Измерительная схема на основе полупроводникового резистора

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Казанский государственный технический  университет

 им. А. Н. Туполева

Институт  Автоматики и электронного приборостроения

Кафедра Приборов и информационно-измерительных  систем

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная записка

 к курсовой работе

по дисциплине: Электроника и микропроцессорная техника

на тему:

 

Измерительная схема на основе полупроводникового резистора.

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 3415

                                                                                                           _____________Матвеев А.Ю.

                                                                                                    Руководитель проекта:

                                                                                          проф. каф. ПИИС

                                                                                                            ______________Порунов А. А.

 

 

 

 

 

Казань 2011

Содержание.

1. Введение…………………………………………………………………….3

2. Исследование технической литературы…………………….………….....4

2.1 Патентное исследование………………………………………………...12

2.2 Обзор преобразователей, тем и их схем включения………………......16

2.3 Z-термисторы как новый класс температурных сенсоров……………17

2.4 Выводы по обзору технической литературы…………………………..21

3. Разработка структурной схемы устройства……………………………..22

4.Разработка  функциональной схемы устройства………………………...22

5. Разработка и расчет электрическая схема устройства……………….....23

6. Определение  и компенсация погрешностей схемы…………………….28

7. Разработка  методики настройки разрабатываемого  устройства………34

8. Выводы…………………………………………………………………….37

9. Список использованной литературы…………………………………….38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Введение

 

Измерение температуры  является одной из важнейших задач  в промышленности. Связано это с тем, что многие устройства да и сам человек могут функционировать только в определенном температурном диапазоне.

Температуру невозможно измерить непосредственно, для ее определения  необходимо установить температурную  шкалу: выбрать термометрическое вещество и физическое свойство, зависящие от температуры. Преобразующий элемент температурного датчика основан на определенном процессе, (физическом или химическом явлении) связанном с электрическими характеристиками устройства так, что изменение измеряемой величины влечет за собой изменение этих характеристик. Изменение электрических характеристик создает  электрический сигнал, зависящий от измеряемой величины.

Существует несколько  методов измерения температуры. Одним из них является метод на основе терморезистивного эффекта. Принцип работы датчиков основан на их свойстве изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение сопротивления оценивается величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТКС может быть положительным (при увеличении температуры величина сопротивления растет) и отрицательным. Величина ТКС характеризует чувствительность датчика.

Термисторы благодаря  небольшим габаритам быстро реагируют  на изменение температуры.  Небольшие  размеры приводят к тому что для самонагрева термисторам требуется небольшой ток. Следовательно, можно считать, что ток не влияет на точность измерений.

Целью данной курсовой работы является составление проекта датчика  на основе термистора то заданному  техническом заданию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исследование технической литературы

 

Измерить температуру  какого-либо тела непосредственно, т. е. так, как измеряют другие физические величины, например длину, массу, объем или время, не представляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определение температуры вещества производят посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, которое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль.

Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, но для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения. Исходя из этих свойств существуют следующие группы температурных сенсоров:

• Термометры расширения  (диапазон измерения -190-650⁰С)
• Манометрические термометры (диапазон измерения -160-600⁰С)
• Термометры сопротивления (диапазон измерения -200-650⁰С)
• Пирометры (диапазон измерения +190-3000⁰С)
• Термоэлектрические термометры (диапазон измерения -50-1800⁰С)

Термометры  расширения основаны на свойстве тел  изменять под действием температуры свой объем.

Манометрические термометры работают по принципу изменения давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме при нагревании или охлаждении этих веществ

Термометры сопротивления  основаны на свойстве металлических  проводников изменять в зависимости от нагрева их электрическое сопротивление.

Термоэлектрические термометры построены на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в паре (спае) термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая.

Пирометры работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, зависящей от температуры этих тел.

Рассмотрим подробнее  каждый из этих методов измерения  температуры.

Термометры  расширения.

Физическое свойство тел изменять свой объем в зависимости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство жидкостных стеклянных и дилатометрических термометров, которые появились очень давно и послужили для создания первых температурных шкал.

В жидкостных термометрах, построенных  на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ используются ртуть  и органические жидкости - этиловый спирт, толуол и др. Наиболее широкое применение получили ртутные термометры, имеющие по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями, существенные преимущества: большой диапазон измерения температуры, при котором ртуть остается жидкой, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из-за легкости ее получения и пр. При нормальном атмосферном давлении ртуть находится в жидком состоянии при температурах от -39 °С(точка замерзания) до 357 °С (точка кипения) и имеет средний температурный коэффициент объемного расширения 0.18·10^-3K^-1 .

Термометры с органическими  жидкостями ( ГОСТ 9177-59. Термометры стеклянные жидкостные (нертутные).) в большинстве своем пригодны лишь для измерения низких температур в пределах -190 -100 °С. Основным достоинством их является высокий коэффициент объемного расширения жидкости, равный в среднем 1.13·10^-3K^-1 , т.е. почти в 6 раз больший, чем у ртути.

Жидкостные термометры, изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противоположного конца, шкалы и защитной оболочки. Приращение в капилляре термометра столбика жидкости ∆h (мм) при нагреве резервуара от температуры t₁ до t₂ определяется по формуле:

где V₁ - объем жидкости в резервуаре при температуре t₁ мм³;  
α_ж и α_с - средние температурные коэффициенты объемного расширения жидкости и стекла, K^-1 ;  
d - внутренний диаметр капилляра, мм. 

Разность средних температурных  коэффициентов α_ж и α_с  называется средним температурным коэффициентом видимого расширения α_в жидкости в стекле, т. е.

Манометрические термометры.

Действие манометрических термометров основано на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. Указанные термометры являются промышленными показывающими и самопишущими приборами, предназначенными для измерения температуры в диапазоне до 600 °С. Класс точности их 1-2,5  (ГОСТ 8624-71 Термометры манометрические ГСП.)

В зависимости от заключенного в термосистеме рабочего вещества манометрические  термометры разделяются нагазовые, жидкостные и конденсационные. Выбор рабочего вещества роизводится исходя из заданного диапазона показаний и условий измерения.

Схема показывающего  манометрического термометра приведена  на рис. 1.

Рис. 1 Схема манометрического термометра.

Термосистема прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, погружаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины 2, воздействующей посредством тяги 3 на указательную стрелку 4, и капилляра 5, соединяющего пружину с термобаллоном.

Термобаллон представляет собой металлическую трубку, закрытую с одного конца, а с другого соединенную с капилляром. Посредством съемного штуцера 6 с резьбой и сальником термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и т. п. Возможна установка его и в защитной гильзе. При нагреве термобаллона увеличение давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает раскручивание последней до тех пор, пока действующее на нее усилие, пропорциональное разности давлений в системе и окружающем воздухе, не уравновесится силой ее упругой деформации.

Соединительный капилляр изготовляется из медной или стальной трубки с внутренним диаметром до 0,5 и толщиной стенки до 2,5 мм. Снаружи он защищен металлической оплеткой. Длина капилляра может достигать 40 м.

В качестве упругого элемента в термометрах применяются одно- и многовитковая трубчатые пружины (1), изготовленные из медного сплава.

Одновитковая пружина  выполняется из трубки овального  сечения, согнутой по окружности на угол 270°. Большая ось сечения трубки располагается параллельно оси окружности. Подвижный конец трубки наглухо закрыт, а неподвижный сообщается с измеряемой средой. Под действием внутреннего давления сечение пружины стремится принять форму круга, в результате чего она частично выпрямляется, вызывая при этом перемещение подвижного конца, соединенного с указательной стрелкой передаточным механизмом. Изменение давления в пружине вызывает пропорциональное перемещение стрелки.

Многовитковая пружина, выполняемая в виде плоской спирали, имеет в сечении сплюснутую окружность и содержит 3—4 витка. Принцип действия этой пружины тот же, что и одновитковой, но перемещение подвижного конца и создаваемый вращающий момент у нее значительно больше.

Манометрическим термометрам свойствен ряд погрешностей измерения. Кроме основной, вызываемой несовершенством работы пружины и передаточного механизма, эти приборы имеют также дополнительные погрешности: барометрическую, связанную с изменением атмосферного давления, температурную (у газовых и жидкостных термометров), возникающую при колебаниях температуры окружающего воздуха, и гидростатическую (у жидкостных и конденсационных термометров), появляющуюся при установке термобаллона и пружины на разных высотах.

По сравнению с ртутными термометрами существенными преимуществами манометрических термометров являются: автоматическая запись показаний, возможность установки прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря капилляру и большая механическая прочность. К недостаткам их относятся: невысокая точность измерения, большая инерционность вследствие значительных размеров термобаллона, а также трудность ремонта при нарушении плотности термосистемы.

Термоэлектрические  термометры (термопары).

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары. Однако, именно первое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, накладываемых самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирование ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.  
 
Главные преимущества термопар: 
 
- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков. 
- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом. 
- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.  
Недостатки термопар: 
- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС. 
- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.  
- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. 
- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей. 
- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала. 
- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.