Задание по курсовой работе (тема 1) по дисциплине «Электроника»

Студента 3 курса Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Окишева Николая Александровича №__________________

(шифр)

Спроектировать преобразователь температура - напряжение с использованием операционных усилителей.

Исходные данные для расчета:

тип термистора С621/10k/+;

диапазон измерения температуры С: 0...+60;

диапазон выходного напряжения, В: 0...+5;

тип операционного усилителя: КР140УД20;

особенности включения датчика: удалённое расположение.

«_______» _______________2015г.	_______________________________
	(подпись выдавшего задание)

Введение:

Преобразователи температура - напряжение с использованием операционных усилителей используются для измерения температуры в системах контроля и автоматического управления технологическими процессами. Преобразователь, как правило, состоит из двух элементов: первичного преобразователя (датчика) и вторичного. В первичном преобразователе под действием какого-либо физического параметра изменяются его параметры, например, сопротивление, геометрические размеры и т.д. Далее сигнал первичной информации преобразуется вторичным преобразователем в сигнал измерительной информации: напряжение, ток, частоту. В качестве датчиков температуры в настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые терморезисторы: термисторы (термистор – это резистор, сопротивление которого меняется от температуры. Термисторы бывают двух типов: с положительным и отрицательным температурным коэффициентом. У терморезистора с положительным коэффициентом при повышении температуры сопротивление возрастает, а с отрицательным коэффициентом – уменьшается) и позисторы Это обусловлено высокой стабильностью их характеристик, малой потребляемой мощностью, малыми геометрическими размерами и низкой стоимостью. В качестве вторичных преобразователей распространение получили мостовые схемы Уитстона с термистором в одном из плеч измерительного моста и дифференциальным усилителем или схемы, построенные с использованием мостовых усилителей на операционных усилителях.

Операционный усилитель КР140УД20 (рис.1)— это двухканальный ОУ с раздельными выводами питания и большим коэффициентом усиления. Имеется защита от замыкания, а также внутренняя частотная коррекция.

Рис.1 Внешний вид операционного усилителя КР140УД20

в пластмассовом корпусе типа DIP.

1. Построение статической характеристики термистора.

Для построения зависимости сопротивления термистора от температуры воспользуемся нормализованной R/T-характеристикой термистора, предоставленной фирмой производителем. Т.к. R/T-характеристика приведена относительно температуры 25 °С, то для нахождения значения сопротивления в заданном диапазоне температур необходимо воспользоваться формулой:

Таблица 1- Параметры термистора (С621/10k/+).

T, °C	С621/10k/+
	R25 =10кОм
	В25/100=3530K
	RT / R25	,%/K
0	2,8222	4,5
5	2,2649	4,3
10	1,8300	4,2
15	1,4872	4,1
20	1,2161	4,0
25	1,0000	3,9
30	0,82677	3,8
35	0,68708	3,6
40	0,57401	3,5
45	0,48181	3,5
50	0,40638	3,4
55	0,34427	3,3
60	0,29296	3,2

где: R_T- значение сопротивления при температуре Т; - характеристика относительно температуры 25°С;

R₂₅ - сопротивление при температуре 25°С;

У термистора С621/10k/+ сопротивление R₂₅=10 (кОм).

Результаты вычисления сведём в таблицу:

Таблица 2- Зависимость сопротивления термистора от температуры.

T, °C	Rt/R25, кОм	RT, кОм
0	2,8222	28,222
5	2,2649	22,649
10	1,8300	18,3
15	1,4872	14,872
20	1,2161	12,161
25	1,000	10
30	0,8268	8,268
35	0,6871	6,871
40	0,57401	5,7401
45	0,4818	4,818
50	0,40638	4,0638
55	0,34427	3,4427
60	0,29296	2,9296

По полученным данным построим R/T-характеристику (рис.2):

Рис.2 R/T-характеристика термистора.

2. Выбор схемы и расчет преобразователя на основе операционного усилителя.

Для преобразования Rt сопротивления в напряжение используем мост Уитстона. Поскольку датчик температуры (термистор) имеет удаленное расположение, то применяем схему, показанную на рис.3.

Рис.3 Схема моста Уитстона с удаленным расположением датчика.

В этом случае к мосту Уитстона датчик подсоединяется с помощью трехпроводной линии связи, что позволяет скомпенсировать длину соединительных проводов, поскольку для измерительного резистивного моста при условии баланса выполняется соотношение:

R1 (Rt+R_L) = R3 (R2+R_L),

где R_L - сопротивление линии (соединительного проводника).

Поскольку сопротивления R_L включаются в противоположные плечи моста, то условие баланса не зависит от длины соединительной линии.

Балансировку мостового усилителя будем производить при T=0°C (R_T0=28.222 кОм)

Чтобы не использовать дополнительный источник питания используем U_пит =15 В.

Для того, что бы не выйти из диапазона выходного напряжения U_вых от 0 до +5, принимаем сопротивления резистивного моста R1=20 кОм и R2=6 кОм.

Тогда исходя из соотношения R₁R_T=R₂R₃ выражаем R3= = 94.1 кОм.

Поэтому для балансировки моста резистор R3 берется как подстроечный ,чтобы достичь нужного нам сопротивления. Напряжение на выходе моста Уитстона : U_{вых.мост}= E( )

Результаты вычислений сводим в таблицу:

Таблица 3- Зависимость выходного напряжения от сопротивлений резистивного моста.

T, °C	RT	Uвых.мост
0	28,222	0
5	22,649	0,550913
10	18,3	1,018788
15	14,872	1,413906
20	12,161	1,744438
25	10	2,020247
30	8,268	2,249752
35	6,871	2,440558
40	5,7401	2,598914
45	4,818	2,730722
50	4,0638	2,840397
55	3,4427	2,931979
60	2,9296	3,008521

Построим зависимости U_{вых.мост}=f(T) (рис.4)

Рис.4 Зависимость выходного напряжения моста Уитстона

от температуры.

Определим ток мостовой схемы.

I_м=U_пит/ R_общ= 0,0007316 А;

где R_общ = = 20504,196 (Ом) – общее сопротивление моста