Информация к КР

Общие сведения о датчиках температуры

Действие датчиков температуры основано на изменении сопротивления датчика от температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается сопротивление датчика при повышении температуры окружающей среды, различают датчики с положительным или отрицательным коэффициентами сопротивления (ТКС).

Металлические датчики температуры из никеля и платины всегда обладают положительным ТКС. Датчики на основе никеля и платины хорошо работают в температурном диапазоне -200  +800 С.

Изменение электрического сопротивления датчиков описывается формулой

, (1)

где - сопротивление датчика при С (или при 273С), - сопротивление датчика при температуре , - температурный коэффициент, который для платины () равен , а для никеля () - .

Сопротивления большинства датчиков выбирается равным 100 Ом. Они обозначаются в этом случае как или . Применяются также стандартно изготовленные датчики сопротивлением 500 Ом () и 1 кОм ().

Включение датчика в измерительную схему

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона).

На рисунке приняты следующие обозначения: G – измерительный прибор, R_Th – сопротивление датчика температуры, R_V - сопротивление уравновешивающего резистора, R_1M, R_2M – сопротивления резистивного делителя, I_S – ток питания моста, I_Th – ток, протекающий через датчик.

При равенстве R_1M=R_2M=R_V=R_Th ток через измерительный прибор протекать не будет, то есть мост будет сбалансирован. Измерительный прибор должен быть высокоомным, чтобы ток I_G, протекающий между точками 1 и 2, был незначительным по сравнению с током I_Th, протекающим через температурный датчик.

Изменение температуры приведет к разбалансу моста. То есть между точками 1 и 2 возникнет разность потенциалов

.

При выборе сопротивлений моста следует учитывать, что ток I_S питания моста должен быть малым, чтобы не вызвать дополнительного нагревания резистора R_Th. Нагрев резистора R_Th может привести к ошибке измерения из-за погрешности самонагрева. Погрешность самонагрева зависит от мощности , подводимой к температурному датчику, величины отводимого от него тепла и приборной постоянной ЕК, называемой коэффициентом самонагрева. Обусловленное самонагревом повышение температуры рассчитывается по формуле

,

где T₁ и T₂ – значения температуры при наличии и отсутствии измерительного тока соответственно, Р – подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах)

, (2)

ЕК – коэффициент самонагрева (mBT/C).

Пример расчета схемы с измерительным мостом

Допустим, что измерительная схема, содержащая мост Уитстона и измерительный усилитель на операционном усилителе (ОУ) в дифференциальном включении, имеет следующий вид.

Допустим, что при 0С все сопротивления моста R_1M=R_2M=R_V=R_Th=100 Ом. Коэффициент ЕК для Pt-100 (W60/24) равен 4mВ/C. То есть при изменении температуры на 1 С рассеиваемая датчиком мощность увеличивается на 4 mВт.

Допустим необходимо произвести измерения с погрешностью не более 0,25С. В этом случае рассеиваемая мощность, обусловленная протекающим через датчик током при сбалансированном мосте, по сравнению с ЕК должна быть в 4 раза меньше. Из формулы (2) имеем:

=.

Следовательно через датчик должен протекать ток, не превышающий 3mA. Поскольку ток I_S разветвляется на две составляющие, протекающие через равноценные по сопротивлению ветви моста, через добавочное (токоограничительное) сопротивление R^* будет протекать ток, равный 6mA. Зная I_S, можно рассчитать величину R^*.

,

где R_ЭКВ.М – сопротивление между точками 3 и 4.

Напряжение, пропорциональное измеряемой температуре, с моста поступает на измерительный усилитель на ОУ. Резисторы R₁, R₂, R₃, R₄ следует выбрать такими, чтобы ток, протекающий через R₁ и R₃ составлял от тока, протекающего через температурный датчик R_Th. Коэффициент усиления напряжения в ОУ выбрать таким, чтобы при нижней измеряемой температуре диапазона на выходе ОУ оно равнялось 0 вольт, а на верхней температуре не выходило из допустимого диапазона выходного напряжения ОУ.

Для того, чтобы определить величину напряжения, формируемого мостом с датчиком Pt-100 при изменении температуры от 0 до 100 С, необходимо рассчитать сопротивление R_t датчика при температуре 100 С по формуле (1).

.

Зная величину , можно выбрать значения сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄.

Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. М.: Мир, 1989. 196 с.

Основы расчета многоканальных устройств сбора информации

В многоканальных системах съема информации с временным разделением каналов каждый канал на определенное время подключается к общей схеме сбора. Схематично такую процедуру циклического подключения четырех каналов (датчиков) можно иллюстрировать следующим рисунком.

Для формирования временных интервалов длительностью t необходимо частоту некоторого опорного колебания с помощью счетчика (делителя частоты) поделить в необходимое число раз. Допустим, что требуется получить интервал времени, равный 10mc, используя частоту опорного колебания F_ОП=1,2 МГц.

Для формирования частоты опорного колебания можно использовать различные схемы генераторов. Рассмотрим одну из них.

Резистор R1 обеспечивает задание рабочей точки первого каскада генератора (усилителя на логическом элементе DD1.1). В качестве элемента DD1 выбрана схема К155ЛН1. Для нормальной работы DD1.1 величину сопротивления R1 следует выбирать из диапазона 180 Ом – 470 Ом.

Значение генерируемой данной схемой частоты можно рассчитать по следующей формуле:

. (3)

Допустим величина R1 выбрана равной 300 Ом. Используя формулу (3) для заданной частоты вычислим величину С1.

.

Значение емкости должно соответствовать одному из стандартного набора (шкалы емкостей). Выберем ближайшее по величине к рассчитанному С1=910 пф.

Рассчитаем частоту генератора для выбранных R1=300 Ом и С1=910 пф.

.

Относительная погрешность формирования опорной частоты составит

.

Если в дальнейшем требуемый временной интервал будет получен путем деления опорной частоты в целое число раз, то точность задания временного интервала будет соответствовать точности установки частоты опорного колебания. В случае, когда полученная точность не превышает требуемой, выбранные параметры можно оставить без изменения. В противном случае следует уточнить значения либо резистора, либо конденсатора. Значения номиналов выбрать в соответствии со шкалой, определенной ГОСТом.

Для того, чтобы получить интервал времени 10mc следует определить необходимый коэффициент деления частоты К_Д.

Поскольку требуемый интервал равен 10mc, его можно получить, поделив опорную частоту делителем ДЧ до частоты 100Гц. Коэффициент деления вычисляется по формуле:

.

Указанное деление частоты можно получить, если последовательно соединить четыре счетчика с коэффициентами пересчета 10, 10, 10 и 12.

В качестве делителей частоты на 10 и 12 можно выбрать счетчики К155ИЕ2 и К155ИЕ4. Принципы работы указанных микросхем описаны в книге Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1989. 352 с.

Помните, что у этих микросхем (как и у всех других) наряду с сигнальными выводами имеются и выводы подключения источников питания.

Общая схема многоканальной системы сбора информации

Пятиканальную систему сбора информации можно упрощенно представить следующей структурной схемой.

Механизм работы данной системы следующий. Первичные измерительные приборы ПИП, установленные в каждом из каналов сбора информации, представляют собой в простейшем случае измерительные мосты Уитстона. Напряжение пропорциональное измеряемой температуре усиливается измерительными усилителями ИУ, установленными в каждом из каналов, и передается на сигнальные входы аналогового мультиплексора MS. Частота и последовательность подключения каналов к выходу мультиплексора определяется последовательностью кодов, поступающих на управляющие входы мультиплексора. Коды управления формируются на выходе делителя частоты с коэффициентом деления 5. На вход данного делителя поступает частоты , формируемая делителем частоты ДЧ из частоты опорного генератора G.

В качестве схемы мультиплексора можно выбрать схему 8-канального мультиплексора КР590КН1. Описание работы данной схемы (достаточно поверхностное) приведено в книге Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь. 1990. 496 с.

При применении данной схемы следует учитывать, что сопротивление аналоговых ключей в открытом состоянии в ней достигает значения 500 Ом, а диапазон коммутируемых ею напряжений 5 В.

Для того, чтобы выдержать нагрузочную способность системы сбора информации на выходе мультиплексора включен усилитель У, выполненной на ОУ. Общий коэффициент передачи сигнала в канале должен иметь точность, определенную заданием.