Таблица Варианты и характеристики датчика неэлектрических величин

Введение

Терморезисторы прямого подогрева с отрицательным ТКС предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным температурным коэффициентом сопротивления. ММТ-8 в интервале температур от --50 до +50° С поддерживают стабильность сопротивления всей цепи с точностью ±2%.

Терморезисторы типа ММТ-8 состоят из шайб, скрепленных болтом и заключенных в металлический корпус с лепестковыми выводами. Корпус внутри заполнен специальным компаундом. Эти терморезисторы применяют главным образом в электроизмерительных приборах высокой точности для температурной компенсации.

1. Обзор о датчиках температуры и анализ исходных данных

Терморезистивные термодатчики

Терморезистивные термодатчики -- основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры. Разработаны они были впервые для океанографических исследований. Основным элементом является терморезистор -- элемент изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.

Несомненные преимущества термодатчиков этого типа это долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем.

Например датчик 702-101BBB-A00, диапазон измерения которого от -50 до +130 °С. Этот датчик относиться к группе кремневых резистивных датчиках.

В зависимости от материалов используемых для производства терморезистивных датчиков различают:

1. Резистивные детекторы температуры(РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.

2. Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.

3. Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

Полупроводниковые.

В качестве примера полупроводникового датчика температуры возьмем LM75A. Диапазон измерений этого датчика от -55 до +150.

Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) дает возможность реализовать довольно точный датчик.

Достоинства таких датчиков -- простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Все это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.

Термоэлектрические (термопары).

Термоэлектрические преобразователи -- иначе, термопары. Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) - нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.

Термопара ДТПКХХ4 измеряет температуры в пределах от -40 до +400. Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от используемых в них материалов. Например, термопары из неблагородных металлов - до 1100 °С. Термопары из благородных металлов (платиновая группа) - от 1100 до 1600 градусов. Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам). Как правило используется в комплекте с милливольтметром, а свободный конец (конструктивно выведенный на головку) удален от измеряемой среды с помощью удлиняющего провода. Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность. Наиболее распространенным способом применения термопар являются электронные термометры.

Пирометры.

Пирометры - бесконтактные датчики, регистрирующие излучение исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

Различают три вида пирометров:

1. Флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.

2. Интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей - контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.

3. Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии. В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.

Акустические.

Акустические термодатчики - используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных). Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется и приемник после получения сигнала считает эту скорость.

Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.

Пьезоэлектрические.

В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.

Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока(прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.

На что необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры

1. Температурный диапазон.

2. Можно ли погружать датчик в измеряемую среду или объект? Если расположение внутри среды недопустимо, то стоит выбирать акустические термометры и пирометры.

3. Каковы условия измерений!? Если используется агрессивная среда, то необходимо использовать либо датчики в корозийнозащитных корпусах, либо использовать бесконтактные датчики. Кроме того, необходимо предусмотреть другие условия: влажность, давление и тд.

4. Как долго датчик должен будет работать без замены и калибровки. Некоторые типы датчиков обладают относительно низкой долговременной стабильностью, например термисторы.

5. Какой выходной сигнал необходим. Некоторые датчики выдают выходной сигнал в величине тока, а некоторые автоматически пересчитывают его в градусы.

6. Другие технические параметры, такие как: время срабатывания, напряжение питания, разрешение датчиков и погрешность. Для полупроводниковых датчиков, важным также являет тип корпуса.

Терморезисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти выводы терморезисторов могут быть использованы только в сухих помещениях. Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис.) смонтированы в металлический корпус 6 и герметизированы. Они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрессивной по отношению к корпусу. Герметизация осуществляется стеклом 8 и оловом 9. Стержень 5 в терморезисторе типа ММТ-4 обернут металлической фольгой 4. Токоотвод 7 выполнен из никелевой проволоки. Эти терморезисторы выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1 до 200 кОм (при 20 °С) и могут быть использованы для работы в диапазоне температур от -100 до 129°С.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников менять электрическое сопротивление при изменении температуры. В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используют только чистые металлы: платину в виде тонкой проволоки диаметром 0,05- 0,07 мм для измерения температур до 630°С и медь, никель или железо в виде проволоки диаметром 0,1 мм для измерения температур 100-150 °С.

Существуют следующие способы намотки материала термометров сопротивления:

- на стеклянную пластинку в целях сохранности элемента, имеющего остроугольные вырезы по бокам, расстояние между зубцами которых равно 0,5-1 мм;

- на стеклянную трубку в целях сохранности элемента его заключают в тонкостенную пружинящую металлическую трубку с асбестовыми подушками;

- на слюдяную или фарфоровую крестовину.

Наиболее широко применяют платину и медь.

Термометры сопротивления используют в приборах контроля и автоматического регулирования температуры. В них, кроме чувствительного элемента, есть источник тока и измерительный мост.

терморезистор температура ток электрический

Рисунок - Пример конструкции ММТ-8

I = 10 мА

Епит = 15В

R0 = R1= 1000 Ом

R1+ R2 =

R2 = - R1 =

R2 = R3 = 500 Ом

,

,

Рисунок (Зависимость от )

Rmin = 876.5 Ом

Rmax = 1206.5 Ом

Rmax - Rmin = 1206.5 - 816.5 = 390 Ом

R = R0 - = 1000 - 390 = 610 Ом

Uвых = -

Uвых1 = = -3.25 B

Uвых2 = = -2.95 B

Uвых3 = = -2.64 В

Uвых4 = = -2.35 B

Uвых5 = = -2.07 B

Uвых6 = = -1.79 B

R1=816.5 Om

R2=887.14Om

R3=961.46 Om

R4=1039.46 Om

R5= 1121.14Om

R6=1206.5 Om

Схема вольтметра

Схема усилителя

Для усиления сигнала датчика напряжение U подается на вход схемы, построенной на ОУ с дифференциальным входом (рис.2). В этой схеме UВЫХ = m(UВХ 2 - UВХ 1) = mUВХ.ДИФ., если R1 = R2; R3 = Roc. Здесь m = R3/R2 = Roc/R1 - дифференциальный коэффициент усиления схемы, а UВХ.ДИФ.- дифференциальное входное напряжение ОУ, равное выходному напряжению U измерительного моста, так как UВХ 1 = U1 и UВХ 2 = U2.

Коэффициент усиления этой схемы находится из выражения

где К - коэффициент переменного резистора KR.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала схемы находится из выражения:

Коэффициент передачи синфазного сигнала:

По известным значениям UВХ.ДИФ и диапазону изменения выходного сигнала ИУ можно определить пределы изменения коэффициента усиления схемы ИУ от KU. МАКС до KU. МИН:

Здесь UВЫХ. МАКС. соответствует верхнему пределу диапазона изменения выходного сигнала ИУ, равному 1 В, а UВЫХ. МИН. - нижнему.

Далее выбираем номиналы резисторов для схемы ИУ (рис.) так, чтобы входные токи ОУ были малыми.

Обычно значения сопротивлений входных резисторов схемы (R1, R2) берут высокими в пределах десятка кОм, чтобы не нагружать входы ОУ.

Значения сопротивлений обратной связи RОС, R3, как правило, на порядок выше. Для обеспечения высокого значения КОСС сопротивления резисторов R, R1, R2, а также резисторов RОС, R3 выбирают равными с точностью k = 5% (из ряда Е24 номиналов сопротивлений резисторов).

По заданной точности можно найти

Затем можно определить пределы изменения коэффициента К (от КМИН до КМАКС) переменного резистора КR, исходя из требуемой глубины регулирования коэффициента усиления схемы ИУ от КU.МАКС до КU.МИН:

Далее можно определить пределы изменения сопротивления переменного резистора КR по выражению: KMINR<KR<KMAXR.

Резистор KR можно построить из двух частей.

Одна из них является постоянным резистором с сопротивлением KMINR, а другая - переменным с сопротивлением KMAXR - KMINR.

После расчета сопротивлений постоянной и переменной частей резистора KR необходимо выбрать номиналы этих резисторов из справочника с точностью k = 10% (из ряда Е12).

Далее можно найти нижнюю границу входного сопротивления ИУ по выражению

и затем проверить найденное значение по условию задания на КР. Далее следует найти нижнюю границу КОСС ИУ (при KMAX) по выражению:

Наконец, необходимо определить наибольший уровень синфазной помехи на выходе ИУ (выходную синфазную ошибку при K МАКС) UВЫХ. СФ. МАКС по выражению:

синфазное напряжение на входе ИУ СФВХUT , ИУТ , определяется по выражению: UВХ. СФ. = (UВХ 2 - UВХ 1)/2.

Расчеты

Uвых=m(Uвх2-Uвх1) = mUвх.диф.

Uвх1= U1; Uвх2 = U2

m = = 1

Uвых=U2- U1 = 0.963B

KОСЛ.СФ = (1+ m)*

k = = 5%

KОСЛ.СФ = (1+ m)* = 40

RВХ=RВХ.ОУ*KОУ

RВХ.ОУ = 500 Ом

KОУ = 7000

RВХ=500*7000 = 3500кОм

KU = = (1+ )*m = 1+ = 1

KОСЛ.СФ = (1+)*(1+m)* = (1+*2* =0.1

KСФ = = 10

KUМАКС.= = =

KU

2. Расчет измерительного усилителя

2.1 Обоснование схемы ИУ

Для построения датчика была выбрана следующая схема (рисунок )

Рисунок Схема измерительного преобразователя

Характеристики операционного усилителя К140УД8.

Физическая величина-температура вещества, в которую погружен терморезисторы, переводится в электрический вид при помощи датчика ММТ 8. Она снимается с измерительного моста, в одно плечо которого включен датчик. После снятия этой величины с моста она поступает на оба входа операционного усилителя DA на котором собран дифференциальный усилитель, смысл работы которого заключается в усилении разности сигналов на его входах. Благодаря этому измерительный преобразователь можно считать защищенным от помех и шумов, так как синфазные сигналы не усиливаются. Для увеличения надежности в схеме, на каждом из входов дифференциального усилителя присутствует повторитель напряжения, который обладает очень большим входным сопротивлением.

Данный ОУ доступен в нескольких корпусах. Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности, имеющие на выходе полевые транзисторы с p-n переходом и p-каналом, с внутренней частотной коррекцией и малыми входными токами. Корпус К140УД8 типа 301.8-2, масса не более 1,5 г., КР140УД8 типа 2101.8-1, масса не более 1 г. Схемы балансировки ОУ показаны на рисунке.

Рисунок Схема балансировки ОУ

Назначение выводов КР140УД8:

1,5 - балансировка;

2 - вход инвертирующий;

3 - вход неинвертирующий;

4 - напряжение питания -Uп;

6 - выход;

7 - напряжение питания +Uп;

Uвых = m(Uвх2 - Uвх1) = mUвх.диф.

Uвх1 = U1; Uвх2 = U2

m = = 1

Uвых = U2 - U1 = 10 - 8.2 = 1.8 B

KОСЛ.СФ = (1+ m)*

k = = 5%

KОСЛ.СФ = (1+ m)* = 40

RВХ = RВХ.ОУ* KОУ

RВХ.ОУ = 500 Ом

KОУ = 7000

RВХ =500*7000 = 3500 кОм

KU = = (1+ )*m = 1+ = 1

KОСЛ.СФ = (1+)*(1+m)* = (1+*2* =0.1

KСФ = = 10

K U МАКС. = = = =5.56

K U МИН. = =

КMIN = =

КMAX = =

R ВХ МИН = RВХ.ОУ* = 0.17

KОСЛ.СФ = ( = 0.7

Uвых.сф.макс = UВЧ.СФ.* = UВЧ.СФ.* = 9 B

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы я освоил работу с операционными усилителями, измерительными мостами, термопреобразователями сопротивления. Рассчитал и смоделировал на компьютере схему измерительного преобразователя который состоял из первичного термопреобразователя, измерительного моста, повторителя, дифференциального усилителя и преобразователя напряжение-ток. В итоге получилось устройство которое в зависимости от изменения температуры от 0 до 50 градусов выдает на выходе ток в пределах от 0 до 10 мА.

С помощью операционного усилителя К140УД8, терморезистора ММТ 8, построечных резисторов данное устройство можно собрать на печатной плате.

Список литературы

1. Мелешкин Ю.А., Лысенко О.В. Линейные цепи с операционными усилителями. Учебн. пособ. Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 2007г.

2. Фолкенберри Л. Применение ОУ и пинейных интегральных схем: Пер. с англ. М.- Мир, 2010.

3. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 2004.-790с.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устойствах.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.

5. Резисторы. Справочник под редакцией Четверткова И.И.-М.: Энергоатомиздат. 2011.

6. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. Справочник под ред. Кучинского Т.С.-М.: Энергоатомиздат, 2007.

7. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник; Под ред. Г.С. Найвельта.-М.: Радио и связь, 2006.

Размещено на Allbest.ur