Разработка датчика мгновенных температур с диапазоном измерений от 0 до 100 С°
Анализ существующих малоинерционных датчиков. Конструкция датчика мгновенных температур. Этапы преобразования измеряемых величин в измерительной системе. Разработка информационно измерительной системы. Погрешность вариаций химического состава нити.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.01.2014 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
Факультет Технической Кибернетики
Кафедра информационно-измерительных технологий
КУРСОВАЯ РАБОА
по дисциплине
«Физические основы измерений»
На тему
«Разработка датчика мгновенных температур с диапазоном измерений от 0 до 100 С°»
Выполнил: студент группы №53505/25
Садовник Роман Игоревич
Проверил: Сушников Виктор Александрович
2013г.
Реферат
В курсовой работе рассматривается датчик мгновенных температур с диапазоном от 0 до 100 С°. В ходе курсовой работы проведен анализ существующих малоинерционных датчиков. Осуществлен расчет конструкции и расчет измерительной цепи проектируемого датчика мгновенных температур. Также в данной курсовой работе приведен расчет погрешностей проектируемого датчика.
В данной курсовой работе 39 страница, 8 таблиц, 10 рисунков, 1 приложение.
Аннотация
Конструкция датчика мгновенных температур.
На рис 1. Показана упрощенная конструкция датчика мгновенных температур, где цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:
1) Нить, сопротивление которой меняется в зависимости от температуры
2) Магнитные стерженьки для крепления нити
3) Корпус, через который пропущены выводы
4) Выводы для включения датчика в измерительную цепь
Рис.1 Конструкция датчика измеряющего мгновенные температуры
Введение
Актуальность.
Температура является важнейшим параметром любого технологического процесса. Необходимость контроля температуры ответственных механизмов, рабочих тел (жидкости, газы), а также допустимых температур при работе двигателей, генераторов, приводного оборудования, трансформаторов и т.д. обуславливает применение высокотехнических решений в плане измерения температуры.
Самыми распространенными измерениями являются температурные измерения (около 50%) [1]. К примеру, средняя по величине атомная станция располагает приблизительно 1500-ю контрольных (измерительных) точек, а крупное химпроизводство, насчитывает таких уже около 20 тыс.
В промышленности для измерения температур часто используются термометры сопротивления. Объясняется это тем, что чувствительный элемент имеет известную зависимость сопротивления от температуры.
При проектировании, на этапе исследования, часто необходимы измерения мгновенных температур определённых узлов изделия. Для этих целей необходим датчик мгновенных температур (ДМТ), конструкция которого обусловлена некоторыми отличиями в сравнении с другими датчиками термосопротивления. В качестве чувствительного элемента в ДМТ выступает нить из металла .Самый популярный материал нити - платина, это обусловлено высоким температурный коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью [2]. В качестве рабочих средств измерений применяются такие материалы как медь, никель, а так же их сплавы.
Цель: Разработать систему измерения мгновенных температур на базе малоинерционного датчика.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ и обзор существующих малоинерционных датчиков.
2. Разработка датчика мгновенных температур с техническими параметрами, превосходящими существующие аналоги.
3. Разработка информационно измерительной системы (ИИС), отвечающим современным требованиям рынка контрольно-измерительных приборов.
4. Расчет метрологических параметров разработанного датчика мгновенных температур и ИИС
Глава 1 Принцип работы датчика мгновенных температур
1.1 Этапы преобразования измеряемых величин в измерительной системе
Первый этап - R -> ?R
Все материалы обладают температурным коэффициентом сопротивления (R), при изменении температуры °С (T) изменяется и сопротивление проводника (?R)
Второй этап - ?R -> ?U
Изменение сопротивления (?R) преобразуется в выходную величину ?U
Третий этап - ?U -> АЦП
Выходная аналоговая величина ?U преобразуется в цифровую с помощью АЦП.
Четвёртый этап - АЦП -> МК
Цифровые данные АЦП передаются на МК.
Пятый этап - МК -> Индикация
Подключенная к МК индикация отражает измеряемые параметры [3].
На рис. 2 изображена цепочка преобразования
Рис.2 Цепочка преобразования
1.2 Анализ датчика ADT7320
ADT7320 - цифровой датчик температуры, обладающий высокой точностью, который обеспечивает отличные показатели в широком промышленном диапазоне температур и выпускается в корпусе LFCSP с габаритами 4 мм ? 4 мм. Он содержит внутренний источник опорного напряжения на запрещенной зоне, датчик температуры и 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), комбинация которых позволяет измерять и оцифровывать показания температуры с разрешением до 0.0078°C. По умолчанию разрешение АЦП устанавливается равным 13 бит (0.0625°C) и может быть изменено пользователем путем программирования через последовательный интерфейс.
ADT7320 гарантированно работает с напряжением питания в диапазоне от 2.7 В до 5.5 В. При работе от напряжения питания 3.3 В средний потребляемый ток составляет 210 мкА. ADT7320 имеет режим отключения, в котором напряжение питания отключается от внутренних схем и потребляемый ток уменьшается до 2.0 мкА при 3.3 В. Номинальный рабочий температурный диапазон ADT7320 составляет от ?40°C до +150°C.
Вывод CT представляет собой выход с открытым стоком, который становится активен при превышении программируемого критического уровня температуры. Вывод INT также является выходом с открытым стоком, который становится активен при выходе температуры за границу программируемого предельного уровня. Оба вывода могут работать в режиме компаратора или режиме прерывания [4].
Принцип работы
Основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода. Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике [5].
Область применения:
· Замещение резистивных температурных датчиков и термисторов
· Компенсация холодного спая термопар
· Медицинское оборудование
· Промышленные системы управления и контрольно-испытательная аппаратура
· Транспортировка и хранение пищевых продуктов
· Контроль условий окружающей среды, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
· Управление рабочей температурой лазерных диодов
На рис.3 представлен датчик ADT7320
Рис 3. Датчик ADT7320
В таблице 1 описаны технические характеристики датчика ADT7320
Таблица 1 - технические характеристики датчика ADT7320
|
Параметры датчика |
Значения параметров |
|
|
IC Output Type |
Digital |
|
|
Точность измерения температур |
±0,25 ?С (в диапазоне -20…+105 ?С) |
|
|
Рабочий диапазон измеряемых температур: |
-40…+150 ?С |
|
|
Номинальный ток потребления |
210 мкА (46 мкА при измерениях один раз в секунду) |
|
|
Номинальное напряжение питания |
2,7V to 5.5V |
|
|
Resolution (Bits) |
13…16 |
|
|
Sensor Case Style |
16-LFCSP |
|
|
No. of Pins |
17 |
|
|
Operating Temperature Range |
-40…+150 ?С |
|
|
Output Current |
5mA |
|
|
Output Type |
Digital |
|
|
Тип корпуса |
16-LFCSP |
|
|
Выходной интерфейс |
SPI |
|
|
Sensor / Transducer Type |
Temperature |
|
|
Supply Voltage Max |
5.5V |
|
|
Supply Voltage Min |
2.7V |
|
|
Производство |
Analog Devices |
1.3 Анализ датчика DS18B20
Один из самых популярных цифровых температурных датчиков корпорации Dallas Semiconductor. DS18B20 цифровой термометр с программируемым разрешением, от 9 до 12-bit(в течении 750 ms (макс.), которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18B20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором. Диапазон измерений от -55°C до +125°C и точностью 0.5°C в диапазоне от -10°C до +85°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“parasite power”), при отсутствии внешнего источника напряжения. Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который позволяет, общаться с множеством датчиков DS18B20 установленных на одной шине.
Такой принцип позволяет использовать один микропроцессор, чтобы контролировать множество датчиков DS18B20, распределенных по большому участку. Приложения, которые могут извлечь выгоду из этой особенности, включают системы контроля температуры в зданиях, и оборудовании или машинах, а так же контроль и управление температурными процессами [6].
Кроме того, этот термодатчик не требует внешнего источника питания, поскольку он может питаться от линии данных.
Принцип работы
Основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода. Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике [7].
Область применения:
· Терморегуляторы
· Промышленные системы
· Потребительские товары
· Термометры
· В любых термочувствительных системах
· В системах контроля температуры топлива или воды
· В морозильных камерах и климатических системах
· В системах отопления
На рис. 4 представлен датчик DS18B20
Рис 4. Датчик DS18B20
В таблице 2 описаны технические характеристики датчика DS18B20
Таблица 2 - технические характеристики датчика DS18B20
|
Параметры датчика |
Значения параметров |
|
|
IC Output Type |
Digital |
|
|
Точность измерения температур |
± 0.5°C |
|
|
Рабочий диапазон измеряемых температур: |
-55°C to +125°C |
|
|
Номинальный ток потребления |
1mA |
|
|
Номинальное напряжение питания |
3V to 5.5V |
|
|
Resolution (Bits) |
9-12bit |
|
|
Sensor Case Style |
TO-92 |
|
|
No. of Pins |
3 |
|
|
Operating Temperature Range |
-10°C to +85°C |
|
|
Output Current |
4mA |
|
|
Output Type |
Digital |
|
|
Тип корпуса |
TO-92 |
|
|
Выходной интерфейс |
1Wire |
|
|
Sensor / Transducer Type |
Temperature |
|
|
Supply Voltage Max |
5.5V |
|
|
Supply Voltage Min |
3V |
|
|
Производство |
Dallas / Maxim |
Вывод
Были рассмотрены малоинерционные датчики ADT7320 и DS18B20. Принцип действия этих датчиков одинаков: преобразование температуры в электрический сигнал. В зависимости от целей использования датчика стоит рассматривать какой-то один из них.
Наиболее простым и дешёвым (из рассмотренных выше датчиков), по конструкции является DS18B20 [8]. Данный тип датчиков обладает меньшей разрядностью 9-12bit и как следствие меньшим разрешением измерения и индикации, чем у аналога ADT7320 (чем 13-16bit) [9] .
Так же датчик DS18B20 имеет наиболее простой и удобный интерфейс 1-Wire[10], чем SPI у ADT7320, что позволяет ему работать как одиночным устройством, так и в параллельном соединении с другими устройствами имея при таком соединении уникальный номер и возможность наиболее быстрой замены в случае выхода из строя [11].
Рассмотренный так же, в данной курсовой работе, датчик ADT7320 в свою очередь имеет в два раза большую точность измерения температур ±0,25 ?С (в диапазоне -20…+105 ?С) , по сравнении с аналогом DS18B20 (±0,5 ?С) [12]. Датчику ADT7320 необходимо чуть меньшее номинальное напряжение питания 2,7V [13] и гораздо меньший номинальный ток потребления 210 мкА (46 мкА при измерениях один раз в секунду) [14].
Глава 2 Разработка датчика мгновенных температур
Одной из задач данной работы является разработка датчика мгновенных температур с диапазоном от 0 до 100 С°
2.1 Расчет конструкции
Конструкция, разрабатываемого датчика мгновенных температур с диапазоном от 0 до 100 С°. на рис.5
Рис.5 Конструкция датчик мгновенных температур с диапазоном от 0 до 100 С°.
Исходя из того, что длина датчика ( l ) влияет на время отклика датчика мгновенных температур, следует что длину нити необходимо по возможности увеличить, насколько это конструктивно возможно .
Для увеличения длины, сохранения компактности и прочности измерительного элемента - нити , он будет намотан спиралью вдоль четырёх опорных стержней , два стержня будут подключены к выводам сигнала датчика.
Материалом нити датчика был выбран нихром.
Преимущество нихрома - это высокое удельное электрическое сопротивление. Несмотря на достаточно низкий температурный коэффициент, по сравнению с платиной и золотом, имеет высокую пластичность т прочность, что позволяет подвергать его сварке, точению, волочению, штамповке и другим видам механической обработки, что не маловажно при последующем ремонте датчика. Он так же устойчив к окислению, имеет большой диапазон измеряемых температур [15].
Ниже представлены расчеты параметров измерительной части датчика мгновенных температур (нити).
Узнаём длину одного витка по формуле
Где d - диаметр витка = 0.01 (м)
к - шаг витка = 0.001 (м)
Lv = 0.031 - длина одного витка
Количество витков на всём участке обмотки находится по формуле:
n=l/k
где l = 0.09 (м)- длина участка обмотки
n= 90 - количество витков на участке обмотки
Общую длину участка нити узнаём по формуле:
Lобщ = n* Lv
Lобщ = 2.513 (м)
Для выполнения расчетов конструкции необходимо рассчитать начальное сопротивление нити из платины R0:
где ? - удельное сопротивление металла (нихрома) = 140*10-8
L - длина нити равная = 2.513(м)
S -площадь поперечного сечения (м)
Необходимо рассчитать площадь поперечного сечения:
D - диаметр нити равный = 0.001(м)
r - радиус равный половине диаметра(D)= 0.0005(м)
S = ?r2 = 3.14*(0.0005)2 =7.85*10-7(м)
Узнав площадь сечения находим R0
R0 = 140*10-8 (2.513/7.85*10-7 ) = 4.482(Ом)
где R0-сопротивление нити (Ом)
Узнав R0 находим ?R
?R= R0 * ? * ?T = 0.112 (Ом)
Где ?-температурный коэффициент сопротивления (ТКС) = 0.25*10-3
?T-изменение измеряемых температур (100 С°)
В итоге находим R
R= R0 (l+? * ?T) = 11.375 (Ом)
2.2 Мостовое соединение
На рис.6 представлена схема мостового соединения
Рис.6 Мостовое соединение
Примем, что R1=R2=R3=R4=100 (Ом)
Uпит=Iдоп*2*R4
где R4=R0
Iдоп<25мА, тогда напряжение питания будет равно:
Uпит=IДоп*2*R4=25*10-3*2*100 =5 (В)
Выходное напряжение мостовой схемы при максимальном изменении сопротивления будет равно
Uвых== 5/4 * 0.112 /100 =1.401* 10-3 (В)
Вывод
Рассчитана конструкция датчика мгновенных температур, его параметры Lобщ, S, R0 , ?R, R.
Кроме этого осуществлены расчёты основных параметров измерительной цепи, таких как: Uпит , Uвых .
В результате расчетов конструкции датчика получено:
R0 = 4.482(Ом)
?R = 0.112 (Ом)
R= 11.375 (Ом)
Глава 3. Разработка информационно измерительной системы
3.1 Усилитель
В качестве усилителя выбран AD623 . Это интегрированный инструментальный усилитель с однополярным питанием, который обеспечивает rail-to-rail диапазон выходных напряжений (размах напряжения до напряжений питания) при работе с напряжениями питания от 3 В до 12 В. AD623 дает пользователю большую свободу применения за счет программирования коэффициента усиления одним резистором и 8-выводной конфигурации выводов промышленного стандарта. Без внешнего резистора AD623 обеспечивает единичное усиление (G = 1), а используя внешний резистор коэффициент усиления AD623 можно изменять в диапазоне до 1000[16].
AD623 поддерживает погрешность на минимальном уровне, обеспечивая превосходный КОСС в полосе частот, который возрастает при увеличении коэффициента усиления. Значение КОСС сохраняет постоянный уровень на частотах до 200 Гц, что позволяет подавлять как шум на частоте сети питания, так и ее гармоники. AD623 имеет широкий диапазон входных синфазных напряжений и способен усиливать сигналы с синфазным напряжением на 150 мВ ниже напряжения земли. Архитектура AD623 была оптимизирована для работы от однополярного напряжения питания, однако компонент также обеспечивает превосходные показатели и при работе с биполярным напряжением питания (от ±2.5 В до ±6.0 В).
Низкая потребляемая мощность (1.5 мВт при 3 В), широкий диапазон напряжений питания и rail-to-rail диапазон выходных напряжений делают AD623 идеальным выбором для систем с питанием от батарей. Выходной каскад, работающий в rail-rail режиме, максимизирует динамический диапазон при низких напряжениях питания. AD623 является отличной альтернативой проектам инструментальных усилителей на дискретных компонентах, обеспечивая превосходную линейность, температурную стабильность и надежность при минимальной занимаемой площади[17].
На рис.7 показана принципиальная схема усилителя REF192
Рис.7 Принципиальная схема усилителя REF192
В таблице 6 указано назначение пинов микросхемы AD623
Таблица 6 Назначение пинов микросхемы AD623
|
Номер |
Наименование |
Назначение |
|
|
1 |
-RG |
Пин подключения резистора |
|
|
2 |
-IN |
Входное напряжение(-) |
|
|
3 |
+IN |
Входное напряжение(+) |
|
|
4 |
-Vs |
Вход для отрицательного потенциала напряжения питания |
|
|
5 |
Ref |
Вход опорного напряжения |
|
|
6 |
Output |
Выходное напряжение |
|
|
7 |
+Vs |
Напряжение питания |
|
|
8 |
+Rg |
Пин подключения резистора |
Температурный коэффициент при коэффициенте усиления = 1 - от 5 до 10 ppm/C, при коэффициенте усиления >1 - 50 ppm/C.
3.2 АЦП
AD7450 - 12 битный аналого-цифровой преобразователь, быстродействующий, маломощный аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR), который имеет полностью дифференциальный аналоговый вход. Работает от однополярного источника питания - 3 В или 5 В и имеет скорость преобразования до 833 kSPS или 1 MSPS соответственно.
Особенности и преимущества - низкий уровень шумов, широкую полосу пропускания, дифференциальное устройство выборки - хранения (УВХ), которое может обрабатывать входные сигналы с частотой более 1 МГц - частота среза по уровню -3 дБ равна 20 МГц. Опорное напряжение для AD7450 VREF должно быть внешним и иметь значение от 100 мВ до 3.5 В, в зависимости от напряжения источника питания и конкретной ситуации, в которой используется прибор. Значение опорного напряжения определяет диапазон напряжения синфазного сигнала.
Разрядность AD7450 достаточно точная и составляет 12 бит. При этом время преобразования одного оцифрованного сигнала составляет 16 циклов.
Процессы начала преобразования и выдачи данных синхронизируются сигналом на входе CS и последовательными тактовыми импульсами, что позволяет передавать данные в микропроцессоры или DSP. Выборка входного сигнала, преобразование и выдача данных начинаются по срезу сигнала CS. [18]. Описание конфигурации выходов AD7450 представлено на рис. 8.
Рисунок 8 Конфигурация выходов АЦП
В таблице 6 представлено описание каждого выхода АЦП.
Таблица 6. Описание выходов AD7450
|
№ выводов |
Значения |
Функции |
|
|
1 |
VREF |
Справочный вход AD7450. Для 5В питания VREF = 2.5В (±1%), для 3В питания VREF = 1.25В (±1%). VREF должен быть заземлен с конденсатором от 0.1 мкФ. |
|
|
2 |
VIN+ |
Положительный дифференциальный аналоговый вход |
|
|
3 |
VIN- |
Отрицательный дифференциальный аналоговый вход |
|
|
4 |
GND |
Аналоговая Земля для АЦП. |
|
|
5 |
VDD |
Вход электропитания 3 В (±10%) или 5 В (±5%). Подаваемое напряжение должно быть заземлено с конденсаторами на 0.1 мкФ и 10 мкФ для фильтрации входного сигнала. |
|
|
6 |
SCLK |
Логический вход. Используется для процесса преобразования данных. |
|
|
7 |
SDATA |
Логический выход. Результат преобразования АЦП в виде последовательного потока данных. Данные состоят из 4х нулей в начале и 12 бит банных (всего 16 бит). Данные представлены в двоичном виде. |
|
|
8 |
__ CS |
Вход начала преобразования и передачи данных. Преобразование начинается при CS = 0. |
3.3 Микроконтроллер C8051F411
C8051f411 - 8- разрядный микроконтроллер выбран как наиболее подходящий по критериям и изученный во время курса.
В таблице 7 приведены основные характеристики микроконтроллера C8051F411.
Таблица 7. Основные параметры микроконтроллера C8051F411
|
ЦПУ: Ядро |
MCS-51 |
|
|
ЦПУ: F, МГц |
до 50 |
|
|
Память: Flash, КБайт |
32 |
|
|
Память: RAM, КБайт |
45689 |
|
|
I/O (макс.), шт. |
20 |
|
|
Таймеры: 16-бит, шт |
4 |
|
|
Таймеры: RTC |
Да |
|
|
Интерфейсы: UART, шт |
1 |
|
|
Интерфейсы: SPI, шт |
1 |
|
|
Интерфейсы: I2C, шт |
1 |
|
|
Аналоговые входы: Разрядов АЦП, бит |
12 |
|
|
Аналоговые входы: Каналов АЦП, шт |
20 |
|
|
Аналоговые входы: Быстродействие АЦП, kSPS |
200 |
|
|
Аналоговые входы: Аналоговый компаратор, шт |
2 |
|
|
Аналоговые выходы: Разрядов ЦАП, бит |
12 |
|
|
Аналоговые выходы: Каналов ЦАП, шт |
2 |
|
|
VCC,В |
от 2 до 5.25 |
|
|
ICC,мА |
41403 |
|
|
TA,°C |
от -40 до 85 |
|
|
Корпус |
QFN-28 |
На рис. 9 представлена структурная схема микроконтроллера C8051F411
Рис.9 Структурная схема микроконтроллера C8051F411
Пины Р1.5, Р1.6, P1.7 используются для связи микрокотроллера с АЦП по интерфейсу SPI.
Пины P1.1, P1.0, P1.4 используются для управления дисплеем.
Пины Р0.0-P1.7 используются для передачи данных дисплею[19].
3.4 Дисплей
Дисплей символьный, жидкокристаллический, на базе контроллера KS0066 от Samsung. Распространенный и простой в эксплуатации дисплей. Питание дисплея 5В. Управляется с помощью 8 линий данных и 3 управляющих линий (RS, RW, E) . На рис. 10 представлена структурная схема выводов дисплея. [20]
Рис. 10 Структурная схема выводов дисплея
В таблице 8 описано назначение выводов дисплея.
Таблица 8 Назначение выводов дисплея
|
1 |
VSS - Gnd |
Земля |
|
|
2 |
Vdd-Vcc |
Питание 5v |
|
|
3 |
V0 |
Установка контрастности ЖК матрицы |
|
|
4 |
RS |
Линия управления RS |
|
|
5 |
RW |
Линия управления RW |
|
|
6 |
E |
Линия управления E |
|
|
7 |
D0 |
Линия данных D0 |
|
|
8 |
D1 |
Линия данных D1 |
|
|
9 |
D2 |
Линия данных D2 |
|
|
10 |
D3 |
Линия данных D3 |
|
|
11 |
D4 |
Линия данных D4 |
|
|
12 |
D5 |
Линия данных D5 |
|
|
13 |
D6 |
Линия данных D6 |
|
|
14 |
D7 |
Линия данных D7 |
|
|
15 |
A |
Анод светодиода подсветки дисплея |
|
|
16 |
K |
Катод светодиода подсветки дисплея |
Вывод
Была разработана схема, состоящая из датчика, мостового соединения, инструментального усилителя, аналога - цифрового преобразователя, микроконтроллера, дисплея.
В связи с тем, что выходной сигнал с моста Уитсона крайне мал и исчисляется в Мв, его величина недостаточна для последующей корректной обработки с помощью АЦП, вследствие чего необходимо подключить в схему инструментальный усилитель, который усилит сигнал с моста в 1000 раз. В результате действия инструментального усилителя(AD623), на вход АЦП будет подано достаточно усиленное выходное значение.
Микроконтроллер (C8051F411), используемый в приведенный схеме, служит для получения и обработки информации с АЦП и вывода на дисплей (KS0066) конечной информации в удобном для пользователя виде.
Обобщенная схема коммутации ИИС показана в приложении 1.
4. Метрологическое обеспечение
Среди многообразия погрешностей, и их особенностей будут посчитаны следующие типы погрешностей:
Температурная погрешность усилителя.
Погрешность вариаций химического состава нити.
4.1 Температурная погрешность усилителя
К инструментальному усилителю подключен резистор, который задает коэффициент усиления. В разработанной схеме ИИС используется 100Ом резистор, который обеспечивает усиление с выхода моста Уитсона в 1000 раз.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С.
Разработанная ИИС рассчитана на работы при температуре окружающей среды от 0 °С до 100 °С
Резистор, подключенный к усилителю имеет ТКС: 1 - 50 ppm/C
В конструкции инструментального усилителя AD623 используется сопротивление RN731JTTD1000D50 на 100 Ом, с ТКС 50 ppm/K , рабочей температурой -55 до 125 °C производителя KOA Speer
50ppm/k=
Изменение сопротивления RT0603FRE07100RL инструментального усилителя на всем температурном диапазоне составляет:
Исходя из полученного значения максимального изменения сопротивления, можно посчитать максимальное значение сопротивления в схеме инструментального усилителя [21]:
При R=100 Ом, инструментальный усилитель усиливаем сигнал в 1000 раз, т. е напряжение на выходе инструментально усилителя будет равным: 1,401 В
При сигнал на выходе усилителя будет усилен приблизительно в 1002,5 раз. Следовательно, на выходе инструментального усилителя выходное напряжение равно:1,4045 В
Абсолютная погрешность: ,т.е значение напряжения на выходе можно написать:
Относительная погрешность
где - значение величины, полученное при идеальных условиях
4.2 Погрешность вариаций химического состава нити
Любое изменение сплава нити, влияет на его сопротивление и как следствие на все последующие параметры, в том числе и на погрешность.
Предположим, что сплав нити нашего датчика был технологически нарушен. В связи с чем, её температурный коэффициент сопротивления, вместо положенного 0.25*10-3 стал равен 0.3*10-3 . Необходимо рассчитать, какова погрешность при имеющемся ТКС нити.
Тогда, начальное сопротивление нити будет равно
?R= R0 * ? * ?T = 0.134 (Ом)
общее сопротивление будет равно
R= R0 (l+? * ?T) = 11.397 (Ом)
выходное напряжение мостовой схемы при максимальном изменении сопротивления тоже изменится и будет равно
Uвых== 5/4 * 0.112 /100 =1.681* 10-3 (В)
Абсолютная погрешность: =1.681*10-3 - 1.401*10-3 = 0.000279
т.е значение напряжения на выходе можно написать:
=1401*10-3 В
Относительная погрешность
где - значение величины, полученное при идеальных условиях
Вывод
В данной курсовой работе вычислена погрешность температурная погрешность усилителя и погрешность вариаций химического состава нити.
Температурная погрешность инструментального усилителя AD623:
Абсолютная погрешность: ,
Относительная погрешность:
Погрешность вариаций химического состава нити :
Абсолютная погрешность:
Относительная погрешность:
Заключение
В данной работе были рассмотрены датчики измеряющие мгновенные температуры в диапазоне от 0°С до 100°С, их конструктивные особенности, особенности материалов из которых они изготавливаются, а также принцип их действия и расчеты точности их измерений.
В главе 1 был проведен анализ датчика мгновенных температур, его устройство(конструкция), принцип работы и область применения. Так же был рассмотрен аналог прибора .
В главе 2 был проведен расчет датчика, было определено сопротивление его чувствительного элемента и также рассчитано приращение сопротивления.
В главе 3 датчик был включен в мостовую схему.
В главе 4 было проведено метрологическое обеспечение прибора, рассчитаны погрешности в двух случаях : при увеличении температуры датчика до 100 С° и при нарушении химического состава нити.
малоинерционный датчик температура измерительный
Приложение 1
Схема информационно измерительной системы
Список литературы
1) Российский рынок промышленных датчиков [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://kipinfo.ru/info/stati/?id=181, дата обращения 2.10.2013
2) Термометры сопротивления [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://temperatures.ru/pages/termometry_soprotivleniya, дата обращения 2.10.2013
3) Изготовление термометра на базе датчика DS18B20 [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://cxem.net/mc/mc237.php , дата обращения 02.10.2013
4) Data Sheet ADT7320 [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADT7320.pdf/, дата обращения 02.10.2013
5) ADT7320 и ADT7420 бюджетные прецизионные калиброванные датчики температуры [Электронный ресурс]- Режим доступа:
http://www.kipia.info/news/adt7320-i-adt7420-byudjetnyie-pretsizionnyie-kalibrovannyie-datchiki-temperaturyi/ , дата обращения 02.10.2013
6) Поплярные цифорвые термодатчики фирмы DALLAS-MAXIM с одопроводным интерфейсом 1-Wire [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://tec.org.ru/publ/stati_po_ehlektroinke/mikroskhemy/o_termodatchikakh_ds1820_ds18s20_ds18b20/8-1-0-14, дата обращения 02.10.2013
7) Работа с датчиком DS18B20 по интерфейсу 1-Wire[Электронный ресурс]- Режим доступа: http://chipenable.ru/index.php/programming-avr/item/86-1-wire-rabota-s-ds18b20-chast-3.html , дата обращения 02.10.2013
8) Описание работы с датчиком температуры DS18B20 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.e-voron.dp.ua/files/pdf/maxim/ds18b20-rus.pdf , дата обращения 2.10.2013
9) Датчики температуры [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.adventx.com.ua/automation/products/sensors/ , дата обращения 02.12.2013
10) Описание протокола, алгоритмы реализации, рекомендации по применению интерфейса 1-Wire [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://radiokot.ru/articles/13/ , дата обращения 02.12.2013
11) Датчики температуры [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://elektromehanika.org/publ/stati_po_ehlektronike/datchiki_temperatury_4_chasti/4-1-0-127 , дата обращения 02.12.2013
12) Защита датчиков температуры DS18B20 от статического электричества [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://catcatcat.d-lan.dp.ua/zashhita-datchikov-temperaturyi-ds18b20-ot-staticheskogo-elektrichestva/, дата обращения 03.12.2013
13) Характеристики датчиков[Электронный ресурс]- Режим доступа: http://electrono.ru/elektrotexnicheskaya-apparatura/kratkaya-xarakteristika-datchikov , дата обращения 02.10.2013
14) Полупроводниковые датчики температуры [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://mcucpu.ru/index.php/pdevices/datchiki/108-poluprovodnikovye-datchiki-temperatury, дата обращения 04.12.2013
15) Нихром.Советы по расчету, ремонту, пайке нихромовой проволоки [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.electromonter.info/advice/nichrom.html, дата обращения 04.12.2013
16) Операционные усилители [Электронный ресурс]- Режим доступа:
http://zpostbox.ru/operatsionny_usilitel.html, дата обращения 06.12.2013
17) Операционные усилители, стремление к совершенству [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://kit-e.ru/articles/usil/2007_10_46.php , дата обращения 06.12.2013
18) Analog Devices. Методы практического конструирования датчиков [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.sgu.ru/sites/default/files/dep-main-hist/analog_devices._metody_prakticheskogo_konstruirovaniya_pri_normirovanii_signalov_s_datchika.pdf , дата обращения 08.12.2013
19) Data Sheet C8051F411-GM - Silicon Laboratories [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.rlocman.ru/datasheet/data.html?di=73402&/C8051F411-GM, дата обращения 10.12.2013
20) Data Sheet SAMSUNG/KS0066 [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/37318/SAMSUNG/KS0066.html, дата обращения 11.12.2013
21) Параметры операционных усилителей [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.vasiligordee.narod.ru/radio/045.html , дата обращения 11.12.2013
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Анализ датчика мгновенных температур, его устройство, принцип работы и область применения. Расчет датчика, определение сопротивления его чувствительного элемента, приращение сопротивления. Метрологическое обеспечение прибора, расчет погрешностей.
курсовая работа [66,5 K], добавлен 06.08.2013Метрологическое обеспечение контроля электрических величин. Параметры и свойства измерительной техники: показания средств измерений; градуировочная характеристика; разрешающая способность, диапазон, предел, чувствительность. Методика выполнения измерений.
презентация [175,0 K], добавлен 31.07.2012Две основные группы методов измерения, различаемые в зависимости от диапазона измеряемых температур. Термодинамическая шкала Кельвина. Манометрический термометр, его устройство. Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя.
презентация [4,3 M], добавлен 22.07.2015Анализ бесконтактного трансформаторного датчика. Электромагнитные поля, изучаемые в электроразведке. Электромагнитные зондирования и профилирования. Подземные методы электроразведки. Выбор и обоснование материала бесконтактного трансформаторного датчика.
курсовая работа [56,7 K], добавлен 11.10.2012Автоматизированная информационно-измерительная система "Телеучет". Автоматизированный коммерческий учет электроэнергии субъектов оптового рынка электроэнергии. Состав технических средств. Розничный рынок электроэнергии. Тарифы на электрическую энергию.
курсовая работа [676,6 K], добавлен 31.05.2013Понятие термодинамической температуры. Способы получения низких температур. Принцип работы холодильника. История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур. Метод получения сверхнизких температур, магнитное охлаждение.
реферат [21,8 K], добавлен 10.07.2013Разработка структурной схемы измерительной информационной системы. Выбор измерительных и промежуточных преобразователей. Погрешность выпускаемых в промышленности проволочных и фольговых тензорезисторов. "Вытеснение" шума в высокочастотную часть спектра.
курсовая работа [67,9 K], добавлен 09.06.2013Широкое применение схем уравновешенных и неуравновешенных мостов в измерительной технике. Исходные данные для расчета измерительной схемы автоматического потенциометра, обеспечение высокой чувствительности и линейности шкалы разрабатываемого прибора.
контрольная работа [126,5 K], добавлен 30.01.2015Структура датчика газового состава. Система автоматического моделирования интегральных схем Synopsys TCAD. Расчет температуры рабочей области датчика при импульсном питании нагревателя. Тепловые характеристики для материалов чувствительного элемента.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 27.10.2013Обработка ряда физических измерений: систематическая погрешность, доверительный интервал, наличие грубой погрешности (промаха). Косвенные измерения величин с математической зависимостью, температурных коэффициентов магнитоэлектрической системы.
контрольная работа [125,1 K], добавлен 17.06.2012
