Wstęp - Dunat, Adam

WstĊp
Tematem projektu jest zaproponowanie ukáadu do pomiaru temperatury speániającego
nastĊpujące warunki:
- wykorzystanie termoelementu typu N;
- pomiar temperatury w zakresie 800 – 1600 °C;
- kompensacja zimnych koĔców termoelementu w zakresie 0 – 50 °C;
- wyĞwietlenie wyniku pomiaru na wyĞwietlaczu elektronicznym.
Dodatkowo zaáoĪono:
- zasilanie ukáadu pojedynczym napiĊciem;
- wykorzystanie powszechnie dostĊpnych elementów elektronicznych;
- báąd pomiaru maksymalnie ± 1 °C.
Biorąc pod uwagĊ powyĪsze zaáoĪenia schemat blokowy ukáadu moĪna przedstawiü w sposób
nastĊpujący:
Schemat blokowy proponowanego ukáadu.
W czáonie pomiarowym pracuje termopara typu N klasy 2, z której STE jest doprowadzone
do ukáadu pomiarowego za pomocą przewodów kompensacyjnych. Na tor analogowy skáada
siĊ bierny (zbudowany na bazie dzielnika napiĊcia) ukáad kompensacji zimnych koĔców
termopary oraz aktywny ukáad wzmacniający w postaci wzmacniacza operacyjnego. W
czáonie cyfrowym sygnaá jest zamieniany na kod wyĞwietlacza siedmiosegmentowego i
wyĞwietlany z rozdzielczoĞcią 1°C. CaáoĞü jest zasilana napiĊciem staáym stabilizowanym o
wartoĞci 5V. Zrezygnowano z linearyzacji charakterystyki przetwarzania termopary,
poniewaĪ w zaáoĪonym zakresie pomiarowym (800 – 1600 °C) charakterystykĊ tą moĪna z
maáym báĊdem aproksymowaü linią prostą.
Schemat ideowy ukáadu:
2
Schemat ideowy ukáadu do pomiaru temperatury
Opis i dziaáanie ukáadu
Ukáad kompensacji temperaturowej zimnych koĔców termopary zrealizowano w
obwodzie U1, R1, R2. Ukáad LM 35 jest scalonym przetwornikiem temperatura / napiĊcie o
nachyleniu charakterystyki przetwarzania 10 mV/°C. Jako temperaturĊ odniesienia przyjĊto 0
°C. Sygnaá z wyjĞcia U1 trafia na dzielnik napiĊcia zbudowany na R1, R2. Jego przekáadnia
jest równa wspóáczynnikowi Seebeck’a zastosowanej termopary (39,29 μV/°C). W wyniku
tego kaĪda zmiana temperatury otoczenia ǻT powoduje powstanie na rezystancji R2 napiĊcia
równego:
U R2
'T
,
R1 R2
np. U R 2
1qC
25450
39,29 PV
NapiĊcie to dodane do STE termopary podawane jest poprzez dzielnik napiĊcia R3 R4 na
wejĞcie nieodwracające wzmacniacza operacyjnego U2. Wzmocnienie wzmacniacza dobrano
elementami R5 R6 P1 w taki sposób, aby w zakresie temperatur 800 – 1600°C, czemu
odpowiada zakres STE termoelementu 28,46 – 58,4 mV, napiĊcie na wyjĞciu wzmacniacza
operacyjnego wynosiáo 800 – 1600 mV. Potencjometr P1 typu heltrim sáuĪy do dokáadnej
regulacji tego wzmocnienia. DziĊki temu moĪliwe staáo siĊ zastosowanie w czáonie cyfrowym
zwykáego woltomierza wyskalowanego w stopniach Celsjusza. Woltomierz ten zbudowano w
oparciu o fabryczną aplikacjĊ ukáadu ICL 7107, który jest scalonym przetwornikiem A/C
dziaáającym na zasadzie podwójnego caákowania. Posiada on wyjĞcia bezpoĞrednio sterujące
czterema segmentami wyĞwietlaczy LED, co daje maksymalne wskazanie 1999 (3½ cyfry).
WartoĞci dzielnika napiĊü R8 R9 P1 dobrano w ten sposób, Īeby U4 pracowaá na zakresie
0…2V. W ten sposób na wyĞwietlaczu w sposób bezpoĞredni bĊdzie pokazywana wartoĞü
temperatury. Elementy R10 C4 decydują o wartoĞci czĊstotliwoĞci wewnĊtrznego generatora
taktującego i zostaáy tak dobrane, aby wynosiáa ona 50kHz. Wtedy uzyskuje siĊ
zminimalizowanie zakáóceĔ sieciowych. Diody prostownicze D1 D2 D3 ograniczają jasnoĞü
wyĞwietlacza, a poniewaĪ segmenty LED są bezpoĞrednio sterowane z wyjĞü ukáadu
ICL7107, diody zmniejszają nagrzewanie siĊ ukáadu. Do poprawnej pracy U4 wymaga
podania na wejĞcie V- (wyprowadzenie 26) napiĊcia ujemnego (-5…-3V), które z zaáoĪenia
nie bĊdzie dostarczane przez zasilacz. Zastosowano wiĊc powielacz diodowy C8 C9 D4 D5
sterowany przebiegiem prostokątnym z wyjĞcia oscylatora ukáadu U4 wzmocnionym
prądowo przez równolegle poáączonych inwertorów mocy zawartych w ukáadzie U3
(CD4049). Do zasilania termometru uĪyto scalony stabilizator napiĊcia uA7805 wraz z
wáaĞciwymi kondensatorami filtrującymi C10 C11 C12.
Komputerowa analiza dziaáania ukáadu.
AnalizĊ dziaáania ukáadu przeprowadzono w programie PSpice 9.1. Zbadano
zachowanie siĊ tylko toru analogowego ze wzglĊdu na brak modelu matematycznego ukáadu
ICL7107 w bibliotece elementów programu. AnalizĊ rozpoczĊto od zbadania sygnaáu na
wyjĞciu wzmacniacza pomiarowego przy zmianach STE termopary w granicach 28,46 –
58,40 mV (odpowiada to zmianom temperatury 800 – 1600 °C). TemperaturĊ odniesienia
przyjĊto staáą, równa 0 °C. Badany ukáad i charakterystykĊ przejĞciową przedstawiono na
rysunku poniĪej.
Schemat wykorzystany w symulacji (powyĪej) i charakterystyka przejĞciowa toru pomiarowego (poniĪej)
5
NastĊpnie sprawdzono dziaáanie ukáadu kompensacji temperaturowej zimnych
koĔców termopary w ukáadzie przedstawionym poniĪej. ħródáo napiĊcia staáego V2
symulowaáo ukáad LM35. Zmieniano jego napiĊcie w zakresie 0 – 500mV, co odpowiada
temperaturze 0 50 °C. Symulacje przeprowadzono przy temperaturze termopary wynoszącej
800 (28,455mV) i 1550 (56,575mV)stopni.
6
Analiza báĊdów ukáadu.
7