Измерительная схема на основе полупроводникового резистора

Рис 3.

Напряжение  питания Uп необходимо установить несколько большим (0,3–0,5 В), чем напряжение, соответствующее температуре нижнего предела предполагаемого температурного диапазона. В соответствии со схемой, Z-термистор зашунтирован ёмкостью С и в момент включения питающего напряжения начинается её заряд по цепи Rн–С (рис. 1). При этом внутреннее сопротивление Z-термистора велико и составляет сотни кОм (участок вольтамперной характеристики 0-1, рис. 4).

Рис. 4.

При заряде ёмкости  С до величины напряжения Uпор происходит переход Z-термистора в состояние с малым внутренним сопротивлением (сотни Ом) (точка 2 на рис 4), и ёмкость С начинает разряжаться через Z-термистор. Когда заряд ёмкости и, соответственно, напряжение на Z-термисторе уменьшится до величины удерживающего напряжения Uуд (напряжение на Z-термисторе, при котором протекающий через него ток становится меньше Iпор), Z-термистор переходит в исходное состояние, и процесс повторяется. Для перевода Z-термистора из состояния с большим внутренним сопротивлением в состояние с малым внутренним сопротивлением требуется воздействовать на него некоторой энергией, равной в общем случае сумме энергии электрического поля xЕ, пропорциональной падению напряжения на Z-термисторе Uпор, и тепловой энергии xT, определяемой его нагревом, то есть x = xЕ + xT. Для каждого конкретного типа Z-термистора энергия x является постоянной величиной и, следовательно, при увеличении температуры его переход из одного состояния в другое происходит при меньшем значении xЕ или, что то же самое, при меньшем значении Uпор(рис.4). В нашем случае напряжение на Z-термисторе определяется величиной заряда ёмкости С, следовательно, переход из состояния 1 в состояние 2 произойдёт при меньшем значении её заряда (Uпор1 < Uпор) (рис. 3 ). Таким образом реализуется генерация импульсов пилообразной формы, частота следования которых определяется температурой при постоянном напряжении питания Uп.

Рис.5.

На рис. 5 показана типовая зависимость частоты следования выходных импульсов f от температуры T при трёх значениях ёмкости С на примере Z-термисторов типа TZ-5 и TZ-12. Здесь дан наиболее употребительный диапазон температур — от +20 до +100°С. С увеличением температуры частота выходного сигнала растёт. При этом, частотный диапазон, в зависимости от величины используемой ёмкости С и нагрузочного резистора Rн, может изменяться в широких пределах — от десятков Гц при низких температурах до десятков кГц при высоких. Это даёт возможность пользователю самостоятельно выбирать наиболее приемлемые для него пределы изменения частоты выходного сигнала путём выбора соответствующих пара метров Rн–С цепи. Стабильность частоты во всём диапазоне температур 20-100°С не хуже 0,3-0,5%.

Рис.6.

На рис. 6 показана зависимость амплитуды выходных импульсов от температуры, также на примере Z-термисторов TZ-5 и TZ-12. С увеличением температуры амплитуда выходных импульсов падает, что согласуется с вышеописанным процессом изменения частоты (рис. 3).

Крутизна падения  амплитуды выходных импульсов при  увеличении температуры зависит от параметров цепи Rн–С.

Расширение  функциональных возможностей Z-термисторов  за счёт использования дополнительной ёмкости позволяет говорить о  создании нового класса термочувствительных  приборов, а именно, термочувствительных  автогенераторов. Весьма важным обстоятельством является то, что у Z-термистора, работающего в указанном режиме, сохраняется пороговая функция, то есть начало процесса генерации Z-термистором частотно-импульсного сигнала можно задавать при определённой (требуемой) температуре установкой соответствующего напряжения питания. Область применения таких автогенераторов может быть весьма обширной, например, при использовании диапазона звуковых частот выходного сигнала можно строить датчики пожарной сигнализации (60 или 90°С), температурной тревоги для медицины (35-42°С), температурного контроля в автомобилестроении, авиации и любой другой области, где требуется высокоточное определение и поддержание температуры в заданных пределах в диапазоне -50+100°С. Среди многих преимуществ этого класса температурных сенсоров перед известными, например, общеизвестными п/п термисторами типа NTС, следует в первую очередь отметить следующие:

• более высокая чувствительность;
• положительный коэффициент температурной зависимости (с увеличением температуры частота выходного сигнала растёт);
• частотно-импульсный вид выходного сигнала с регулируемым параметрами Rн и С диапазоном частот от десятков Гц до десятков кГц;
• большая амплитуда выходного сигнала (от единиц до десятков Вольт, в зависимости от типа Z-термистора и температурного диапазона);
• на порядок меньшее токопотребление;
• функционально (физически) присущая пороговая функция.

Эти преимущества позволяют строить на основе Z-термисторов  более высокочувствительные и экономичные  системы контроля и регулирования температуры в гораздо более простом схемотехническом и конструктивном исполнении. То есть в данном случае не требуется применять мостовые схемы включения на входе, использовать усилители для повышения чувствительности и улучшения помехозащищённости на выходе термистора. Не требуется применять генераторы импульсов или АЦП для приведения выходного сигнала к виду, удобному для его дальнейшего использования в контрольно-измерительных системах.

 

 

 

 

2.4 Выводы

В результате патентной  проработки темы курсовой работы мы выяснили,  что среди существующих аналогов проектируемого устройства есть как более простые так и более сложные и многофункциональные модели, отвечающие различным целям и реализованные с помощью различных средств и методов. В связи с спецификой поставленной задачи, реализовать которую призвано проектируемое устройство абсолютно схожих схем обнаружено не было. Было выяснено, что для данного в техническом задании диапазона температур наиболее подходят термометры сопротивления. Преимуществами данных преобразователей являются: Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,01 °C, возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений, практически линейная характеристика. Среди терморезисторов приоритетными являются полупроводниковые терморезисторы так как обладают целым рядом преимуществ на металлическими.

Стоит отметить, что рассмотренные выше Z-термисторы существенно превосходят остальные терморезистивные  сенсоры, но из за собственной специфики и сравнительно недавнего появления их использование пока ограниченно из за недостатка схем включения.

 Также в результате исследования было выяснено, что мостовые схемы включения терморезисторов имеют ряд преимуществ над остальными. Наиболее удовлетворяет техническому заданию в плане схожести схем включения патент номер GB 1222379  (A).

 В результате патентной проработки были выбраны указанные ниже структурная и функциональная схемы устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Структурная схема устройства

На рис. 7 представлена структурная схема устройства для измерения температуры жидкости разработанная по результатам патентно-реферативного поиска в соответствии с техническим заданием.

Рис. 7. Структурная схема устройства для измерения температуры жидкости.

 Процесс измерения происходит следующим образом: изменение температуры влечет за собой изменение сопротивления терморезистора Rt, сопротивление изменяется на величину ΔR. Терморезистор включен в ЭИС(электронную измерительную схему) и изменение его сопротивления влечет за собой изменение выходного напряжения ЭИС. В результате получаем выходной сигнал ΔU, который в свою очередь поступает по параллельным каналам на выход устройства, на устройство индикации и устройство сигнализации. Устройство индикации выдает значение температуры, устройство сигнализации выдает сигнал если температура превышает 50⁰ С.

4. Разработка функциональной схемы устройства

На рис. 8 представлена функциональная схема устройства для измерения температуры жидкости разработанная на основе структурной схемы в соответствии с техническим заданием. Схема состоит из самоуравновешивающегося моста, преобразователя “напряжения-ток”, стабилизатора тока, устройства сигнализации. Стабилизатор тока служит для стабилизации тока J₀ подаваемого на самоуравновешивающийся мост.

 

 

Рассмотрим  работу термистора в схеме самоуравновешивающегося моста.

Рис. 9 Термистор в схеме самоуравновешивающегося моста.

Рассмотрим  работу терморезистора в схеме самоуравновешивающегося моста.  Пусть температура среды уменьшилась. Это приведет к увеличению сопротивления терморезистора, а, значит, и к уменьшению потенциала точки А. В результате выходное напряжение операционного усилителя DA1 будет увеличиваться до тех пор, пока потенциал точки А не сравняется с потенциалом общей шины схемы.  Увеличение выходного напряжения DA1 приведет к увеличению потенциала точки Б, то есть к увеличению напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя DA2. В результате выходное напряжение операционного усилителя DA2 уменьшится и, следовательно, увеличится ток I_m. Это вызовет увеличение тока I₂, то есть увеличение падения напряжения на сопротивлении R₂ и, следовательно,  уменьшение потенциала U_Б.  Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока потенциалы точек А и Б не сравняются.

 Напряжение Ut пропорциональное температуре с выхода самоуравновешивающегося моста поступает по параллельным каналам на выход устройства, на преобразователь  “напряжения-ток” и на компаратор. На выходе преобразователя “напряжения-ток” получаем сигнал пропорциональный температуре, который регистрируется миллиамперметром. На компараторе сигнал Ut сравнивается  Uo и если сигнал Ut превышает Uo(соответственно Т>50⁰C) то загорается светодиод. Резистор R5 служит для настройки моста.

5. Разработка принципиальной схемы устройства и расчет

 

На рис. 10 представлена принципиальная схема устройства, разработанная на базе структурной и функциональной схем, в соответствии с ТЗ.

 

 

Схема работает следующим образом: в описанной  ранее последовательности за изменением температуры следует изменение  сопротивление терморезистора R_t, что влечет за собой изменение напряжения на выходе самоуравновешивающегося моста Ut, сигнал с моста поступает по параллельным каналам на выход устройства, на инвертирующий вход операционного усилителя DA3, и на инвертирующий вход DA4. В цепь обратной связи DA3 включен миллиамперметр, с которого снимается ток пропорциональный температуре. На DA4 напряжение Ut сравнивается с опорным напряжением U₀ и если превышает его сигнал поступает на светодиод VD1 и тот загорается.

Произведем  расчет схемы, исходные данные для расчета представлены ниже:

Диапазон измеряемых температур от 0⁰С до 50⁰С.

Выходное напряжение  U_вых=t⁰C×0.1[В].

Допустимая  погрешность перегрева 0.2⁰С.

Максимальный  ток, который может отобразить миллиамперметр: 2мА.

Характеристики  терморезистора СТ1-17:

Номинальное сопротивление  при 20⁰С: 1кОм.

Постоянная  В: 4500К.

Характеристики операционного усилителя К544УД1А:

Максимальное  выходное напряжение: 12В.

Максимальный  выходной ток: 3мА.

Напряжение  смещения: 20мВ.

Номинальное напряжение светодиода L-3004HD: 2.25В.

Включим в схему  выбранный по результатам патентного поиска полупроводниковый  терморезистор СТ1-17 с номиналом 1кОм при температуре +20⁰С (В таблице 2 представлены значения при различных температурах диапазона измерений).

Выходное напряжение самоуравновешивающегося моста  имеет вид.

U_вых. = - J₀

R₁₀

Где

,Rt+R₃=F

Так как выходное напряжение по заданию должно линейно  зависеть от измеряемой температуры, то для расчета элементов необходимо использовать критерий линейности. Известно, что выходное напряжение будет наиболее линейно зависеть от температуры, если оно имеет точку перегиба при средней температуре из заданного диапазона измерения. Это можно записать следующим образом:

Так как ток J₀ и сопротивление R₁₀ от температуры не зависят, то вторую производную можно находить только от выражения, равного:

Дифференцируя его по температуре, получаем:

                                     = .                                         

В дальнейшем от этого выражения нужно взять  производную и приравнять ее к  нулю. Но величина (R₃ + α) от температуры не зависит, взяв производную от получаем, что R₃ надо выбирать из условия:           

Рассчитаем R₃

Сейчас можно  определить ток, которым питается схема. Для увеличения чувствительности схемы  его желательно увеличивать. Однако это приведет к разогреву терморезистора, и, следовательно, к увеличению погрешности  перегрева. Поэтому, величину тока необходимо находить по допустимой погрешности перегрева. Учитывая выражения:

 , .

J₀

 

Запишем:

Отсюда, величина тока, питающего схему, определится  выражением: