Файл: Курсовая работа 031509. 03. 02 Максаев Д. А. 2022 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.docx
Добавлен: 07.12.2023
Просмотров: 125
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
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 5
1 Структура и алгоритм работы проектируемого устройства 6
2 Расчёты и выбор элементной базы 9
2.1 Блок формирования измерительной информации (БФИИ) 9
2.2 Управляющая схема 14
2.3 Блок формирования выходного сигнала 16
3 Разработка структурной, функциональной и принципиальной схем 18
20
4 Результаты моделирования 24
Заключение 31
Список использованной литературы 32
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, RTh – сопротивление датчика температуры, RV - сопротивление уравновешивающего резистора, R1M, R2M – сопротивления резистивного делителя, IS – ток питания моста, ITh – 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 RTh 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 RTh 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 RTh: , 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 R1M=R2M=RV=RTh 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 R1M=R2M=RV.
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 RTh равен:
Поскольку ток IS разветвляется на две составляющие, протекающие через равноценные по сопротивлению ветви моста, через токоограничительное сопротивление R
* должен протекать ток, равный 12 мА. Зная IS, 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, Rt - 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 R1M и R2M одинаковое, то напряжение на этой ветви будет равно:
Так как сопротивление у резисторов RV и RTh разное, то падение напряжение на этой ветке при крайних значениях температуры можно вычислить как:
Для -30С:
Для +70С:
Далее следует найти напряжение в измерительной диагонали моста при крайних значениях температуры, используя найденные потенциалы:
Для -30С:
Для +70С:
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 +70С 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 RTh. 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.