Автоматическая компенсация температуры свободных концов термопары

Рисунок 8. Термокомпенсация на основе ИДТ с токовым выходом серии  AD590. В схеме применяется термостабильный источник опорного напряжения AD580.

Аналогичные серии ИДТ с токовым и потенциальным выходом производятся компанией NationalSemicondutor [5]. Имеются отечественные аналоги этих микросхем [6].

• 1.2 Мостовая схема термокомпенсации

 

В таких схемах в качестве датчика температуры  применяют термосопротивления. Наиболее распространенный способ подключения  термосопротивления как датчика  температуры – включение его  в одно из плеч измерительного моста. На Рисунке 9показана мостовая схема термокомпенсации.

В этой схеме мост уравновешивается при некоторой температуре свободных концов, принятой за нормальную температуру (согласно заданию – это 25 ⁰С, т.е., середина температурного диапазона). При отклонении температуры от нормальной мост разбалансируется. Напряжение U_ABв диагонали AB, отличное от нуля из-за разбалансировки, подается на выход и добавляется к напряжению U(T_гор,T_хол), генерируемому термопарой.

 

Рисунок 9. Термосопротивление R_tвключено в плечо неуравновешенного измерительного моста.

 

Напряжение  в измерительной диагонали моста U_ABопределяется цепочками делителей R₁, R_t и R₂, R₃. Будем заранее считать, что в условиях равновесия все четыре сопротивления моста соответствуют номиналу 100 Ом (один из стандартов для металлических термосопротивлений). Тогда при отклонении от равновесия малые изменения напряжения

 

ΔU_AB = ,

 

где α – температурный коэффициент терморезистора (в долях на градус),  
β – температурный коэффициент термопары по холодным концам (в Вольтах на градус), U–напряжение на диагонали подачи питания,  
ΔT– малые изменения температуры холодных концов (градусы).

 

Отсюда вытекает соотношение, задающее напряжение питаниямоста:

 

U = 4β/α.

 

Для термопары типа ТХК в соответствии с НСХ при температурах в диапазоне 15 ⁰С –  35 ⁰С температурный коэффициент β≈40 мкВ/град[8]. Типичный температурный коэффициент термосопротивленияα≈0,005град^-1. Следовательно, напряжение питания U≈30 мВ. Отсюда понятно, что мост лучше питать источником тока I≈0,3 мА, а не источником напряжения. При напряжении источника питания E=10 В (Рисунок 9) внутреннее сопротивление источника тока, образованное суммой сопротивлений r₁, r₂,r₃,получаетсяпорядка30 Ком (ниже это значение уточняется).Разбивка суммарного сопротивления на три части r₁, r₂,r₃необходимадля общего позиционирования моста по уровню потенциала и точной подстройки по току.

 

 

 

2. Расчетная  часть

• 2.1 Расчет параметров схемы термокомпенсации с помощью ИДТ

 

Параметры схемы термокомпенсации полностью  задаются делителем на резисторах R1 и R2, который определяет величинутермокомпенсирующей добавкинапряжения.Резисторы R1 и R2 в схеме на Рисунке 8 должны удовлетворять двум требованиям:

• при номинальной температуре (25 ⁰С) добавка напряжения точно компенсирует отличие сигнала термопары от того уровня, который был бы при температуре холодного спая, равной 0 ⁰С;
• на краях температурного диапазона (15 – 35 ⁰С) добавка напряжения должна обеспечивать компенсацию с минимальной погрешностью (очевидно, если сигнал термопары линейно зависит от температуры холодных концов, то  погрешность будет нулевая; ненулевая погрешность возникает из-за нелинейности).

 Рассчитаем  растекание токов. Для этого  запишем уравнения Кирхгофа (с учетом направления токов I1 и I2, показанных на Рисунке 8):

 

-I1·R1 + I2·R2 = V_out

 

I1 + I2 = I

 

Решение этой системы линейных уравнений  имеет вид:

 

I1=(V_out +I∙R2)/(R1+R2);

 

I2= (V_out+I∙R1)/(R1+R2).

 

Падение напряжения на резисторе R1 (компенсирующая добавка)

 

ΔU = I1·R1=(V_out +I∙R2).

 

Сопротивление R2 находится из условия равенства компенсирующей добавки нулю при температуре 0 ⁰С:

 

R2 = V_out / (ΔI·273),

 

где ΔI–шаг изменения тока на 1⁰ К (в данном случае – 1мкА на 1⁰ К). При V_out = 2,5ВполучаемR2 = 9,16 КОм, что в точности соответствует среднему значению R2на Рисунке 8. Таким образом,это сопротивление от типа термопары не зависит.

СопротивлениеR1находится из другого условия: в соответствии с НСХ термопары, притемпературе середины диапазона(25 ⁰С) добавка напряжения должна точно компенсировать отличие сигнала термопары от того уровня, который был бы при температуре холодного спая, равной 0 ⁰С. Для термопары типа L(хромель /копель) эта добавка ΔU составляет  
1,619 мВ[8].  Из этого получаем

 

R1= ΔU/(ΔI·25)= 1,619·10^-3/(10^-6·25) =64,76 (Ом).

 

Это отличается от значения, приведенного на Рисунке 8, но там речь идет о термопаре  другого типа (типа К).

Найдем, каково будет изменение компенсирующего напряжения на краях температурного диапазона (15 – 35 ⁰С) по отношению к температуре середины диапазона (на ±10 ⁰С от центра диапазона): 

ΔU≈(ΔI·10)·R1 = 0,6476(мВ).

 

По таблице, приведенной в [8], на нижнем пределе (15 ⁰С) это изменение должно быть равно  -0,656мВ,а на верхнем пределе (35 ⁰С), соответственно, +0,667мВ. Максимальное различие (на верхнем пределе) составляет около  0,02мВ, что при чувствительности термопары около 0,04мВ/град соответствует ошибке в 0,5 ⁰Сивполне укладывается в требования задания.

• 2.2. Расчет мостовой схемы термокомпенсации

 

В мостовой схеме (Рисунок  9) все  сопротивления мостаR взяты одинковымии равными100 Ом, что совпадает с номиналом медного термосопротивления при температуре 0 ⁰С. Это обеспечивает уравновешенность моста при температуре 0 ⁰С. Выбор суммарной величины сопротивлений r = r₁+r₂+r₃опреляется требованием, чтобы, в соответствии с НСХ термопары, приращение напряжения в диагонали моста ABпри температуре середины диапазона  (25 ⁰С) точно компенсировало отличие сигнала термопары от того уровня, который был бы при температуре холодного спая, равной 0 ⁰С. Для термопары типа L(хромель /копель) эта добавка ΔU_ABдолжна составлять 1,619 мВ[8].  С точностью до первого порядка малости изменения величины термосопротивления ΔR/Rи отношения сопротивлений R/r

 

ΔU_AB≈  ¼E (R/r)( ΔR/R) = ¼E(ΔR/r)

 

Отсюда получаем

 

r =

 

Для медного  термосопротивления с номиналом 100 Ом увеличение сопротивления при изменении температуры от 0⁰Сдо25 ⁰С составляет [9]

 

ΔR = 10,70 Ом,

так что при E= 10 Всуммарная величина сопротивлений   
 
r = r₁+r₂+r₃= 16,52 КОм

 

При этом измерительный ток, потребляемый мостом, не превосходит рекомендуемого в  [9] ограничения в 1мА, связанного с ограничением термосопротвления по саморазогреву.

Измеренине наприжения на измерительной диагали моста(рис.9)

Здесь  E=10В;  r=16.52 мОм

Для  Т=25⁰С  уже расчитано, 1,619 мВ

По тоблице для термосопротивления(медь)[9] изменение сопротивления для

Т=15⁰С       

Т=25⁰С       

Т=35⁰С       

Соответственно;

При Т=15⁰С       

При Т=25⁰С     

При Т=35⁰С     

Разносты:

По таблице для термопары эти разности должны быть, соотвественно , для

Т=15⁰С         

Т=35⁰С         

Отклонение (на верхном пределе) не превышает 0,02мВ=20мкВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные  в расчётах результаты вполне соответствуют условиям, поставленным в задании к курсовому проекту. Расчет сделан для компенсации температуры холодного спая термопары. В ходе курсового проекта много нового узнали про термопары. Мы компенсировали  температуру холодного спая термопары с помощью ИДТ и мостовой схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические  измерения и приборы М.: Высшая школа, 1989. — 456 с.

http://zi.zavantag.com/download/docs-276735/119-276735.doc

2.Е.К. Шевцов, Методические  указания к курсовому проекту  по дисциплине:

«Технологические измерения  и приборы», Мариуполь, ПГТУ, 1997 – 41 с.

3. Walt Kester, James Briant, Walt Jung.Перевод и обработка Андрея Асташкевичаи Александра Фрунзе. Датчикитемпературы.Перевод 7 главыучебника “Practical Design Techniques For Sensor Signal Conditioning”, фирма «Analog Devices». В журнале«Основы схемотехники», 2000 г., №3. http://www.platan.ru/shem/pdf/dat_temp2.pdf.

4. User’s Guide. AD590 Temperature sensors.2-Terminal IC Temperature Transducer AD590.http://www.omega.com/manuals/manualpdf/M0287.pdf

5. Евгений Иванов.  Интегральные  датчики температуры NationalSemiconductor. http://www.rlocman.ru/i/File/2007/08/08/16-19.pdf

6. Температурные датчики с линейной  зависимостью выходного напряжения от температуры К1019ЕМ1 .http://electronlab.ru/pi/products_id/135779.

7. Analog Devices. A Two-Terminal IC Temperature Transducer AD590.

http://www.jameco.com/Jameco/Products/ProdDS/241939AD.pdf .

 

8.ГОСТ Р.  8.585―2001. Государственный стандарт Российской Федерации.ТЕРМОПАРЫ Номинальные статические характеристики преобразования.

http://www.complexdoc.ru/ntdpdf/550093/gsi_termopary_nominalnye_staticheskie_kharakteristiki_preobrazovaniya.pdf

 

9. ГОСТ 6651-2009. Межгосударственный стандарт. Термопреобразователи сопротивления  из платины, меди и никеля.http://www.skbpa.ru/publish/gost_6651_2009.pdf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТАНДАРТЫ

 

1. ГОСТ 25276-82 Полимеры. Метод  определения вязкости ротационным  вискозиметром при определенной  скорости сдвига

2. ГОСТ 2.105-95МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ   
Единая система конструкторской документации  
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕКСТОВЫМ ДОКУМЕНТАМ

3. Ип 02.00-06/08 Положение Работы выпускные квалификационные, проекты и работы курсовые. Правила оформления. КемТИПП, Кемерово 2008.

 

4. ГОСТ Р. 8.585―2001. Государственная  система обеспечения единства

Измерений. ТЕРМОПАРЫ. Номинальные  статические характеристики

Преобразования. База нормативной документации: www.complexdoc.ru