Градуювання термоелектричних термометрів виконується при температурі вільних кінців 0 оС.
Для вимірювання високих температур використовують термопари типів ТПП, ТПР і ТВР. Термопари із благородних металів (ТПП і ТПР) використовують при вимірюваннях з підвищеною точністю. В інших випадках використовують термопари із неблагородних металів (ТХА, ТХК).
2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ
Цифровий вимірювальний прилад (ЦВП) автоматично виробляє дискретні сигнали вимірювальної інформації, показання якого представлені в цифровій формі, тобто перетворює безперервну в часі і по розміру вимірювану величину в цифровий код. Цей процес, який включає в себе дискретизацію, квантування і кодування безперервної вхідної величини, називають аналого-цифровим перетворенням, а вимірювальний перетворювач, який автоматично здійснює цей процес і виробляє дискретні сигнали вимірювальної інформації про числове значення вхідної величини, - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Цей перетворювач покладений в основу класифікації цифрових вольтметрів. Серед яких: АЦП з час-імпульсним перетворенням; АЦП з частотно-імпульсним перетворенням та ін.
Виходячи із поставленої умови задачі (не обумовлені завадостійкість, швидкодія; велика похибка) вибираємо відносно простий АЦП - з час-імпульсним перетворенням.
В цих АЦП вхідна напруга Ux послідовно перетворюється в пропорційний їй часовий інтервал, а потім часовий інтервал tx - в цифровий код. Перетворення напруги в пропорційний часовий інтервал здійснюється або за допомогою допоміжного генератора лінійно змінюваної напруги, або за допомогою інтегрування вимірюваної напруги. Вибираємо АЦП з генератором лінійно змінюваної напруги, структурна схема і часові діаграми роботи якого наведені на рисунку 2.1.
У момент часу t0 запускається генератор лінійно змінюваної напруги G1, що виробляє пилоподібний сигнал UГ , який подається на входи компараторів А1 і А2, які почергово спрацьовують у моменти часу t1 і t2 .
При переході напруги UГ через рівень нуля (момент часу t1 ) спрацьовує компаратор А2 і на його виході формується імпульс “Старт”, який по S-входу встановлює в одиничний стан тригер Т.
2
1
a)
t2
t1
“Старт”
t
“Стоп”
Tx
3 t
Т0 = 1/f0
4 t
5 t
б)
Рисунок 2.1 – Структурна схема (а) і часові діаграми роботи (б) вольтметра час-імпульсного перетворення
Рівнем логічної одиниці відкривається схема співпадання SW й імпульси опорної частоти fo з виходу генератора G2 надходять на вхід лічильника СТ. Напруга UГ на виході генератора G1 зростатиме доти, доки не дорівнюватиме Ux. Момент рівності UГ = Uх(t2) фіксує компаратор А1 шляхом формування на своєму виході сигналу “Стоп”. Сигналом “Стоп” по R-входу тригер обнуляється і тим самим закривається схема співпадання. Процес вимірювання напруги Uх закінчується.
Таким чином, на виході тригера формується імпульс довжиною
Тх = Ux / v , (2.1)
де v - швидкість зміни напруги UГ .
Цей імпульс з виходу тригера відкриває схему співпадання на час Тх ,
й імпульси опорної частоти поступають на лічильник.
Число підрахованих імпульсів
N = f0×Tx = . (2.2)
Таким чином, число імпульсів, що пройшли на лічильник, пропорційне Uх і статична характеристика цього АЦП є лінійною (рисунок 2.2).
Nx
N = .
Ux
Рисунок 2.2 – Статична характеристика АЦП
При f0/v = 10n, де n – ціле число, множник f0/v можна врахувати відповідним положенням коми на цифровому відліковому пристрої або вказівкою одиниці вимірювання (В, мВ, мкВ).
Похибка квантування
, (2.3)
а залежність похибки квантування від вимірюваної величини є нелінійною (рисунок 2.3).
d
d =F(Ux).
Рисунок 2.3 – Залежність похибки квантування від вхідної величини
3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА
Виходячи з аналітичного огляду вимірювальних перетворювачів температури (див.розділ 1) та умови завдання на розробку (точність вимірювання невисока 5%, діапазон вимірювання від 600 до 1000 оС) вибираємо для реалізації цифрового термометра термопару типу ТХА і включаємо після підсилення в коло цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення.
Розрахунок параметрів схеми.
Термо-е.р.с. термопари типу ТХА при 100 оС робочих кінців має
Uр.к = 4,1 мВ (при tр.к = 100 оС).
Тоді, виходячи з умови (600 ÷ 1000 оС) матимемо напругу від 24,6 мВ до 41 мВ.
Для роботи цифрових мікросхем необхідна напруга до 5 В. Тому термо-пару включаємо в коло підсилювача з коефіцієнтом підсилення k = 1000.
Виходячи з (2.2) можна записати рівняння перетворення
N = (3.1)
Визначимо час вимірювання Твим і частоту f0 виходячи із умови
Твим = Тх.
Задамося швидкістю зміни напруги UГ
v = 10 В/c .
Тоді за формулою (2.1)
Тх = Ux / v = 4,1/ 10 = 0,41 c.
Знаходимо частоту генератора G2 із (2.3)
f0
Частіше вибирають генератор з частотою f0 = 100 Гц.
Визначимо максимальне значення коду Nx з рівняння перетворення (2.2)
Nx = =
Знайдемо розрядність n необхідну для реалізації двійкового лічильника.
D = lоg2 Nx ≈ 6.
ВИСНОВКИ
В курсовій роботі розроблено цифровий термометр, який дозволяє вимірювати температуру в діапазоні від 600 до 1000 оС.
В якості вимірювального перетворювача вибрано термопару типу ТХА.
Для аналого-цифрового перетворення (АЦП) використано цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення. Описано його роботу і проведено розрахунок основних параметрів.
Наведено рівняння перетворення.
Розраховано частоту генератора зразкової частоти, розрядність двійкового лічильника.
Розроблено функціональну схему цифрового термометра.
ЛІТЕРАТУРА
1 Поджаренко В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсових робіт. Вінниця: ВДТУ, 2000 – 65с.
2. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп’ютерно- вимірювальна техніка. –Київ : НМК ВО, 1991.
3. Основы метрологии и электричесике измерения: Учебник для вузов / Б.Я.Авдеев, Е.М.Антонюк, Е.М.Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина.-Л.: Энерго-атомиздат, 1987. - 480 с.
4. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С.Полищука.-К.:Вища шк. Головное изд-во, 1984.-359 с.
Страницы: 1, 2
