Измерительный преобразователь для датчика температуры

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный открытый университет

Чебоксарский политехнический институт

Кафедра управления и информатики в технических системах

Специальность 220 201

Курсовая работа

по дисциплине

Технические средства автоматизации

Измерительный преобразователь для датчика температуры

Выполнила студентка 3 курса

Цветкова Н.В.

Руководитель: Федоров И. В.

Чебоксары 2010 год

Оглавление:

  • Задание на курсовую работу
  • Введение
  • 1. Построение графика функции E = f (t) и прямой — идеальной линейной характеристики преобразования по температуре
  • 2. Определение максимальной в заданном диапазоне температуры погрешности нелинейности характеристики
  • 3. Разрешающая способность аналого-цифрового преобразования
  • 4. Линеаризация НСХ преобразователя
  • 5. Выбор и обоснование принципа работы узла аналого-цифрового преобразования
  • 6. Определение времени преобразования измерительного преобразователя
  • 7. Структурная схема измерительного преобразователя
  • 8. Гальваническое разделение входных и выходных цепей
  • 9. Фильтрация
  • Заключение
  • Список использованной литературы
  • Задание на курсовую работу:
  • 1. Исходные данные
  • 1.1 Тип стандартизированного датчика температуры — термопара: ТХА (К);
  • 1.2 Диапазон измеряемой температуры для датчика — 0…1300 оС;
  • 1.3 Входной сигнал — термо-э.д.с. (ГОСТ 6616−94, ГОСТ Р50 342−92, ГОСТ Р8. 585 — 2001, ГОСТ 3044–84);
  • 1.4 Выходной сигнал — двоичный код, пропорциональный температуре;
  • 1.5 Класс точности — 0,25;
  • 1.6 Время реакции датчика на изменение температуры — более 10 сек. ;
  • 1.7 Гальваническое разделение между входными и выходными цепями.
  • 2. Задание
  • 2.1 Построить график функции для термопар E = f (t), где
  • E — термо-электродвижущая сила (термо-э.д.с.) термопары (мВ); t — температура (оС);
  • 2.2 Построить прямую, соединяющую крайние точки заданного диапазона температуры, т. е. идеальную линейную характеристику преобразования по температуре;
  • 2.3 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 по п. 1.5. (0,25);
  • 2.4 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). Если необходима линеаризация, то для нее достаточно, дополнительно, 2 разряда;
  • 2.5 При необходимости линеаризации для обеспечения заданного класса точности измерения температуры предложить и обосновать способ линеаризации характеристики преобразователя по температуре (кусочно-линейная аппроксимация, прямое преобразование с помощью ПЗУ, другое). Узел линеаризации в структурной схеме (п. 2.8.) показать отдельно;
  • 2.6 Выбрать и обосновать принцип работы узла аналого-цифрового преобразования;
  • 2.7 Выбрать (рассчитать) и обосновать время преобразования измерительного преобразователя, исходя из принципа работы узла аналого-цифрового преобразования, фильтрации помех и времени реакции датчика;
  • 2.8 Разработать структурную (функциональную) схему измерительного преобразователя, указав основные функциональные узлы с учетом особенностей работы датчика-термопары (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
  • Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и др. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.
  • Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обуславливает необходимость применения большого количества методов и технических средств ее измерения.
  • Одним из методов измерения температуры является термоэлектрический метод, основанный на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) термоэлектрического термометра (термопары) от температуры.
  • Термопары широко применяются для измерения температур до 2500 °C в различных областях техники и в научных исследованиях. Они могут использоваться для измерения температуры от -200°С, но в области низких температур термопары получили меньшее распространение.
  • Преобразование между аналоговыми и цифровыми величинами — основная операция в вычислительных и управляющих системах, поскольку физические параметры, такие как температура, являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации — цифровыми. Путем преобразования в цифровую систему с помощью АЦП, расположенного у источника информации, такой реально существующей переменной, как температура, и восстановление того же самого сигнала с помощью ЦАП, расположенного в оконечном устройстве, реализуется высокоскоростная, малошумящая, устойчивая и дешевая система передачи данных на большое расстояние.
  • Было разработано множество АЦП, чтобы удовлетворить широкому спектру требований. Для некоторых применений преобладающими параметрами являются высокая точность и стабильность преобразования, в других случаях весьма большое значение имеет скорость преобразования. Экономические соображения также влияют на выбор схемы преобразования. Тем не менее простота конструкции обычно достигается ценой уменьшения скорости преобразования.

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.

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

1. Построение графика функции E = f(t) и прямой — идеальной линейной характеристики преобразования по температуре

1.1 Значения термо-э.д.с в мВ при температуре свободного конца 0 °C для термопары типа ТХА (К) (никель-хром/никель-алюминий) с интервалом в 25 °C возьмем из ГОСТ Р 8. 585−2001 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования» таблица 7.

1.2 Найдем уравнение идеальной линейной характеристики по формуле:

,

где примем за у1 и у2 соответственно Енач и Екон, а за х1 и х2 соответственно tнач и tкон.

;;;

Вычислим значения идеальной линейной характеристики, приняв за х температуру рабочего конца термопары.

1.3 Занесем значения зависимости термо-э.д.с. термопары ТХА (К) от температуры и значения идеальной линейной характеристики преобразования по температуре в таблицу 1. и подсчитаем значения погрешности нелинейной характеристики.

Таблица 1

№ точки

температура рабочего конца термопары, єС

Т. э. д. с., мВ,

Т. э. д. с., мВ,

идеальной прямой

Погрешность нелинейной характеристики.

1

0

0,000

0,000

0,000

2

25

1,000

1,008

-0,008

3

50

2,023

2,015

0,008

4

75

3,059

3,023

0,037

5

100

4,096

4,030

0,066

6

125

5,124

5,038

0,086

7

150

6,138

6,045

0,093

8

175

7,140

7,053

0,087

9

200

8,138

8,060

0,078

10

225

9,141

9,068

0,073

11

250

10,153

10,075

0,078

12

275

11,176

11,083

0,093

13

300

12,209

12,090

0,119

14

325

13,248

13,098

0,150

15

350

14,293

14,105

0,188

16

375

15,343

15,113

0,230

17

400

16,397

16,120

0,277

18

425

17,455

17,128

0,327

19

450

18,516

18,135

0,381

20

475

19,579

19,143

0,436

21

500

20,644

20,150

0,494

22

525

21,710

21,158

0,552

23

550

22,776

22,165

0,611

24

575

23,842

23,173

0,669

25

600

24,905

24,180

0,725

26

625

25,967

25,188

0,779

27

650

27,025

26,195

0,830

28

675

28,079

27,203

0,877

29

700

29,129

28,210

0,919

30

725

30,174

29,218

0,956

31

750

31,213

30,225

0,988

32

775

32,247

31,233

1,015

33

800

33,275

32,240

1,035

34

825

34,297

33,248

1,049

35

850

35,313

34,255

1,058

36

875

36,323

35,263

1,061

37

900

37,326

36,270

1,056

38

925

38,323

37,278

1,046

39

950

39,314

38,285

1,029

40

975

40,298

39,293

1,006

41

1000

41,276

40,300

0,976

42

1025

42,247

41,308

0,939

43

1050

43,211

42,315

0,896

44

1075

44,169

43,323

0,846

45

1100

45,119

44,330

0,789

46

1125

46,061

45,338

0,723

47

1150

46,995

46,345

0,650

48

1175

47,921

47,353

0,568

49

1200

48,838

48,360

0,478

50

1225

49,746

49,368

0,379

51

1250

50,644

50,375

0,269

52

1275

51,532

51,383

0,149

53

1300

52,410

52,410

0,000

1.4 Построим графики зависимости термо-э.д.с. термопары ТХА (К) от температуры и идеальной линейной характеристики преобразования по температуре (рис. 1.).

Так как зависимость термо-э.д.с. термоэлектрического преобразователя от температуры представлена в виде таблицы, то для расчетов и построения графиков воспользуемся программой Microsoft Excel.

График идеальной линейной характеристики показан на рисунке красным цветом.

Рис. 1

3.5 Построим график отклонения термо-э.д.с. термопары ТХА (К) от идеальной линейной характеристики (рис. 2).

Рис. 2.

Из графика видно, что максимальное значение отклонения термо-э.д.с. термопары от идеальной линейной характеристики 1,061 мВ.

2. Определение максимальной в заданном диапазоне температуры погрешности нелинейности характеристики

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 °C и 1300єС, является идеальной линейной характеристикой преобразования.

Из графиков (рис. 1, рис. 2) видно, что максимальное отклонение характеристики датчика от идеальной прямой появляется в значении шкалы 875 °C и составляет 1,061.

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 °C до 1300єС, определяется по формуле (1):

или, где (1)

— значение идеальной линейной характеристики преобразования для температуры 875 єС;

— значение термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА (К) для температуры 875 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 2%, 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).

Если взять 11-разрядный АЦП, то полное значение разрешающей способности будет равно 211=2048, что недостаточно. Поэтому разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя должна быть лучше 2500единиц (квантов), т. е. разрядность преобразователя должна быть не ниже 12 (212=4096).

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

Если линеаризация необходима, то в схему измерительного преобразователя должно быть введено нелинейное звено, компенсирующее нелинейность датчика. Обычно, это звено вводится в цепь отрицательной обратной связи усилителя (рис. 3).

Рис. 3

измерительный преобразователь датчик термопара

Для создания нелинейных звеньев с заданной функцией преобразования наиболее эффективно применение кусочно-линейной аппроксимации этой функции. 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. При этом необходимо определить величину каждого линейного участка и число участков при заданной погрешности аппроксимации.

Разделим нашу 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)

, где (5)

— число участков линеаризации;

— максимальная погрешность линеаризации (%)

— требуемая точность преобразования (0,2)

Тогда,

участков

Таким образом, для соответствия преобразователя классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 10 участков.

При таком числе участков кусочно-линейная аппроксимация неэффективна, а использование ПЗУ для прямого преобразования выходного кода АЦП в значение температуры позволяет просто реализовать соответствие преобразователя классу точности 0,25 для диапазона температур от 0 до 1300 °C.

Значение требуемой емкости ПЗУ найдем по формуле:

Где — число входных значений для ПЗУ;

— разрядность входных данных с АЦП;

— длина кода АЦП (в байтах).

В нашем случае N=14 разрядов, длина выходного кода d=2байта (14бит/8бит).

5. Выбор и обоснование принципа работы узла аналого-цифрового преобразования

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;

— стоимость преобразователя;

— гальваническое разделение входных и выходных цепей.

Рассмотрим все эти факторы:

1) из задания известно, что время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 секунд — можем применить низкоскоростной АЦП;

2) требования к точности преобразования — 14 разрядный АЦП;

3) стоимость преобразователя — как можно дешевле;

4) стабильность точностных характеристик преобразователя во времени — с течением времени преобразователь должен обеспечивать высокое качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;

5) практически все АЦП позволяют реализовать 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.

Рассмотрим принцип работы 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. 5.

Рис. 4. Упрощенная схема двухтактного интегрирующего АЦП

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. 5. Диаграмма изменения интеграла при реализации принципа двухтактного интегрирования

Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать

,

Где ф — постоянная времени интегратора.

Отсюда видно, что напряжения U1 и U2 должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством

6. Определение времени преобразования измерительного преобразователя

Наибольшую задержку в преобразование вносит сама термопара, имеющая время реакции более 10 секунд (по условию). Для расчета возьмем время реакции 10 сек.

Входной сигнал АЦП, приходящий с термопары, меняется с частотой

, где

Т — время реакции датчика, равное 10 сек.

По теореме Котельникова частота квантования должна быть не менее. На практике обычно берется.

Для нашего случая

.

Тогда максимальное время преобразования будет равно

Это примерное максимальное суммарное время.

Теперь вычислим примерное фактическое время преобразования:

В двухтактном интегрирующем АЦП соотношение длительностей тактов определяется равенством:

или

В нашем случае Uвх примем равным 5,241 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:

Важнейшим практически полезным свойством АЦП двухтактного интегрирования является его высокая помехоустойчивость к сетевым помехам. Для этого длительность первого такта t1 выбирается равной (или кратной) периоду напряжения сети 50 Гц, т. е. t1 = 20 мс = 20 • 10-3 с= 0,02 с.

Таким образом, максимальное время преобразования измерительного преобразователя будет равно:

Цифровой фильтр, стоящий после аналого-цифрового преобразователя, должен исключить из спектра сигнала высокие частоты, и пропустить только полезный низкочастотный сигнал. Оценим время задержки сигнала в цифровом фильтре. Время преобразования АЦП составляет 0,062 сек, отсюда найдем частоту дискретизации АЦП как 1/0,062 сек? 16 Гц. Фильтр должен срезать эту частоту и все частоты выше этой. Скорость изменения полезного сигнала очень низкая (время реакции датчика 10 с). Фильтр пропустит все сигналы с частотой ниже 16 Гц, т. е. периодом более 0,062 сек. Таким образом, задержка обработки сигнала цифровым фильтром равна 0,062 сек.

Суммарное время преобразования равно

,

что гораздо меньше примерного суммарного времени преобразования.

7. Структурная схема измерительного преобразователя

Выходное напряжение термопары пропорционально разности температур между двумя спаями (рабочим и холодным). Термопары требуют для своего применения методов компенсации температуры холодных спаев. В промышленности применяют два основных метода.

1) Первый метод заключается в том, что провода от термопары до ЦПУ к измерительному прибору выполняют из тех же материалов, что и термопару. В этом случае они называются компенсационными проводами.

Этот метод позволяет перенести места холодных спаев от термопары в измерительный прибор, где и измеряется их температура (обычно термосопротивлением, встроенным либо в специальную клеммную коробку, куда подключаются компенсационные провода, либо термосопротивлением, расположенным прямо на плате измерительного прибора, рядом с контактами, к которым подключаются компенсационные провода).

2) Смысл второго метода заключается в том, что в данном случае измерительный преобразователь, который измеряет температуру холодных спаев, вносит соответствующую компенсацию, усиливает и преобразует выходной сигнал в стандартный токовый, встраивается прямо в головку термопары. При этом стоимость измерительной системы уменьшается за счет отказа от компенсационных проводов (токовый сигнал в измерительный прибор можно передавать по обычным медным проводам), но добавляются затраты на встраиваемый измерительный преобразователь. Кроме того, такому преобразователю требуется внешнее питание.

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.

Рис. 6. Структурная схема измерительного преобразователя

ПП — первичный преобразователь — датчик (термопара)

У — усилитель

ГР — гальванический разделитель

АЦП — аналого-цифровой преобразователь

Ф — фильтр низких частот

ИП — источник стабилизированного напряжения питания

Т — температура

Uоп — опорное напряжение питания

Х — двоичный код на выходе АЦП, пропорциональный температуре

ХФ — двоичный код на выходе цифрового фильтра, пропорциональный температуре.

Рассмотрим назначение каждого узла структурной схемы измерительного преобразователя.

Для усиления полезного сигнала используется усилитель У. Коэффициент усиления по напряжению подбирается таким образом, чтобы выходное напряжение усилителя соответствовало диапазону входных напряжений АПЦ, например, от 0 до 5 В.

АЦП — аналого-цифровой преобразователь — один из основных элементов данного измерительного преобразователя.

Функцией АЦП является преобразования входного напряжения в выходной двоичный код Х. В данном случае для обеспечения достаточной точности и быстродействия используется 14-разрядный АЦП двухтактного интегрирования.

8. Гальваническое разделение входных и выходных цепей

Датчик, линия связи и ближайшие к ней входные узлы измерительного преобразователя наиболее подвержены воздействию помех из-за низкого уровня полезного сигнала, протекающего через эти цепи. Один из наиболее распространенных механизмов проникновения помех в измерительный преобразователь — образование контуров заземления. При достаточно длинной линии связи точки заземления могут быть разнесены друг от друга на значительные расстояния, и между ними могут возникать значительные напряжения, порядка десятков вольт.

В промышленных условиях датчики имеют невысокую изоляцию от объекта, а иногда непосредственно соединены с заземленными частями оборудования. В результате, если входная часть измерительного преобразователя гальванически связана с заземленными частями системы или имеет невысокое сопротивление изоляции от них, то через входные цепи измерительного преобразователя и датчик будут протекать токи, создающие напряжение продольной помехи, превышающее уровень полезного сигнала.

Гальваническое разделение входных и выходных цепей, выполняет функцию размыкания контуров заземления. В этом случае продольная помеха может проникнуть в систему только активные и реактивные составляющие сопротивления изоляции, и по амплитуде будет на несколько порядков меньше, чем в системах без гальванического разделения.

В соответствии с назначением гальванических разделителей (ГР) их качество определяется характеристиками изоляции между входными и выходными цепями — электрическим сопротивлением и электрической прочностью. В то же время, поскольку ГР входят в измерительный тракт, не менее важными являются их метрологические характеристики.

В общем случае в ГР содержатся два гальванически не связанных элемента, информация между которыми передается через магнитный или световой поток. Соответственно в качестве элементов гальванического разделения могут использоваться например, трансформаторы или оптико-электронные элементы.

В данной схеме гальваническое разделение реализовано с помощью оптопары. Для гальванического разделения применяется оптоэлектронный преобразователь, состоящий из светодиода и фототранзистора. Входной ток протекает через светодиод и вызывает пропорциональный световой поток. Фототранзистор под действием светового потока вырабатывает фототок, пропорциональный величине светового потока, а значит и величине тока, протекающего в цепи светодиода.

9. Фильтрация

В общем случае информативный параметр выходного сигнала датчика занимает узкую полосу частот шириной в единицы герц. В то же время полный сигнал на входе измерительного преобразователя представлен в большинстве случаев широким спектром частот до нескольких десятков килогерц. Большую часть этого спектра занимают собственные шумы и помехи. В промышленных условиях наибольшую амплитуду имеет помеха сетевой частоты. Сигнал на выходе АЦП может содержать ошибки, вызванные помехами в линиях связи, например с частотой сети 50 Гц и её гармониками. Напряжение помех может привести к росту случайной составляющей погрешности преобразователя. Кроме того, измерительный преобразователь может сам служить источником помех. Так как в измерительном канале измерительного преобразователя используется преобразование формы напряжения в узле линеаризации, то в выходном сигнале преобразователя могут присутствовать различные нелинейные составляющие, представленные в спектре выходного напряжения высокими частотами.

Для подавления сетевой частоты и ее гармоник, а также внутренних шумов измерительного преобразователя применяется цифровой фильтр низких частот. Преимущество применения цифрового фильтра в том, что он не оказывает влияния на метрологические характеристики измерительного преобразователя и не вносит искажений в измерительные цепи.

Цифровой фильтр может быть реализован на базе того же устройства, которое использует сигнал измерительного преобразователя, например, в микропроцессоре или ЭВМ.

Выходной сигнал измерительного преобразователя — это сигнал на выходе цифрового фильтра ХФ. Это пропорциональный измеряемой температуре двоичный код.

Заключение

В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя для датчика термопары.

Построен график функции E = f (T). Построена идеальная линейная характеристика преобразования по температуре. Определена максимальная в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделан вывод о необходимости линеаризации. Определена разрешающая способность АЦ-преобразования 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 использованной литературы.

1. Кончаловский В. Ю., Купершмидт Я. А., Сыропятова Р. Я., Харченко Р. Р. Электрические измерительные преобразователи. М. — Л., изд-во «Энергия», 1967

2. Ноткин Ю. А., Лопатка К. Н., Визгин Ю. И. Многоканальные измерительные преобразователи. — СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1992

3. Гнатек Ю. Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям: Пер. с англ. /Под ред. Ю. А. Рюжина. — М.: Радио и связь, 1982

4. Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. — М.: Энергоатомиздат, 1987

5. ГОСТ 8. 009 «Метрологические характеристики средств измерения».

6. ГОСТ 6616–94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия»

7. ГОСТ Р8. 585 — 2001 «ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования»

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой