Моделирование в системе MICRO-CAP измерительных преобразователей на основе датчиков температуры

Чтобы провести оценку суммарной основной погрешности ИП, рассчитаем приведенную погрешность для пяти равноотстоящих значений температуры (tC = -300, 320, 340, 360, 380, 400 град С) измеряемого диапазона:

(9.7)

(9.8)

(9.9)

(9.10)

(9.11)

(9.12)

С учетом линейности функции преобразования ИП, можно сделать вывод, что суммарная основная погрешность разработанного ИП не превышает допустимый предел (доп = 0.5%). Измерительный преобразователь соответствует заданному классу точности 0.5.

10. Расчет ИП на влияние температуры (расчет дополнительной погрешности ИП от влияния температуры окружающей среды)

Согласно ГОСТ 13384-93 (СНГ), допускаемая дополнительная погрешность преобразователей, вызванная изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой температуры в пределах, установленных рабочими условиями применения, на каждые 10 град С для преобразователей класса точности 0.5 (доп=0.5%) не должна превышать 0.5 предела допускаемой основной погрешности, т.е. 0.25%.

С учетом того, что анализ схемы ИП проводился при 27 град С, определим с помощью Transient-анализа MicroCAP выходной сигнал ИП при изменении температуры ИП до крайних значений рабочего температурного диапазона ИП (0..60)град С. Расчет производится при максимальной температуре ТПС (Rt1=Rt2=12.472 Ом).

Значение выходного тока при температуре ИП 27 град С было определено в п.п. 6.6:

Iout_IP(400)_27 =5.001А.

Т.к. ТКС резисторов R19, R20 и R25 (типа С2-29В) в диапазоне температур (0..+20)град С составляет +-75E-6 [1/град С], а в диапазоне температур (+20..+60)град С составляет +-25E-6 [1/град С], определим модуль их эквивалентного линейного ТКС для температуры +60 град С:

TC(60) = 20*75+10-6/60 +40*25*10-6/60 = 4.16667*10-5

В текстовом окне MicroCAP изменяем модель резистора(R15, R16 и R22) "S2-29V+": .MODEL S2-29V+ RES (R=1 LOT=0.1% TC1=41.67E-6).

Проведем анализ для температуры ИП 60 град С (в меню Transient Analysis Limits задаем в поле параметра Temperature значение 60 (см. рис. 10.1)):

Iout_IP(400)_60 = 4.9715*10-3 A.

Определяем усредненную дополнительную погрешность от влияния температуры на ИП в диапазоне (27..60) град С:

(27-60) = % /10 град С (10.1)

Рис. 10.1. Анализ ИП в общей схеме при t=+60 0C.

Проведем анализ для температуры ИП 0 град С (см. рис. 10.2):

Iout_IP(400)_0 = 5.0235*10-3 A

Рис. 10.2. Анализ ИП в общей схеме при t=+0 0C.

Определяем усредненную дополнительную погрешность от влияния температуры на ИП в диапазоне (0..27) град С:

(27-0) = %/град С (10.2)

Вывод: дополнительная погрешность от влияния температуры на каждые 10 град С рабочего диапазона ИП (0..60 град С) не превышает 0.5 предела допускаемой основной погрешности (0.25%).

11. Расчет погрешности от влияния разброса компонентов

Чтобы учесть при моделировании допускаемое отклонение сопротивления ТПС (класса допуска A) от своего номинального значения при 0 град С, расчет погрешности от влияния разброса компонентов будем производить при минимальной температуре ТПС (Rt1=Rt2=10.6915 Ом). Зададим для Rt1 и Rt2 модель резистора "RTEMP" без ТКС, но с разбросом масштабного множителя сопротивления (R), равным 0.05%.

MODEL RTEMP RES (R=1 LOT=0.1%)

Разброс пассивных компонентов схемы ИП задавался для моделей резисторов и конденсаторов в соответствии с их процентным допуском при помощи ключевого слова LOT.

Для того, чтобы провести статистический анализ влияния разброса пассивных компонентов на выходную характеристику ИП в MicroCAP, необходимо выполнить следующие шаги.

1. Запустить Transient-analyse.

2. В меню Monte Carlo - Options задать 10 запусков (Number of Runs), выбрать закон распределения случайных величин - Worst Case (худший случай), включить статус режима (On).

3. Запустить Transient-analyse (выбрать Run из верхнего меню). Выполнится 10 запусков анализа с вариацией элементов в пределах заданного разброса. После завершения анализа значения выходного тока можно узнать, нажимая на клавиши вертикального перемещения курсора.

Для исследуемой схемы были получены следующие результаты (в момент времени 2.5 с от подачи входных сигналов (см. рис. 11):

Iout_1 = -0.0009*10-3 A

Iout_2 = -0.0144*10-3 B

Iout_3 = -0.0160*10-3 B

Iout_4 = 0.0220*10-3 B

Iout_5 = -0.0135*10-3 B

Iout_6 = 0.0066*10-3 B

Iout_7 = -0.0017*10-3 B

Iout_8 = 0.0005*10-3 B

Iout_9 = -0.0082*10-3 B

Iout_10 = 0.0105*10-3 B

Рис. 11.1. Анализ общей схемы на влияние разброса компонентов

Соответствующие приведенные погрешности составят:

% (10.3)

% (10.4)

% (10.5)

% (10.6)

% (10.7)

% (10.8)

% (10.9)

% (10.10)

% (10.11)

% (10.12)

Проведенная серия экспериментов показывает, что ни в одном случаев из 10 вариаций номиналов пассивных компонентов схемы ИП основная погрешность преобразования не превысила допустимый предел (?доп = 0.5%). Таким образом, можно сделать вывод, что измерительный преобразователь соответствует заданному классу точности 0.5.

Для получения более полной картины влияния разброса номиналов пассивных компонентов на выходную характеристику ИП нужно обработать большее количество экспериментов (увеличить число запусков в меню Monte Carlo - Options).

В том реальном случае, если разброс номиналов пассивных компонентов приведет к ??> ?доп, необходимо будет пересмотреть процентный допуск применяемых пассивных элементов.

Проведенная серия экспериментов показывает, что ни в одном случаев из 10 вариаций номиналов пассивных компонентов схемы ИП основная погрешность преобразования не превысила допустимый предел (доп=0.5%).

Расчёт мощности ИП

Данная схема содержит восемь операционных усилителей мощностью по 120мВт, а также один источник опорного напряжения, мощность которого составляет 650мВт. Таким образом, данная схема ИП потребляет:

P=120мВт*8+650мВт

Р=1610мВт

Заключение

В курсовой работе был спроектирован и смоделирован в системе MICRO-CAP ЭВМ измерительный преобразователь на основе термопреобразователя сопротивления.

Данное устройство обладает следующими характеристиками:

1. Диапазон измеряемых температур: 300….400 oC

2. Рабочий диапазон температуры: 0….60 oC

3. Материал из которого изготовливается ТПС: Pt

4. Тип выходного сигнала: ток

5. Диапазон выходного сигнала: 0…5 мА

6. Класс точности ИП: 0.5%

7. Дополнительная погрешность ИП: не более 0.125

Данный ИП имеет возможность подстройки смещения и крутизны выходной характеристики, что говорит о возможности использования элементов с большим процентным допуском разброса номиналов.

Область применения данного ИП довольна широка, он может применяться везде, где необходимо измерение температуры данного диапазона, с вышеописанной точностью измерения.

Список используемой литературы.

ГОСТ 6651-94.

Программа моделирования электронных схем MicroCap.

Резисторы: Справочник. Под ред. И.И. Четверткова и Н.Я. Четвертковы - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и Связь, 1991 г.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. С.В. Якубовского. М.

Интегральные схемы: Операционные усилители. Справочник, том 1. - М.: Физмат, 1993 г.

Пейтон А., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Практическое руководство, пер. с англ., М.: Бином, 1994 г.

Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.-2-е изд., перераб. и доп.-Л.: Энергоиздат, 1988 г.

Хоровиц П., Хилл У. Искуство схемотехники. В 3-х томах. Пер с англ.- М.: Мир, 1993 г.

Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Сов. радио, 1979 г.

Приложение 1

Перечень элементов

Размещено на Allbest.ru