Файл: Курсовая работа 031509. 03. 02 Максаев Д. А. 2022 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.docx

РГРТУ

КУРСОВАЯ РАБОТА

0315-09.03.02

Максаев Д.А.

2022


Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина»
Кафедра автоматизированных систем управления


КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Основы электроники»

на тему:

«Разработка устройства измерения температуры»

Выполнил: студент гр. 0315

Максаев Д.А.

Проверил: доцент каф. АСУ

Холопов С.И.
Рязань 2022

ЛИСТ С ЗАДАНИЕМ

Содержание

Введение

О необходимости проведения измерений люди задумывались с давних времён. И чем дальше вперёд уходила наука, тем более точные результаты требовались исследователям. Так c развитием электроники появилось больше способов фиксации и обработки информации, а также методов автоматизации данных процессов. Многие автоматические устройства можно представить как системы управления. Система управления должна фиксировать состояние управляемого объекта и влиять на него в зависимости от его текущего состояния, поддерживая объект в требуемом состоянии или приводя объект в нужное состояние. Для фиксирования состояния объекта используются специальные измерительные устройства. Например, датчики температуры, которые широко применяются на различных промышленных предприятиях.

В данной курсовой работе рассматривается процесс разработки многоканального устройства измерения температуры с временным разделением каналов.

1 Структура и алгоритм работы проектируемого устройства

В данной работе необходимо спроектировать и рассчитать параметры узлов многоканальной системы измерения температуры. В общем случае, многоканальные измерительные системы с временным разделением каналов состоят из трёх блоков: блок формирования измерительной информации (БФИИ), блок формирования выходного сигнала (БФВС) и управляющая схема (УС).

---

Многоканальная измерительная система с временным разделением каналов, в общем случае, строится по схеме представленной на рисунке 1.



Рисунок 1 — Многоканальная измерительная система

БФИИ состоит из каналов измерения, каждый из которых даёт напряжение, соответствующее измеряемой температуре. В свою очередь каждый канал содержит в себе первичный измерительный прибор (ПИП), позволяющий преобразовывать температуру в напряжение, а также измерительный усилитель (ИУ), необходимый для усиления подверженного помехам напряжения, создаваемого измерительным устройством, а также позволяющий представить сформированное напряжение в виде, необходимом для дальнейшей обработки. В качестве измерительного устройства может быть использован мост Уитстона [1] представленный на рисунке 2.



Рисунок 2 — Мост Уитстона.

На рисунке 2 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.

Так при нулевой температуре сопротивления всех резисторов одинаковое и напряжение между точками 1 и 2 равно нулю. При увеличении температуры сопротивление R_Th увеличивается, что приводит к тому, что потенциал в точке 2 стремится к потенциалу в точке 3 и растёт, создавая разницу напряжения между точками 1 и 2.

Управляющая схема при помощи генератора импульсов (ГИ) формирует опорную частоту, из которой посредством делителя частоты (ДЧ) формируются интервалы времени, в течение которых опрашивается каждый из каналов измерительной системы. Время опроса определяется периодом колебания, сформированного на выходе ДЧ. Как правило, генераторы импульсов с большей частотой генерации реализовать существенно проще, нежели генераторы с низкой частотой генерации импульсов. Кроме того, они обеспечивают более стабильную работу, чем низкочастотные генераторы. Импульсы, сформированные ДЧ, поступают на вход делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), играющего роль преобразователя импульсов с делителя частоты в управляющие кодовые комбинации каналов.

---

БФВС включает аналоговый мультиплексор (MS), имеющий n аналоговых входов и m цифровых входов управления, на которые поступают управляющие кодовые комбинации, определяющие с какого аналогового входа пропустить сигнал. Также в БФВС входит нормирующий усилитель (НУ), ограничивающий диапазон изменения выходного сигнала.

2 Расчёты и выбор элементной базы

2.1 Блок формирования измерительной информации (БФИИ)

Датчик с подключённым измерительным усилителем представлен на рисунке 3.



Рисунок 3 — Схема канала.
Резистор R_Th нагревается и при увеличении температуры, и когда по нему течёт ток. Это приводит к погрешности измерений температуры.

Погрешность самонагрева зависит от мощности, рассеиваемой на резисторе R_Th: , величины отводимого от него тепла и коэффициента самонагрева EK. Обусловленное самонагревом повышение температуры рассчитывается по формуле:

(1)
где T₁ и T₂ – значения температуры при наличии и отсутствии измерительного тока соответственно, Р – подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах)

В задании на курсовую работу дано сопротивление датчика 25 Ом, который выполняется в виде специального терморезистора. При равенстве R_1M=R_2M=R_V=R_Th ток через измерительный прибор протекать не будет, то есть мост будет сбалансирован. Таким образом, сопротивления резисторов моста должны равняться 25 Ом. Данное сопротивление присутствует в шкале резисторов, что даёт возможность реализовать подключение одного резистора на 25 Ом на каждое сопротивление R_1M=R_2M=R_V.

В задании дана максимальная погрешность измерения — 0,3 %, также указано, что в качестве датчика должен быть использован Cu терморезистор, коэффициент самонагрева которого равен 3 мВт/С. Тогда максимальный ток, протекающий через резистор R_Th равен:



Поскольку ток I_S разветвляется на две составляющие, протекающие через равноценные по сопротивлению ветви моста, через токоограничительное сопротивление R

---

^* должен протекать ток, равный 12 мА. Зная I_S, можно рассчитать величину R^*.





Рассчитанного значения нет в шкале резисторов. В силу того, что данный резистор токоограничительный, сопротивление округляется вверх до сопротивления из шкалы резисторов, а именно до 820 Ом.
Изменение электрического сопротивления датчика описывается следующей формулой:

(2)

где R₀ - сопротивление датчика при T₀ = 0 С, R_t - сопротивление датчика при температуре T₁, α - температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала, из которого сделан датчик.

По заданию к курсовой работе температурный коэффициент сопротивления для платины равен 4,28*10^-3 K^-1.

Тогда по формуле (2) максимальное сопротивление датчика:



А минимальное сопротивление:


Напряжение в измерительной диагонали моста при крайних значениях температуры вычисляется через падание напряжения после резистора R^*:



Так как сопротивление у резисторов R_1M и R_2M одинаковое, то напряжение на этой ветви будет равно:


Так как сопротивление у резисторов R_V и R_Th разное, то падение напряжение на этой ветке при крайних значениях температуры можно вычислить как:

Для -30С:



Для +70С:



Далее следует найти напряжение в измерительной диагонали моста при крайних значениях температуры, используя найденные потенциалы:

Для -30С:



Для +70С:



Пусть для опроса канала используется мультиплексор КР590КН1. Он может коммутировать напряжения от -5 до +5 В. Хоть напряжения -3,7 мВ и 10,4 мВ не выходят за диапазон коммутируемых напряжений, они настолько малы, что их могут исказить помехи, поэтому стоит усилить максимальное напряжение для +70С до половины максимального коммутируемого напряжения, то есть до 2,5 В. Тогда необходимый коэффициент усиления равен:

---

Резисторы R₁, R₂, R₃, R₄ следует выбрать такими, чтобы токи, протекающие через R₁ и R₂, составляли 10^-2 от тока, протекающего через температурный датчик R_Th. Тогда их сопротивление должно быть равно:



В шкале резисторов нет сопротивления 3250 Ом, поэтому его нужно округлить вверх до ближайшего сопротивления из шкалы резисторов. Таким сопротивлением является 3,3 кОм.

Сопротивления R₃ и R₄ зависят от требуемого коэффициента усиления и равны:



В шкале резисторов нет сопротивления в 793 кОм, но его можно обеспечить последовательным включением резистора 750 кОм, одного резистора на 43 кОм. Тогда коэффициент усиления равняется:



Напряжение при максимальной температуре, подаваемое на вход мультиплексора, равно:



А напряжение при минимальной температуре, подаваемое на вход мультиплексора, равно:

2.2 Управляющая схема

Генератор импульсов может быть построен по схеме, представленной на рисунке 4. Согласно данной схеме, резистор R₁ обеспечивает задание рабочей точки усилителя на логическом элементе DD1.1. В качестве элемента DD1 выбрана схема К155ЛН1 [2]. Для нормальной работы DD1.1 величину сопротивления R₁ следует выбирать из диапазона 180 Ом – 470 Ом.



Рисунок 4 — Схема генератора импульсов.
Значение генерируемой данной схемой опорной частоты можно рассчитать по следующей формуле:

(3)

В задании на курсовую работу указано, что опорная частота генератора импульсов должна быть равна 3,0 МГц. Пусть резистор имеет сопротивление 300 Ом. Тогда требуемая ёмкость конденсатора C₁ равна:



Значения 371 пФ нет в шкале номиналов конденсаторов. В таком случае данную ёмкость можно обеспечить параллельным включением конденсатора 370 пФ и еще 1пФ.

---