Измеритель температуры

      Рассчитав данное уравнение, получим:

     Значения  сопротивлений выбираются в соответствии с рядами Е6 и Е24. 
 
 

     4.1.3 Преобразователь напряжения в  ток

     

     

     Данное  устройство преобразует выходное напряжение дифференциального усилителя в  ток, который  передается на 100 метров. Схема ПНТ представлена на рис.2.

     Расчет  необходимо выполнить исходя из того, что максимальный выходной ток преобразователя не должен превышать 20 миллиампер.

Рис.2 –  Преобразователь напряжения в ток 

     

   при

где - выходной ток ПНТ при температуре 1999°С;

    - входное напряжение ПНТ при температуре 1999°С.

     Решением  данного уравнения будет:

     4.2 Блок коррекции  

     Данный  блок выполняет функцию коррекции  нелинейности градуировочной характеристики термоэлектрического преобразователя  и предназначен для корректировки  напряжения, поступающего с датчика  температуры. 

     

     Коррекция заключается в разбиении градуировочной характеристики термопары на интервалы, в каждый из которых вносится соответствующая поправка (более подробно принцип рассмотрен в пункте 4.2.3).                               

     Принципиальная  схема блока коррекции приведена в приложении УИТС31.2101.91.166.Э3. 

     4.2.1 Преобразователь тока в напряжение    

     Устройством, принимающим сигнал в основной части  схемы, удаленной от датчика температуры, является преобразователь тока в  напряжение, изображенный на рис.3.

Рис.3 –  Преобразователь тока в напряжение 

     Расчет  аналогичен расчету ПНТ:

     4.2.2 Компаратор     

     В данном блоке компаратор необходим  для сравнения измеренного напряжения с напряжениями, вырабатываемыми  источником опорного напряжения. После сравнения сигнал, проходя через логический элемент, поступает на вход мультиплексора. 

     Так как сравнение происходит с тремя  опорными напряжениями, целесообразно  выбрать микросхему, имеющую как  минимум три компаратора. Такой  микросхемой является микросхема К1401СА1. Это счетверенный компаратор, работающий как с ТТЛ, так и КМОП логикой /3/. Схема представлена на рис.4

Рис.4 –  Компаратор 

     Принцип действия: Опорные напряжения , , подаются на входы 5, 8 и 6 соответственно, измеренное – на входы 4, 7, 9 и 11. Как только измеренное напряжение превысит одно из опорных на входах 7 или 9, либо станет ниже , соответствующий компаратор выдаст сигнал единичного уровня, который через логический элемент поступит на мультиплексор, выполняющий функцию коммутирующего устройства.

     

     4.2.3 Источник опорного напряжения  

     Так как градуировочная характеристика термопары имеет нелинейный характер, первым этапом расчета источника опорного напряжения является выбор идеальной характеристики, исходя из которой будет вноситься поправка.

     На  рис.5 представлена зависимость термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя от температуры и допустимые отклонения от идеальной характеристики.  

Рис.5 –  Градуировочная характеристика датчика  температуры 

     

     

     Согласно  заданию, погрешность измерения  не должна превышать 2%, чему соответствует 40°С. Данный измеритель температуры  спроектирован таким образом, чтобы  погрешность измерений не превышала 1.6%, т.е. 32°С.

     Вторым  этапом расчета является определение  количества опорных напряжений. Из рисунка видно, что корректировку следует вносить начиная с 1433°С, когда реальная характеристика выходит за пределы допустимых отклонений. В диапазоне температур от 1433 до 1744°С измеренное напряжение достаточно умножить на 1.04, в диапазоне от 1745°С и выше – на 1.08.

     С учетом вышеизложенного можно сделать  вывод о том, что для обеспечения  требуемой точности измерений достаточно иметь три опорных напряжения:

     Третьим этапом расчета является непосредственный расчет ИОН. Схема данного устройства приведена на рис.6.

Рис.6 – Источник опорного напряжения

     В качестве стабилитрона используется прецизионный стабилитрон типа КС191Ф, имеющий следующие параметры:

     С учетом того, что максимальное напряжение, которое необходимо получить - 1.64693В, а напряжение на выходе стабилитрона - 9.1В, в схему включен прецизионный операционный усилитель К140УД24, коэффициент усиления которого рассчитывается по формуле (1) и должен быть равным 0.18098.

                                                                                                                          (1)

     Сопротивление определяется по формуле (2), сопротивления , , - по формуле (3):

                                                                                                               (2)

                                                                                             (3)

     Решив данные уравнения, получим значения сопротивлений:

 
 
 
 
 

     4.2.4 Логический элемент

       

     Ввиду того, что для обеспечения требуемой точности измерения достаточно вносить две поправки, возникает необходимость объединения трех выходов компаратора в два, которые будут служить управляющими сигналами для коммутирующего устройства.

     В качестве логического элемента выступает  элемент И, на выходе которого будет присутствовать уровень логической единицы только в том случае, когда на оба его входа будут поданы единицы. Более наглядно это продемонстрировано в таблице 1. 

               Таблица 1

 
 

     4.2.5 Ключ 

     В качестве коммутирующего устройства используется четырехканальный дифференциальный коммутатор К561КП1, схема которого приведена на рис.7, таблица истинности – в таблице 2. Данная микросхема предназначена для пропускания одной из поправок на сумматор под действием управляющих сигналов, формирующихся на выходе логического элемента.

     

     

Рис.7 – микросхема К561КП1 

       Таблица 2

     

     

     Сигналы с выходов логического элемента поступают на входы А и В. Если измеренное напряжение будет находиться в пределах диапазона от до , то на вход А будет подан сигнал единичного уровня, а на вход В – нулевого. Из таблицы истинности видно, что при таких значениях управляющих сигналов открыты будут входы X1, Y1. Если же наоборот, измеренное напряжение окажется больше , на входе А будет логический ноль, на входе В – логическая единица. Этим значениям соответствуют открытые входы X2, Y2. 

     4.2.6 Сумматор                                           

     Сумматор  необходим для суммирования измеренного  напряжения с поправкой, вносимой при  помощи коммутирующего устройства. Схема  сумматора приведена на рис.8. 

Рис.8 – Сумматор 

     В данной схеме измеренное напряжение поступает через сопротивление  , поправки – через и . Так как поправкой является измеренное напряжение, умноженное на 1.04, либо на 1.08, коэффициент усиления для первых двух ветвей должен быть равен 0.04 и 0.08 соответственно (единичный коэффициент усиления имеет ветвь с сопротивлением ).

     Коэффициент усиления для каждой из ветвей рассчитывается по формуле:

     

     Решив данные уравнения, получим значения сопротивлений:

 

     4.3 Блок индикации 

     Данный  блок осуществляет непосредственно  отображение измеряемого напряжения на семисегментных индикаторах и сигнализацию верхнего и нижнего пределов измерения, задаваемых оператором.

     Принципиальная  схема блока индикации приведена  в приложении УИТС31.2101.91.166.Э4. 

     4.3.1 Сигнализация верхнего и нижнего  пределов   

     Задание пределов измерения осуществляется регулировкой ручек потенциометров, с выводом задаваемой температуры  на семисегментные индикаторы. Схема регулировки показана на рис.9. Заданные пределы поступают на вход компаратора, где сравниваются с измеренным напряжением. Если измеренная температура выходит за рамки установленных пределов, компаратор выдаст сигнал высокого уровня, который вызовет протекание тока через светодиод.