Розробкацифрового термометру
ЗАВДАННЯ НАКУРСОВУ РОБОТУ
Назва курсовоїроботи — Цифровий термометр
Вихідні дані: фізичнавеличина – температура;
діапазонвимірювання від 300 до 2100 оК ;
похибка –0,5%;
тип засобувимірювання – цифровий термометр;
типвимірювального перетворювача – п’єзо;
тип АЦП –цифровий частотомір середніх значень;
Зміст графічноїчастини: функціональна схема цифрового термометра
Змістпояснювальної записки: вступ, огляд первинних перетворювачів вимірюваноїфізичної величини, розробка структурної схеми АЦП, розробка функціональноїсхеми цифрового термометра, висновки, література, додаток.
ВСТУП
Вчисло величин, одиниці яких покладені в основу Міжнародної системи одиниць СІ,входить також термодинамічна температура, яку позначають символом Т і виражаютьв кельвінах (позначення К). Найменування дано по імені англійського вченогоВ.Кельвіна (1824-1907).
Кельвін– одиниця термодинамічної температури – 1/273,16 частина термодинамічноїтемператури тройної точки води.
Кельвіняк одиниця температурного інтервалу дорівнює 1/273,16частини інтервалу термодинамічної температури між абсолютним нулем і тройноюточкою води.
Тройнаточка води – точка рівноваги води в твердому, рідкому і газоподібному стані.
Втермодинамічній температурній шкалі нижньою межею являється абсо-лютний нультемператури (0 К) і основною реперною точкою – тройна точка води (273,15 К). ПозначаєтьсяТ. Вважається, що при такій температурі припи-няється тепловий рух частинок, зяких складається тіло.
Абсолютнийнуль за міжнародною шкалою дорівнює –273,15 оС (Цельсія).
ЦельсійА. (1701-1744) – шведський астроном і фізик, який запропонував температурнушкалу, в якій 1 градус (1 оС) дорівнює 1/100різниці температур кипіння води і танення льоду при атмосферному тиску.Позначаєтьсяt oC.
Температурнішкали Кельвіна і Цельсія пов’язані формулою
Т= (273,15+ t)K.
1.ОГЛЯД ПЕРВИННИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ВИМІРЮВАНОЇ ФІЗИЧНОЇ ВЕЛИЧИНИ
1.1 Державніеталони температур
Дляточного здійснення термодинамічної температурної шкали викорис-товують еталоннігазові термометри.
Азотнийгазовий термометр постійного об’ємустворений для визначення термодинамічної температури деяких реперних точок.Прилад має платиноіридієвий резервуар місткістю 0,2 дм3 іпризначений для роботи в області високих температур. Відношення вредного об’ємутермометра до місткості робочого резервуару складає 0,02.Тиск газу вимірюєтьсяртутним манометром. Похибка вимірювання термодинамічної температури в точціплавлення льоду ±0,013 К, в точці плавлення золота ±0,2 К.
Вінших газових термометрах для вимірювання температур від 90 до 1373К використовуєтьсяспеціально розроблена роздільна камера, яка являє собою нульовий мембраннийманометр, похибка якого не перевищує ±0,13 Па. Використання роздільної камеридає газовому термометру ряд метрологічних переваг, основні з яких – захистробочого газу від забруднення ртуттю і забезпечення умов для підвищенняточності основного манометра газового термометра. В газовому термометрівикористовуються кварцеві резервуари, заповнені чистим азотом. Похибкавимірювання термодинамічної температури газовим термометром в точці плавленняцинку ± 0,02 К.
Державнийпервинний еталон одиниці температури – кельвіна – в діапазоні температур 273,15– 2800 К складається із комплекса засобів вимірювання, до якого входять:
а)апаратура для здійснення реперних точок: тройної точки води, точки кипіння,точки затвердіння олова, точки затвердіння цинку, точки затвердіння срібла,точки затвердіння золота;
б)платинових термометрів опору, температурних ламп і фотоелектричної апаратури.
Похибкаеталону складає від 0,0002 К в тройній точці води до 0,1- 0,4 К в областівисоких температур.
Вдіапазоні від 630,74 до 1064,43 оС еталоном служитьплатино-платинородієва термопара.
Температурувище 1064,43 оС визначають із співвідношення спектральноїенергетичної яркості випромінювання абсолютно чорного тіла при данійтемпературі до спектральної енергетичної яркості випромінювання притем-пературі застигання золота при тій же довжині хвилі.
1.2Термоелектричні перетворювачі
Термоелектричнимиперетворювачами є термопари.
Термопара– термочутливий елемент в пристроях для вимірювання температури, системахуправління і контролю. Складається з двох послідовно з’єднаних (спаяних) міжсобою різнорідних провідників або напівпровідників. Якщо спай знаходиться прирізних температурах, то в колі термопари виникає термое.р.с.,величина якої однозначно пов’язаназ різницею температур “гарячого” і “холодного” електродів. Вільні кінцітермоелектродів підмикають до вимірювального приладу або до підсилювачанапруги.
Длявимірювання термое.р.с.,яку розвиває термопара, в її коло вмикають вимірювальний прилад. На рисунку 1.1зображено основні схеми увімкнення термопар. Найчастіше застосовують схему,зображену на рисунку 1.1, а. Диференціальну термопару використовують длявимірювання різниці темпе-ратур (рисунок 1.1, б).
Діапазон вимірюваннятемператур термопарами: від температур близьких до “абсолютного нуля” докількох тисяч градусів.
/>
а) б)
Рисунок 1.1 –Схема увімкнення вимірювального приладу в холодний
спай а) і диференційнасхема б)
1.3 Термометриопору
Термометри опору– прилади для вимірювання температури, дія яких основана на зміні електричногоопору металів і напівпровідників від зміни температури. Термометри опорускладаються із термоперетворювача (терморезистора або як і ще їх називаютьтермістора), защитного чохла і з’єднувальної головки. Чутливий елементметалевого термометра опору являє собою обмотку на теплостійкому ізольованомукаркасі із тонкої мідної, платинової, вольфрамової або молібденової проволки.
Діапазонвимірювання температур металевих термометрів опору типу ТСП від мінус 200 доплюс 650 оС, а типу ТСМ від мінус 50 до плюс 180 оС.
Чутливий елементнапівпровідникового термометрів опору виконаний у вигляді шайби або бусинки ізнапівпровідникового металу (мідно-маргенцеві, кобальто-маргенцеві порошки здобавками). Наприклад, КМТ-14, ТР-9, СТ1-19.
Термометриопору частіше всього включають в зрівноважену мостову схему (рисунок 1.2).
/> /> /> /> /> /> /> />
U
Рисунок1.2 – Мостова схема включення термометра опору
Зрівноваженнямоста здійснюється за допомогою потенціометра R, шкала якого проградуйована в значеннях температури. При вимірюванні, потенціомет-ром R добиваються нульового положеннягальванометра, яке наступить в момент рівноваги мостової схеми
Rt· R2= R· R1 . (1.1)
Недолікомодинарної мостової схеми є додаткова похибка, яка вноситься опорамипровідників, якими термометр опору підключається до мостової схеми.
При змінітемператури навколишнього середовища змінюється і опір цих провідників, що недає можливості компенсувати вказану похибку. Для зниження цієї похибкивикористовують трипровідну схему підключення термометрів опору. В цьому випадкуопори проводів виявляються не в одному, а в різних плечах моста і тому їх впливсуттєво зменшується. При симетрії моста їх опори віднімаються.
1.4П’єзоелектричні термоперетворювачі
Принцип діїп’єзоелектричних перетворювачів грунтується на явищі п’єзо-електричного ефекту.Якщо на гранідіалектрика діє механічна напруга Р, то на них утворюються електричнізаряди. Це явище називають прямим п’єзоефектом. Якщо на грані діалектрика діє зовнішнеелектричне поле, то діалектрик нако-пичує механічну деформацію; це явищеназивається зворотнім п’єзоефектом.
Відповіднітермоперетворювачі засновані на використанні прямого п’єзо-електричного ефекту,що полягає у виникненні електричних зарядів на поверхні деяких кристалів(кварцу, сегнетової солі та ін.) під дією механічних напруг [4].
При вимірюваннітемператури, знаходять застосування п’єзорезонатори, в яких використовується одночасно прямий і зворотний п’єзоефекти. Останній полягає в тому,що якщо на електроди перетворювача подати змінну напругу, то в п’єзочутливомуелементі (пластині) виникнуть механічні коливання, частота яких fp (резонансна частота)залежить від товщини пластини, модуля упругості, густини її матеріалу. Привключенні такого перетворювача в резонансний контур генератора частоти, частотагенерованих електричних коливань ftбуде зале-жати від температури.
З урахуванням вищесказанного, можна записати рівняння перетворення п’єзоелектричного термоперетворювача
ft= fp+ Stx, (1.2)
де fp– частота генерованих коливань притемпературі t = 0 oC складає в середньому 1 кГц;
S– чутливість термоперетворювача, якаможе досягати 1000 Гц/К;
t – вимірювана температура.
Такимчином можна навести якісну статичну характеристику п’єзоелект-ричного термоперетворювача (рисунок1.3).
Вказаніп’єзоелектричні термоперетворювачі можуть функціонувати в широкому діапазонітемператур, мають порівняно високу точність, що пояснюється високоюстабільністю параметрів перетворювача і високими метро-логічнимихарактеристиками вимірювачів частоти.
До того ж п’єзоелектричні термоперетворювачі впорівнянні з термо-метрами опору і термопарами мають високу швидкодію (докількох вимірів за секунду). Тоді як інерційність останніх складає десятки секунд.
/>
Рисунок 1.3 –Якісна статична характеристика п’єзоелектричноготермоперетворювача
Недоліком такихперетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидомпараметрів fi S. Враховуючи сказане та умовукурсової роботи виберемо для побудови цифрового термометра п’єзоелектричнийвимірювальний термоперетворювач. Оскільки вихідною величиною п’єзоелектричноготермоперетворювача є частота, а вказаний діапазон температур (300 – 2100 К)визиває високу частоту коливань, то в якості аналого-цифрового перетворювача(АЦП) доцільно вибрати цифровий частотомір середніх значень.
2. РОЗРОБКАСТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП
Принципдії цих АЦП грунтується на підрахунку імпульсів, частота слідування яких fпропорційна вимірюваній величині за чітко визначенийінтервал часу Т0[2]. Т0 –щеназивають зразковим часовим інтервалом.
/>Структурна схемацифрового частотоміра середніх значень наведена на рисунку 2.1, а часовідіаграми роботи – на рисунку 2.2.
T
fкв
F – формувач імпульсів; Т – RS-тригер; SW1 i SW2 – схеми збігу; G – генератор стабільної частоти, ПЧ –подільник частоти; ЛТ – лічильник; ВП – відліковий пристрій
Рисунок 2.1 — Структурна схемацифрового частотоміра середніх значень
Схема починаєпрацювати за командою “Пуск”, яка встановлює тригер Т у стан логічної одиниці ітаким чином відкриває схеми збігу SW1 і SW2. Імпульси, які слідують із частотоюfx через формувач F і відкриту схему збігу SW1, надходять на вхід двійкового лічильникаЛТ, який їх підраховує. В цей самий момент часу через відкриту схему збігу SW2 імпульси зразкової частоти fз виходу генератора G надходять на вхід подільника частотиПЧ.
/>
Тх = 1/fх U/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
T0 />/> 1
Пуск />/> t/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> 2 t
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> 3 t
Рисунок 2.2 — Часовідіаграми роботи частотомірасередніх значень
Коефіцієнт поділуподільника розраховують з урахуванням забезпечення потрібного часовогоінтервалу Т0. Після закінчення зразкового часового інтервалузаднім фронтом імпульсу TтригерT встановлюється у станлогічного нуля, що закриває схеми збігу SW1 і SW2 і в лічильнику фіксується двійковийкод N
N= /> = T0 fx, (2.1)
Де T– зразковий часовий інтервал;
fx– вимірювана частота.
Дана рівність є рівнянням перетворення частотоміра,оскільки вона характеризує, яким чином пов’язані між собою вихідна N і вхідна вимірювана величина fx.
З рівняннямперетворення частотоміра випливає, що число імпульсів пропорційне частоті fxі статична характеристика лінійна(рисунок 2.3).
/>/>Nx
/>
fx
Рисунок 2.3 — Статична характеристика частотоміра
Рівняння похибкицифрового частотоміра середніх значень буде мати вигляд
δ = 1/N = />, (2.2)
тому залежністьпохибки квантування від частоти fx буде нелінійною (рисунок2.4).
/>/>d
/>
fx
Рисунок 2.4 — Залежність похибки квантування від частоти fx
Аналіз рівнянняпохибки показує, що можливими шляхами зменшення похибки є збільшення зразковогочасового інтервалу Т0і вимірюваної частоти fx. Але збільшення Т0приведе до збільшення часу вимірювання, що знизить швид-кодію. Оскільки похибкаквантування зменшується із збільшенням вимірюваної частоти, то такі частотоміриефективні в області середніх і високих частот (від одиниць кілогерц до десятківмегагерц).
3. РОЗРОБКАФУНКЦІОНАЛЬНОЇСХЕМИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА
Даний цифровий термометрпредставляє собою сукупність п’єзоелект-ричноготермоперетворювачавключеного в схему цифрового частотоміра середніх значень.
Розрахуємо параметрисхеми.
Для отриманнярівняння перетворення цифрового термометра в рівняння (2.1) замість fx підставимо ft з (1.2)
Nt= T0 fx = T0 (fp + S tx), (3.1)
З урахуваннямрівняння (2.2) похибка квантування термометра буде мати вигляд
δ = 1/Nt = />, (3.2)
З рівнянняпохибки квантування (3.2) і даних п.1.4 визначимо зразковий часовий інтервал Tна виході зразкової міри часу. Вінповинен бути більший періода Ttxтому тут підставлямо значення ftmin= fp+ Stxmin
T= />, (3.3)
T= />,
Частотуквантування на виході імпульсного генератора G вибирають таку, щоб
TквT0 .
Частіше всього вибираютьгенератор з частотою fкв= 1 МГц.
Виходячи зрівняння (3.3) нижня межа вимірювання визначиться так
txmin= /> (3.4)
Верхня межавимірювання визначається значенням максимальної ємності двійкового лічильника Nmax.
Зрівняння (3.1)
Nmax= T0 fxmax= T0 (fp+ Stxmax) (3.5)
Nmax= 6,6·10-4(103+ 103 ·2100) = 1,4·103.
З врахуваннямтого, що Nmax= 2n, верхня межа вимірювання визначиться так
txmax = /> (3.6)
де n– розрядність двійкового лічильника.
Розрядністьn, яка необхідна дляреалізації двійкового лічильника визначимо за формулою
n= lоg2Nmax≈ 10.
ВИСНОВКИ
Вкурсовій роботі проведено огляд державних еталонів температур, первиннихвимірювальних перетворювачів температури (термопари, термометри опору,п’єзоелектричні термоперетворювачі) і в якості вимірювального пере-творювачавибрано п’єзоелектричний термоперетворювач, оскільки він задо-вільняє умовізавдання на розробку.
В якостіаналого-цифрового перетворюваача вибрано цифровий частотомір середніх значень,описано його роботу і проведено розрахунок основних параметрів схеми:
- частоту fгенератора зразкової частоти;
- верхню txmax і нижню txmsn межу вимірювання;
- розрядність n двійкового лічильника;
- похибку квантування δK.
ЛІТЕРАТУРА
1. Электрические измерения электрических и неэлектрическихвеличин. Под ред. Е.С. Полищука.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1984.
2. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В.Вимірювання і комп’ютерно- вимірювальна техніка.-К.: НМК ВО, 1991.
3. Автоматические измерения и приборы (аналоговые ицифровые) / П.П.Орнатский.- К.: Вища шк., 1986.
4 Поджаренко В.О. та ін. Метрологіята вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсовихробіт. / Вінниця: ВДТУ, 2000 – 65с.