Зміст
Завдання на курсову роботу
Введення
1. Побудова графіка функції E = f (t)
1.2 Ідеальна лінійна характеристика
2. Точність перетворення і лінійність
3. Роздільна здатність АЦП
4. Лінеаризація НСХ перетворювача
5. Вибір і обгрунтування принципу роботи вузла АЦП
6. Визначення часу перетворення вимірювального
перетворювача
7. Структурна схема вимірювального перетворювача
Висновок
Список літератури

Завдання на курсову роботу

1. Вихідні дані:
1) тип датчика - термопара: ТХА (К);
2) діапазон температури - від 600 до 1100 ° С;
3) вхідний сигнал - термо-е.р.с. (ГОСТ 6616-94 (ГОСТ Р50342-92), ГОСТ Р8.585 - 2001 (ГОСТ 3044-84));
4) вихідний сигнал - двійковий код, пропорційний температурі;
5) клас точності - 0,25;
6) час реакції датчика на зміну температури - більше 10 сек.;
7) гальванічне розділення між вхідними і вихідними колами.
2. Завдання:
1) побудувати графік функції E = f (t),
де E - термо-електрорушійна сила (термо-е.р.с.) термопари (мВ);
t - температура (° С);
2) побудувати пряму, що сполучає крайні точки заданого діапазону температури, тобто ідеальну лінійну характеристику перетворення по температурі;
3) визначити максимальну в заданому діапазоні температури похибка нелінійності характеристики і зробити висновок про необхідність лінеаризації, виходячи із заданого класу точності з урахуванням запасу по похибки не менше 20% від заданого (0,25);
4) визначити роздільну здатність (розрядність) аналого-цифрового перетворення з урахуванням лінеаризації, враховуючи, що максимальна похибка перетворювача відповідно до ГОСТ 8.009 «Метрологічні характеристики засобів вимірювання» не повинна перевищувати ± 5 квантів (одиниць молодшого розряду);
5) визначити число ділянок лінеаризації, що забезпечують задану точність перетворення, і запропонувати варіант лінеаризації НСХ перетворювача по температурі будь-яким способом (кусково-лінійна апроксимація, пряме перетворення за допомогою ПЗУ, інше);
6) вибрати і обгрунтувати принцип роботи вузла аналого-цифрового перетворення;
7) розробити структурну (функціональну) схему вимірювального перетворювача, вказавши основні функціональні вузли з урахуванням особливостей вимірювання температури датчиком-термопарою (е.р.с. низького рівня, компенсація температури вільних кінців). Скласти опис пристрою і принципу дії вимірювального перетворювача по структурної (функціональної) схемою: функціональне призначення і необхідність у складі приладу кожного вузла схеми.

Введення

В даний час широко використовується перетворення аналогових сигналів в цифрову форму, що пов'язано з тим, що дані, представлені в цифровому вигляді легко обробляти за допомогою існуючих обчислювальних пристроїв і реалізовувати дешеві системи обробки і передачі даних. Перетворюючи в цифрову форму за допомогою АЦП такі аналогові величини, як температура, тиск, швидкість, звук, можна реалізувати різні пристрої обробки даних, що відрізняються високою якістю роботи при малій вартості і простоті.
У зв'язку з тим, що зараз існує широкий вибір різних інтегральних схем, що поєднують в одному кристалі всі необхідні функціональні вузли для побудови високоякісних та ефективних систем обробки різних фізичних параметрів, то це дозволяє ввести цифрову обробку сигналів будь-якому розробнику, який її потребує.
Не маловажним є різні датчики, які потрібні для вимірювання різних даних де деколи людині бути не судилося. Одними з них є датчики вимірювання температури або просто термодатчики. Розрізняють такі види датчиків:
1. Рідинні термометри. Рідинні термометри засновані на принципі зміни обсягу матеріалу, з якого зроблений датчик (зазвичай це спирт або ртуть), при зміні температури навколишнього середовища.
2. Механічні термометри. Термометри цього типу також за тим же принципом, що і рідинні, але в якості датчика зазвичай використовується металева спіраль.
3. Електричні термометри. Принцип роботи електричних термометрів грунтується на зміні опору провідника при зміні температури навколишнього середовища.
Електричні термометри більш широкого діапазону засновані на термопарах (контакт між металами з різною елетроотріцательностью створює контактну різницю потенціалів, яка залежить від температури). Найбільш точними і стабільними в часі є термометри опору на основі платинового дроту або платинового напилення на кераміку. Найбільшого поширення набули PT100 (опір при 0 ° С - 100Ω) PT1000 (опір при 0 ° С - 1000Ω) (IEC751). Температурний діапазон -200 +800 ° С.
4. Оптичні термометри. Оптичні термометри дозволяють реєструвати температуру завдяки зміні рівня світності, спектру та інших параметрів при зміні температури.
Всі термодатчики мають нелінійну залежність вихідного сигналу від температури (крім тих, що були створені за допомогою інтегральних мікросхем).
У цій роботі представлений процес створення вимірювального перетворювача для датчика термопари. Розглянемо термопару ТХА (K).

1. Побудова графіка функції E = F (t)

Для побудови НСХ - номінальною статистичної характеристики (залежність термо-е.р.с. Термопари ТХА (К) від температури) використовуємо дані ГОСТ 3044-84 «Перетворювачі термоелектричні. Номінальні статичні характеристики »(табл. 1).
Таблиця 1
Побудуємо графік НСХ термопари ТХА (К) для діапазону температур від +600 до +1100 єС з кроком 10єС, користуючись програмою Microsoft Excel.


Рис.1. Графік залежності термо-е.р.с. від температури для датчика ТХА (К)

1.2 Ідеальна лінійна характеристика

З курсу математики задаємося рівнянням прямої виду
:
- Е _поч і Е _кон присвоюємо значення і відповідно;
- T _поч і t _кон присвоюємо значення і відповідно.






Рис.2. Відхилення НСХ від ідеальної прямої

2. Точність перетворення і лінійність

Точність враховує похибки квантування, нелінійності вхідних ланцюгів і формувачів, похибки виробничої налаштування, шум і короткочасний дрейф параметрів. Існують два різновиди визначення точності: абсолютна і відносна точність.
Абсолютна точність - це відношення дійсного вихідної напруги перетворювача, що відповідає повній шкалою, до його розрахунковому значенню.
У АЦП абсолютна точність визначається трьома видами похибок: внутрішньо властивою перетворювачів дискретної похибкою (± Ѕ одиниці молодшого розряду) або похибкою квантування, аналогової похибкою, зумовленої низькою якістю елементів схеми (вона зазвичай визначається як відносини повної похибки у відсотках до всього сумарному вхідного сигналу) , і апертурной похибкою.
Похибка лінійності або нелінійність можна визначити як максимальне відхилення будь-який з цих дискретних точок від прямої лінії, проведеної через крайні точки характеристики перетворення. Ці крайні точки встановлюються споживачем у процесі калібрувальної налаштування.
Відносна похибка в АЦП - це максимальне відхилення вихідних цифрових кодів від прямої лінії, проведеної через нуль і точку, відповідну повній шкалі.
Нелінійність перетворювача - це відхилення від прямої лінії, проведеної через крайні точки характеристики перетворення для заданого діапазону роботи.
У нашому випадку пряма, що сполучає дві крайні точки робочого діапазону датчика 600 і 1100 єС, є ідеальною лінійною характеристикою перетворення.
З графіків (рис.1, рис.2) видно, що максимальне відхилення характеристики датчика від ідеальної прямої з'являється в значенні шкали 850 ° С і складає 0,309.
Таке ж значення підтверджують математичні обчислення в програмі Microsoft Excel (із значень ідеальної лінійної характеристики віднімаються значення НСХ датчика ТХА (К)).
Відносна похибка - це різниця між номінальним і дійсним відносинами аналогової величини, що відповідає заданим цифрового вхідного сигналу, до повної шкалою, незалежно від калібрування останньої.
Максимальна відносна похибка нелінійності (у%) в діапазоні температур від 600 до 1100 єС, визначається за формулою (1):
або (1)
де
- Значення ідеальної лінійної характеристики перетворення для температури 850 єС;
- Значення термо-е.р.с. НСХ термопари ТХА (К) для температури 850 єС;
- Діапазон значень термо-е.р.с. НСХ термопари ТХА (К) для крайніх точок характеристики перетворення.
Отже, максимальна відносна похибка нелінійності (у%) складе:

Наш вимірювальний перетворювач повинен забезпечувати клас точності 0,25. Також вимірювальний перетворювач повинен забезпечувати запас по похибки, який повинен бути не менше 20%., Тобто 20% від 0,25 становлять 0,05 і тоді точність перетворення повинна бути краще 0,2 (0,25 - 0,05 = 0,2).
У нашому випадку максимальна похибка нелінійності становить 1,53%, що більше необхідної (0,2%), тому необхідно провести лінеаризацію для забезпечення заданого класу точності вимірювання температури датчика ТХА (К).

3. Роздільна здатність аналого-цифрового перетворення

Роздільна здатність перетворювача є найменший рівень вхідного аналогового сигналу (для АЦП), для якого виробляється вихідний цифровий код, і найменший вхідний цифровий код (для ЦАП), для якого утворюється рівень вихідного аналогового сигналу. На практиці корисна роздільна здатність перетворювача часто виявляється менше зазначеної, оскільки вона обмежується через впливу шуму, температури і факторів часу.
Для визначення значення корисної роздільної здатності вимірювального перетворювача з заданою точністю застосуємо формулу:

де
- Корисна роздільна здатність перетворювача;
- Потрібне значення класу точності перетворювача (0,2).
Таким чином, корисна роздільна здатність (розрядність) аналого-цифрового перетворення повинна бути краще 500 одиниць (квантів).
Відповідно до ГОСТ 8.009 «Метрологічні характеристики засобів вимірювання» максимальна похибка перетворювача не повинна перевищувати ± 5 квантів (одиниць молодшого розряду), тому роздільна здатність аналого-цифрового перетворення буде дорівнює:

де
- Значення роздільної здатності аналого-цифрового перетворення;
- Корисне значення роздільної здатності;
- Максимальна похибка перетворювача (± 5 квантів).
Таким чином, роздільна здатність аналого-цифрового перетворення повинна бути не гірше 12 розрядів (2 ¹² = 4096> 2500).
При необхідності лінеаризації, на неї треба додатково 2 розряду, тоді значення роздільної здатності аналого-цифрового перетворення буде:

Таким чином, роздільна здатність аналого-цифрового перетворення повинна бути не менше 14 розрядів.

4. Лінеаризація НСХ перетворювача

Для досягнення необхідної точності перетворення використовують лінеаризацію НСХ термоперетворювача. На практиці широке розповсюдження отримав метод лінеаризації за допомогою кусково-лінійної апроксимації. У цьому методі вихідну функцію представляють ламаної кривої, зменшуючи тим самим число точок характеристики, значення яких необхідно тримати в пам'яті обчислювального пристрою, відповідно при цьому зменшуються вимоги до обчислювальному пристрою, що здешевлює вартість всієї системи і спрощує її.
Ми також будемо використовувати метод кусково-лінійної апроксимації. Для цього розділимо вихідну НСХ термоперетворювача на кілька ділянок, у кожному з яких НСХ представляється прямим відрізком, що з'єднує крайні точки характеристики НСХ.
У першому наближенні число необхідних ділянок лінеаризації можна визначити за формулою (5)
, (5)

де
- Число ділянок лінеаризації;
- Максимальна похибка лінеаризації (%)
- Необхідна точність перетворення (0,2)
Отже,
= 1,53 / 0,2 = 7,65 8 ділянок.
Таким чином, у першому наближенні, для відповідності перетворювача класу точності 0,25, вихідну НСХ термоперетворювача необхідно розділити на 8 ділянок.
При такому числі ділянок кусково-лінійна апроксимація неефективна, а використання ПЗП для прямого перетворення вихідного коду АЦП в значення температури дозволяє просто реалізувати відповідність перетворювача класу точності 0,25 для діапазону температур від 600 до 1100 ° С.
Значення необхідної ємності ПЗУ знайдемо за формулою:

де
- Число вхідних значень для ПЗУ;
- Розрядність вхідних даних з АЦП;
- Довжина коду АЦП (у байтах).
У нашому випадку N = 14 розрядів, довжина вихідного коду d = 2байта (14біт/8біт).

5. Вибір і обгрунтування принципу роботи вузла аналого-цифрового перетворення

По суті аналого-цифрові перетворювачі або перетворять аналоговий вхідний сигнал (напруга або струм) в частоту або послідовність імпульсів, тривалість якої вимірюють для забезпечення відображає цифрового сигналу, або, щоб отримати цифровий вихідний сигнал, порівнюють вхідний сигнал з змінним опорним сигналом, використовуючи внутрішній ЦАП .
Існує три провідні способу перетворення, заснованих на принципі вимірювання тимчасового інтервалу: перетворення напруги в частоту, метод з пилкоподібним напругою і метод лінійного інтегрування. На методі порівняння грунтуються схеми послідовного наближення, паралельні та модифіковані паралельні схеми.
В основному знаходять застосування 2 основних типи АЦП: двотактний інтегруючий АЦП і АЦП послідовного наближення. Кожен з них перетворює вхідну напругу в цифровий код, пропорційний вхідному напрузі.
При виборі принципу роботи вузла аналого-цифрового перетворення будемо враховувати наступні фактори:
- Точність перетворення;
- Швидкість перетворення;
- Стабільність точнісних характеристик перетворювача в часі;
- Вартість перетворювача;
- Гальванічне розділення вхідних і вихідних ланцюгів.
Розглянемо всі ці фактори:
1) із завдання відомо, що час реакції датчика на зміну температури становить більше 10 секунд - можемо застосувати низкоскоростной АЦП;
2) вимоги до точності перетворення - 14 розрядний АЦП;
3) вартість перетворювача - якомога дешевше;
4) стабільність точнісних характеристик перетворювача в часі - з плином часу перетворювач повинен забезпечувати високу якість перетворення без необхідності частої калібрування споживачем;
5) практично всі АЦП дозволяють реалізувати гальванічне розділення між вхідними і вихідними колами, відмінності будуть лише в технічній реалізації і вартості обраного рішення.
Цим вимогам відповідають інтегруючі АЦП, які мають додаткові переваги в порівнянні з АЦП послідовного наближення: мінімальне число необхідних точних компонентів, високу завадостійкість, відсутність диференціальної нелінійності, низьку вартість.
Недоліком таких АЦП є великий час перетворення, обумовлене прив'язкою періоду інтегрування до тривалості періоду живильної мережі. У нашому випадку вимоги по швидкодії АЦП дозволяють застосувати даний вид АЦП.

Малюнок 3. Спрощена схема двотактного інтегруючого АЦП
Розглянемо принцип роботи двотактного інтегруючого АЦП.
У першому такті циклу перетворення виробляється інтегрування - накопичення інтеграла від деякого вхідного сигналу, а потім в другому також виконується операція «разінтегрірованія» - зчитування накопиченого інтеграла шляхом подачі на вхід інтегратора іншого вхідного сигналу (опорного). Діаграма зміни напруги Uі на виході неінвертірующего інтегратора при реалізації принципу двотактного інтегрування показана на рис. 4. У першому такті тривалістю Т ₁ напруга Uі змінюється від деякого початкового рівня (в окремому випадку від нуля) до значення Uм. У другому такті тривалістю Т ₂ відбувається зворотне зміна Uі - від Uм до вихідного рівня. Накопичення інтеграла (протягом Т ₁₎ відбувається при подачі на вхід інтегратора напруги Uвх.і = U _1, а зчитування (Т ₂₎ - при подачі напруги Uвх.і = U _2.

Рис. 4. Діаграма зміни інтеграла при реалізації принципу двотактного інтегрування
Сумарне прирощення інтеграла за цикл інтегрування дорівнює нулю, тому можна записати
U ₁ T ₁ U ₂ T ₂
------ + ------- = 0,
τ τ

де
τ - постійна часу інтегратора.
Звідси видно, що напруги U ₁ і U ₂ повинні мати різну полярність, а співвідношення тривалостей тактів визначається рівністю
T ₂ / T ₁ = - U ₁ / U _2.
Завдання побудови точного цифрового вимірювача тривалості імпульсів вирішується просто: проводять підрахунок імпульсів відомої частоти, що заповнюють вимірюваний проміжок часу. У интегрирующем перетворювачі цього типу не важливі стабільність частоти генератора імпульсів, якщо виходити з того, що вона залишається постійною за час перетворення, і стабільність «постійної часу» інтегратора. Вибираючи час інтегрування рівним одному або декількох періодів сигналу перешкоди, перешкоду можна виключити. Двотактний інтегруючий АЦП використовується до 14-розрядної точності і забезпечує високу придушення перешкод і чудову стабільність, як у часі, так і по температурі.

Малюнок 5. Діаграми роботи двотактного інтегруючого АЦП
Вибір тривалості інтегрування вхідного сигналу Uвх обумовлюється пригніченням високочастотних перешкод і винятком вплив мережевих перешкод на точність перетворення (інтеграл від синусоїдальної напруги в інтервалі, кратному періоду зміни синусоїди дорівнює нулю).

6. Визначення часу перетворення вимірювального перетворювача
У двотактному интегрирующем АЦП співвідношення тривалостей тактів визначається рівністю:

У нашому випадку Uвх приймемо рівним 4,5108 В (підсилювач повинен підсилювати вхідний сигнал з датчика в 100 разів), Uоп - 2,5 В як найбільш часто використовується опорна напруга в сучасних схемах і найпростіше у виконанні.
Тоді час розряду , І загальний час перетворення АЦП:

Час інтегрування вхідного напруги Uвх встановимо кратним періоду мережної перешкоди і рівним t ₁ = 640 мс.
Таким чином, максимальний час перетворення вимірювального перетворювача дорівнюватиме:

Час реакції датчика на зміну температури - не більше 10 секунд, в нашому випадку максимальне час перетворення рівний 1,8 секунд, що менше.

7. Структурна схема вимірювального перетворювача

Вихідна напруга термопари пропорційно різниці температур між двома спаями (чутливим і опорним). На практиці потрібно знання температури на чутливому спае. Врахувати температуру опорної термопари можна двома способами:
1) підтримувати на опорному спае постійну температуру, що дорівнює 0 ° С, зазвичай для цієї мети використовують ванночку з тающим льодом або стабілізований по температурі холодильник, який буде виконувати ту ж роботу;
2) побудова компенсуючих схем, які коригують відміну, пов'язане з тим, що температура на опорному з'єднанні не дорівнює 0 ° С.
Основна ідея компенсуючих схем полягає у використанні напівпровідникового датчика, що сприймає температуру холодного спаю, і схеми, формує поправку до напруги, тобто компенсує різницю між фактичною температурою опорного спаю і стандартною (0 ° С).
Крім того, т.к. термопари мають низький вихідний напруга (50мкВ / ° С або близько цього), і застосовуються в областях, де існують великі синфазні перешкоди промислової частоти і радіочастотні наведення, то підсилювач (або вимірювальна схема) повинен добре придушувати синфазні перешкоди промислової частоти (50 Гц) і мати стабільне диференціальне посилення.
Крім того, вхідний опір підсилювача має бути достатньо високим, щоб запобігти помилкам від навантаження датчика, бо висновки термопар мають деякий опір.
Виходячи з цих положень, одним з варіантів структурної схеми вимірювального перетворювача може стати перетворювач, наведений на рис.6.


Малюнок 6. Структурна схема вимірювального перетворювача
Розглянемо призначення кожного вузла структурної схеми вимірювального перетворювача.
Вимірювальний перетворювач (рис.6) містить фільтр низьких частот (ФНЧ), пристрій компенсації ЕРС опорного спаю, вимірювальний підсилювач сигналу датчика (термопари), інтегратор, логічний вузол керування (пристрій управління), генератор тактових імпульсів, компаратор, вихідний лічильник і вузол гальванічного поділу між вхідними і вихідними колами (гальванічна ізоляція).
ФНЧ (фільтр низьких частот) необхідний для усунення високочастотних складових перешкод з корисного сигналу датчика термопари і пропуску на вимірювальний підсилювач тільки повільно змінюються сигналів.
Схема компенсації ЕРС опорного спаю містить у своєму складі напівпровідниковий датчик, що сприймає температуру опорного спаю і схему, яка формує поправку до напруги датчика, тобто компенсуючу різницю між фактичною температурою опорного спаю і стандартною (0 ° С).
Потім скомпенсований сигнал подається на вхід вимірювального підсилювача, який підсилює малі значення сигналу з термопари до величин, які будуть коректно оброблятися інтегруючим АЦП.
Інтегруючий АЦП складається з декількох вузлів: інтегратора, компаратора, генератора тактових імпульсів, пристрої керування й лічильника.
Інтегратор, який інтегрує вхідний сигнал протягом певного часу, потім, коли лічильник переповнюється, аналоговий вхідний сигнал від'єднується пристроєм управління від інтегратора і інтегрується опорне напруга. Оскільки опорна напруга постійно, то нахил протягом часу T ₂ завжди буде постійним. Інтервал часу T _2, необхідний для повернення вихідного напруги інтегратора в нуль, є функцією вхідного напруги Uвх. Цифровий лічильник, який встановився в кінці інтервалу T ₁ в початковий стан, знову починає вважати протягом інтервалу T _2. Коли вихідна напруга інтегратора досягає нуля, лічильник зупиняється і його стан представляє цифрове слово, яке відображає вхідний аналоговий сигнал.
Блок гальванічної ізоляції необхідний для гальванічного поділу між вхідними і вихідними колами вимірювального перетворювача, що дозволяє підключати до виходу перетворювача практично будь-які пристрої, виключаючи вихід їх з ладу (через виникнення прирівнюють струмів при появі різниці потенціалів між сполучаються пристроями внаслідок різних чинників).

Висновок
У цій роботі представлений процес створення вимірювального перетворювача для датчика термопари.
Побудований графік функції E = f (T). Побудована ідеальна лінійна характеристика перетворення по температурі. Визначено максимальна в заданому діапазоні температури похибка нелінійності характеристики і зроблений висновок про необхідність лінеаризації. Визначено роздільна здатність АЦ-перетворення з урахуванням лінеаризації.
Визначено кількість ділянок лінеаризації, що забезпечують задану точність перетворення, та запропоновано варіант лінеаризації НСХ перетворювача по температурі. Обрано і обгрунтований принцип роботи вузла АЦ-перетворення. Визначено час перетворення вимірювального перетворювача. Розроблено структурну схему вимірювального перетворювача, із зазначенням основних функціональних вузлів.
Таким чином, розроблена конструкція повністю відповідає вимогам завдання.

Список літератури

1. Гнатек Ю.Р. Довідник з цифро-аналоговим і аналого-цифровим перетворювачів: Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 1982.-552с.
2. Кончаловський В.Ю. Цифрові вимірювальні пристрої: Учеб. для вузів. - М.: Вища школа, 1985.-304с.
3. ГОСТ Р8.585-2001 Перетворювачі термоелектричні. НСХ перетворення.
4. ГОСТ 6616-94 (ГОСТ Р50342-92) Перетворювачі термоелектричні. Загальні технічні вимоги та методи випробувань.
5. Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки: У 3-х томах: Т. №. Пер. з англ. - М.: Світ, 1993.-367с.