные термометры сопротивления имеют наиболее распространенные градуировки 50М и 100М. Числа 50 и 100 обозначают сопротивления чувствительного элемента при 0 ºС (50 Ом и 100 Ом), а буква М обозначает материал обмотки терморезистора – медь. Выберем градуировку 100М. Для нее зависимость сопротивления терморезистора от температуры свободных концов термопары:

 

.

 

Обзор АЦП

АЦП являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение – код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

Классификация АЦП по методам преобразования показана на рис.1.

 

Рис.1. Классификация АЦП по методам преобразования

 

1. Параллельные АЦП осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного напряжения. По параллельному методу входное напряжение одновременно сравнивают с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Недостатком этой схемы является высокая сложность, а, следовательно, высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность.

2. Последовательно – параллельный АЦП является компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно – параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Такие АЦП являются преобразователями мгновенных значений напряжения, и входной сигнал за время преобразования существенно не изменяется.

А) В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве и во времени. Такой АЦП работает в три такта. В первом такте осуществляется грубое квантование входного сигнала, и результат этого квантования поступает на выход в качестве старших разрядов. Во втором такте эти разряды с помощью ЦАП преобразуются в напряжение, которое сравнивается с входным, и разность от этого сравнения поступает на вход второго АЦП. В третьем такте осуществляется преобразование этой разности в четыре младших разряда выходного кода. Очевидно, что быстродействие такого АЦП в три раза меньше, чем аналогичного параллельного, однако для его построения требуется и меньшее (в несколько раз) число компараторов. Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению. Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании данного способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки и хранения (УВХ) до тех пор, пока не будет получено все число.

Б) В многотактных последовательно – параллельных АЦП процесс преобразования разделен во времени. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить УВХ. Преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения. Реагирует на мгновенное значение напряжения.

В) Конвейерные АЦП. Применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала можно повысить быстродействие многоступенчатого АЦП. В обыкновенном двухступенчатом АЦП вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП₁, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП₂ простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП₂ простаивает АЦП₁. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП. Роль аналогового элемента задержки выполняет УВХ, а цифрового – четыре D-триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактового сигнала CLK. Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту дискретизации многоступенчатого АЦП. Конвейерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатых АЦП. При выборе конвейерного АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускают работу с низкой частотой дискретизации. Это вызвано тем, что внутренние УВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования и, как следствие, к ошибкам преобразования. Конвейерные АЦП потребляют довольно маленькую мощность.

3) Последовательные АЦП.

А) АЦП последовательного счета. Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичным приближением и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП. Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи V_FB. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из «1» в «0» означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению, в момент окончания преобразования считывается с выхода счетчика. Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_CLK равно

 

t_MAX=(2^N–1)/f_CLK.

 

АЦП данного типа без УВХ пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования. Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. В настоящее время такие АЦП не изготавливаются в виде интегральных микросхем.

Б) АЦП последовательного приближения (АЦП с поразрядным уравновешиванием) являются наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т. е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8, и т. д. от ее возможного максимального значения. Это позволяет для N – разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N–1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. В тоже время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте дискретизации до 200 кГц. Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления t_C ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 МЗР, времени переключения компаратора t_K и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_З. Сумма t_K+t_З является величиной постоянной, а t_C уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f_CLK возможно уменьшение времени преобразования на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер. При работе без УВХ апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути, зависит от входного сигнала, т. е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования данного АЦП между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИС АЦП последовательного приближения имеют встроенные УВХ или, чаще, устройства слежения и хранения (track-and-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения и хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала. Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости разрешающей способности между последовательно – параллельными и интегрирующими АЦП и находят широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов. Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы.

В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временном интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.

В) АЦП многотактного интегрирования. Принцип действия состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения интегратором на основе операционного усилителя (напряжение U_И на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего – интегрирование опорного напряжения U_ОП. Одним из основных преимуществ АЦП данного типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Кроме того, для получения высокой точности преобразования не требуется высокой точности применяемых элементов, стабильности тактовой частоты генератора импульсов. Недостаток – малое быстродействие. Интегрирующий АЦП реагирует на среднее значение входного напряжения. Можно выделить две главные группы АЦП многотактного интегрирования: схемы с параллельным или последовательным выходом для сопряжения с микропроцессором; схемы с двоично-десятичными счетчиками с дешифраторами для управления семисегментными индикаторами, в том числе мультиплексированными.

Г) Сигма-дельта АЦП. В этом названии отражается два процесса: интегрирование за малое время и сложение результатов интегрирования. В этом АЦП осуществляется дискретизация аналогового сигнала с частотой во много раз большей, чем минимальная частота дискретизации. Минимальная частота дискретизации должна быть по меньшей мере в два раза выше максимальной частоты в спектре преобразуемого сигнала. Такая супердискретизация (дискретизация с повышенной частотой) позволяет интерполировать входное аналоговое напряжение между теми точками данных, где были взяты отсчеты с минимальной частотой дискретизации. На выходе АЦП при этом формируется импульсный сигнал, содержащий варьируемое количество «1» и «0» в зависимости от величины входного сигнала. Причем длительность как «единичного», так и «нулевого» уровней строго кратна периоду тактовой частоты супердискретизации Т_С. Сравнение сигма-дельта АЦП с АЦП многотактного интегрирования показывает значительные преимущества первых. Прежде всего, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у, аналогичной по стоимости, АЦП многотактного интегрирования. Это объясняется тем, что интегратор сигма-дельта АЦП работает в значительно более узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором построен интегратор, сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИС. Как следствие, сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, включающую микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего процессора.