Разработка и расчет принципиальной схемы

Ввиду сложности реализации данного  устройства бесконтактным методом, в качестве датчика температуры  будет выбран термоэлектрический преобразователь.

Градуировочная характеристика данного  преобразователя имеет нелинейный характер, поэтому для точного  отображения результатов измерений  необходимо ввести цепь коррекции, которая  будет обеспечивать требуемую точность.

Для контроля пределов измерения необходимо ввести цепь сигнализации нижнего и верхнего установленных уровней.

Цифровая индикация требует  применения аналого-цифрового преобразователя, преобразовывающего аналоговую величину в n - разрядный код, который будет поступать на семисегментные индикаторы.

 

3 Описание структурной и функциональной схем

 

На выходе датчика температуры  формируется напряжение, пропорциональное измеряемой температуре, которое поступает  на вход усилителя сигнала датчика  температуры, усиливающего сигнал до заданного  значения.

Полученный сигнал сравнивается с  сигналами источника опорного напряжения (ИОН) при помощи компаратора. Сигналы с компаратора через логический элемент управляют работой ключа. Ключ необходим для пропускания той или иной поправки на вычитающее устройство, вычитающее ее из измеренного напряжения.

Как упоминалось ранее, для индикации  используется аналого - цифровой преобразователь с выходом на семисегментный индикатор.

 Сигнализация верхнего и нижнего пределов измерения осуществляется с помощью компаратора, который сравнивает измеренное напряжение с напряжением, задаваемым оператором и подает на светодиоды.

Структурная схема приведена в  приложении КП. 080700498.00.00.00.CC.

Функциональная схема приведена в приложении КП. 080700498.00.00.00.ФС.

 

4 Разработка и расчет принципиальной схемы

 

Принципиальная схема измерителя температуры состоит из четырех блоков:

-блок измерений; 

-блок коррекции;

-блок индикации; 

-блок питания схемы; 

Схема соединений блоков приведена  в приложении                               КП.080700498.00.00.00.ССЕ.

Далее рассмотрен каждый из блоков в  отдельности.

 

4.1 Блок измерений

 

Блок измерений состоит из двух устройств: датчика температуры  и измерительного дифференциального  усилителя.

Принципиальная схема блока  измерений приведена в приложении КП.070700436.00.00.00.БИЗ.

 

4.1.1 Датчик температуры

 

В качестве датчика температуры используется термоэлектрический преобразователь типа ТВР (сплав вольфрам-рений), диапазон длительного измерения температуры которого составляет от 0 до 2200°С. Основными недостатками является нелинейность градуировочной характеристики, которая устраняется введением цепи коррекции, и обязательность температурной компенсации холодного спая (устранение данного недостатка выходит за рамки данного курсового проекта).

 

 

4.1.2 Измерительный дифференциальный усилитель

 

Усилителем  сигнала датчика температуры  является измерительный дифференциальный усилитель, схема которого приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Дифференциальный усилитель

 

Так как напряжение, поступающее  с термоэлектрического преобразователя, должно быть усилено с высокой  точностью, данный дифференциальный усилитель  собран на основе прецизионных операционных усилителей К140УД24, имеющих сверхмалый дрейф выходного напряжения.  

Усиленный и скорректированный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, который способен воспринимать значения, не превышающие 1999 милливольт.

Следовательно коэффициент усиления рассчитаем таким образом, чтобы значение на выходе дифференциального усилителя при температуре 1999°С, было равным 1999 милливольт.

Таким образом получим:

 

где - входное напряжение дифференциального усилителя при температуре 1999°С; 

 - выходное  напряжение дифференциального усилителя при температуре 1999°С;

  - коэффициент усиления.

 

 

Коэффициент усиления можно рассчитать по формуле:

 

 

Рассчитаем  уравнение при условии, что :

 

 

 

Значения  сопротивлений выбираются в соответствии с рядами Е6 и Е24.

 

4.2 Блок коррекции 

 

Данный блок выполняет функцию  коррекции нелинейности градуировочной характеристики термоэлектрического  преобразователя и предназначен для корректировки напряжения, поступающего с датчика температуры. 

Коррекция заключается в разбиении  градуировочной характеристики термопары  на интервалы, в каждый из которых  вносится соответствующая поправка (более подробно принцип рассмотрен в пункте 4.2.2).                               

Принципиальная схема блока  коррекции приведена в приложении КП. 080700498.00.00.00.БК.

 

4.2.1 Компаратор   

 

Компаратор необходим для сравнения измеренного напряжения с напряжениями, вырабатываемыми источником опорного напряжения. После сравнения сигнал, проходя через логический элемент, поступает на вход коммутирующего устройства. 

Сравнение происходит с тремя опорными напряжениями, следовательно, необходимо выбрать микросхему, имеющую как минимум три компаратора. Такой микросхемой является микросхема К1401СА1. Это счетверенный компаратор, работающий как с ТТЛ, так и КМОП логикой /3/. Схема представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Компаратор К1401СА1

Принцип действия: Опорные напряжения и подаются на входы 11 и 4 соответственно, ; измеренное напряжение подается на входы 5, 6, 9 и 10. Как только измеренное напряжение превысит одно из опорных на входах 4 или 8, либо станет ниже напряжений на входах 7 или 11, соответствующий компаратор выдаст сигнал единичного уровня.

 

4.2.2 Источник опорного напряжения

 

Так как градуировочная характеристика термопары имеет нелинейный характер, первым этапом расчета источника  опорного напряжения является выбор  идеальной характеристики, исходя из которой будет вноситься поправка.

На рисунке 5 представлена зависимость термо - ЭДС термоэлектрического преобразователя, усиленного измерительным дифференциальным усилителем, от температуры и допустимые отклонения от идеальной характеристики.

Рисунок 4.3 – Градуировочная характеристика датчика температуры

Согласно заданию, погрешность  измерения не должна превышать 2%, чему соответствует 40°С. Погрешность градуировочной характеристики превышает заданную в диапазоне  от 450 до 1850°С.

Вторым этапом расчета является определение количества опорных  напряжений. В диапазоне температур от 450 до 1500°С измеренное напряжение достаточно умножить на 0.915, в диапазоне от 1500 до 1850°С – на 0.956.

С учетом вышеизложенного можно  сделать вывод о том, что для  обеспечения требуемой точности измерений достаточно иметь три  опорных напряжения:

 

 

 

Третьим этапом расчета является непосредственный расчет ИОН. Схема данного устройства приведена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Источник опорного напряжения

В качестве стабилитрона используется прецизионный стабилитрон типа КС191Ф, имеющий следующие параметры:

 

 

 

С учетом того, что максимальное напряжение, которое необходимо получить - 1.85 В, а напряжение на выходе стабилитрона - 9.1В, в схему включен прецизионный операционный усилитель К140УД24, коэффициент усиления которого рассчитывается по формуле (4.1) и должен быть равным 0.198.

                                                                                                     (4.1)

Сопротивление определяется по формуле (4.2), сопротивления , , - по формуле (4.3):

                                                                                              (4.2)

                                        (4.3)

Решив данные уравнения, получим значения сопротивлений:

 

 

 

 

 

 

 

4.2.3 Логический элемент

 

Ввиду того, что для обеспечения требуемой  точности измерения достаточно вносить  две поправки, возникает необходимость объединения четырех выходов компаратора в два, которые будут служить управляющими сигналами для коммутирующего устройства.

В качестве логического элемента выступает  элемент И, на выходе которого будет  присутствовать уровень логической единицы только в том случае, когда  на оба его входа будут поданы единицы. В качестве логического элемента возьмем микросхему К155ЛИ5.

 

4.2.4 Ключ

 

Сигналы с выходов логических элементов являются управляющими сигналами для коммутирующего устройства. В качестве коммутирующего устройства используется коммутатор К590КН9, схема которого приведена на рисунке 4.5. Данная микросхема предназначена для пропускания измеренного напряжение на одну из корректирующих ветвей вычитающего устройства.

Рисунок 4.5 – микросхема К590КН9

 

4.2.5 Вычитающее устройство                                      

 

Вычитающее устройство необходимо для вычитания поправки из измеренного напряжения. Схема вычитающего устройства приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Вычитающее устройство

Измеренное напряжение в данной схеме поступает через делитель напряжения на неинвертирующий вход, поправки – на инвертирующий. Так как выходное напряжение равно измеренному, умноженному на 0.915, либо на 0.960, поправки должны быть равны 0.085 и 0.040 соответственно для первой и второй ветви.

Сопротивления определим из соотношения (4.4):

                                                                                                   (4.4)                                  

Решив данное уравнение, получим значения сопротивлений:

 

 

 

 

 

 

4.3 Блок индикации

 

Данный  блок осуществляет непосредственно  отображение измеряемого напряжения на семисегментных индикаторах и сигнализацию верхнего и нижнего пределов измерения, задаваемых оператором.

Принципиальная схема блока  индикации приведена в приложении КП. 080700498.00.00.00.БИН.

 

4.3.1 Аналого-цифровой преобразователь

 

Для визуального восприятия измеренной температуры возникает необходимость  в проектировании устройства, выполняющего функцию преобразования измеренного напряжения в цифровой код, который будет отображаться на индикаторах.

В качестве такого устройства выбрана  микросхема К572ПВ2. Это интегрирующий  АЦП на 3.5 десятичных разряда с  выходом на семисегментный индикатор АЛС324Б /6/.

 

4.3.2 Сигнализация верхнего и нижнего пределов 

 

Задание пределов измерения осуществляется регулировкой ручек потенциометров, с выводом задаваемой температуры  на семисегментные индикаторы. Схема регулировки показана на рисунке 4.7. Заданные пределы поступают на входы двух компараторов с открытым коллектором, где сравниваются с измеренным напряжением. Если измеренная температура превышает один из установленных пределов, соответствующий компаратор выдаст сигнал высокого уровня, который вызовет протекание тока через светодиод.

Рисунок 4.7 – Схема задания пределов измерений

 

В качестве компараторов в данном случае выбрана микросхема 521СА3. На первом из них осуществляется сравнение измеренной температуры с верхним пределом, на втором – с нижним. Выход каждого компаратора соединен со светодиодом, выполняющим функцию сигнализации.

Номинал сопротивлений рассчитывается таким образом, чтобы максимальное падение напряжения на потенциометрах составляло 2В, т.е. должно выполняться  условие:   

 

Таким образом, получим значения сопротивлений:

 

 

 

 

4.4 Блок  питания схемы

 

Структурная схема блока питания приведена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Структурная схема блока питания

 

Первым  этапом расчета является выбор трансформатора. Для  этого  необходимо  определить   количество питающих напряжений и величины потребляемых токов. В таблице 1 приведены данные для всех микросхем измерителя температуры.

 

Таблица 1

Микросхема	Количество	Uп,В	I∑пот,мА	Р∑,мВт
К140УД24	4	±5	14	70
К140УД17	1	±15	4	60
К1401СА1	1	+15	2	30
К590КН9	1	±15	0,6	9