Система централизованного контроля температуры

курсовая работа

5. Анализ проводного подсоединения последовательной цепочки датчиков к МК

С точки зрения применения проектируемой СЦКТ одним из важных аспектов является максимальная длина соединительных проводов (СП), при которой система измерения температуры сохраняет метрологические характеристики (МХ) в рамках ТЗ. По соединительным проводам передается измерительный ШИМ сигнал (рис. 5.1).

Рис. 5.3 Схема последовательного включения датчиков температуры и МК в СЦКТ.

На рисунке 5.3:

СП - соединительный провод,

УУ - устройство управления, которое состоит из МК, дисплея, клавиатуры,

AD1. AD5 - группа последовательно включенных датчиков TMP06B.

Известно, что с увеличением длины провода его емкость увеличивается.

Емкостные параметры СП влияют на форму передаваемого сигнала. Следовательно чем длиннее провод, тем передаваемый сигнал будет более искажен.

Рис.5.2 ШИМ сигнал датчика TMP06B.

На рисунке 5.2 представлен измерительный ШИМ сигнал, который поступает по СП от датчика к датчику и от датчиков в МК. Очевидно, что при увеличении длинны проводов, МХ системы будут зависеть от искажения фронта и среза сигнала. Из технического описания (ТО) датчика TMP06B известно, что при емкостной нагрузке 100 пФ, резистивной нагрузке 10кОм и напряжении 5.5 В, типовое значение величины среза и фронта соответственно равно 30 нс и 50 нс [7].

На рисунке 5.2 представлен, взятый из ТО датчика TMP06B, график зависимости длительности времени фронта/среза от емкостной нагрузки линии передачи сигнала.

Рис. 5.3 График зависимости времени фронта/среза от емкостной нагрузки линии передачи.

Согласно международному стандарту коммуникационных кабельных сетей ISO/IEEC11801, нормируемая длинна линии составляет 100м между сегментами сети, при максимальной емкостной нагрузке 5.6 нФ [8].

Из рисунка 5.3 видно, что при емкостной нагрузке С равной 5.6 нФ, длительность фронта Tф = 920 нс, а длительность среза Tc = 520 нс. Тогда, используя линию длиной 100м, можно оценить увеличение длительности ШИМ сигнала приблизительно на 1.5мкс.

Используя формулу (7) из раздела 4, получим:

|Дд|= (751* Дт) /TL * (1+TH/TL), (5.1)

где

Дд - погрешность дискретизации,

TL - длительность сигнала низкого уровня (рис. 5.2),

TH - длительность сигнала высокого вровня (рис. 5.2),

Дт - аддитивная составляющая погрешности счета.

Ниже представлен расчет Дт.

Формула расчеты аддитивной составляющей выглядит так:

Дт =Tи+To, (5.2)

где

To - период опорного импульса (2 мкс, см. раздел 4),

Ти - суммарное время "завала" фронтов/срезов сигнала от группы датчиков.

Расчет оценочного предельного значения Ти (из формулы 5.2) выглядит следующим образом:

Пороги срабатывания каждого датчика в цепи, при поступлении импульсного сигнала в ТО датчика TMP06B не описаны. Следовательно не известно на сколько меняется длительность информационного интервала ШИМ сигнала (Ти) при прохождении через датчик (при использовании группы датчиков).

Тогда:

Ти = ТИ1+ ТИ2+ ТИ3+ ТИ4+ ТИ5, (5.3)

где ТИ1 - длительность сигнала от датчика AD1 при поступлении в МК,

ТИ1 - длительность сигнала от датчика AD2 при поступлении в МК,

ТИ1 - длительность сигнала от датчика AD3 при поступлении в МК,

ТИ1 - длительность сигнала от датчика AD4 при поступлении в МК,

ТИ1 - длительность сигнала от датчика AD5 при поступлении в МК,

Тогда, при прохождении сигнала от одного датчика к другому, длительность информационного интервала от каждого датчика увеличивается на 1.5мкс (см. выше). Следовательно:

ТИ1 = = (1.5*5) мкс = 7.5мкс,

ТИ2 = = (1.5*4) мкс = 6мкс,

ТИ3 = = (1.5*3) мкс = 4.5мкс,

ТИ4 = = (1.5*2) мкс = 3мкс,

ТИ5 = = (1.5*1) мкс = 1.5мкс.

В результате, используя формулу 5.3, получим:

Ти = ТИ1+ ТИ2+ ТИ3+ ТИ4+ ТИ5= (7.5+6+4.5+3+1.5) мкс = 22.5мкс.

Тогда, согласно формуле 5.2:

Дт =Tи+To= (22.5+2) мкс=24.5мск.

Возвращаясь к формуле 5.1, получим:

1) При температуре Т=100 ОС, TL = 84мс, TH = 36мс.

Тогда, |Дд100|=0.464 %.

2) 1) При температуре Т=0 ОС, TL = 60мс, TH = 33.6мс.

Тогда, |Дд0|=0.319 %.

Применим формулу 3 из раздела 4 для оценки общего значения приведенной погрешности СЦКТ:

г = гs+ гд, (5.4)

где гs - приведенная погрешность датчика (см. раздел 4),

гд - приведенная погрешность дискретизации (расчета, см. раздел 4).

Из раздела 4 известно, что для температуры Т=100 ОС и 0 ОС, значение погрешности датчика равно гs100=0,25% и гs100=0.15% соответственно.

Тогда, используя формулу 5.4, получим:

Для T=100 ОС: г = гs100+ гд100 = 0.25%+0.464%=0.714%;

Для T=0 ОС: г = гs0+ гд0 = 0.15%+0.319%=0.469%;

Данные значения приведенной погрешности удовлетворяют условиям ТЗ.

Представленный выше расчет позволяет использовать провода длинной не более 100м между датчиками и МК при емкостной нагрузке 5.6нФ/100м, при погрешности измерения температуры Т не более 1% (см. ТЗ).

На рисунке 5.1 представлен "радиальный" метод соединения датчиков и МК СЦКТ. который позволяет использовать провода одинаковой длины. Так как расчет позволяет использовать провода длинной не более 100м, то "радиальный" метод соединения датчиков и МК приемлем для проектируемой СЦКТ.

Анализируя различные виды проводов (витая пара, оптоволоконный кабель, коаксиальный кабель) можно сказать, что для работы СЦКЗ подходит множество различных типов кабелей (с точки зрения электрических характеристик). На пример в пределах помещения чаще всего используют витую пару для соединения сегментов системы на расстоянии не больше ~100 метров. Оптоволоконный кабель применяется для соединения сегментов системы на расстоянии больше 100 метров, так как сигнал в оптоволоконном кабеле затухает (искажается) меньше, в отличие от витой пары, но и цена таких кабелей много больше.

Витая пара типа ТПП ЭП [9] - экранированная витая пара категории 2. Согласно электрическим характеристикам данного провода, емкостная нагрузка составляет 4.5нФ/100м. Данное значение емкостной нагрузки соответствует расчетам проведенным в данном разделе. Так как значение емкостной нагрузки ТПП ЭП меньше нормируемого в стандарте ISO/IEC11801 (5.6нФ/100м), то можно использовать провода длинной ~120 метров. Использование такого кабеля длинной 120 метров между датчиками и МК СЦКТ приемлемо с метрологической точки зрения. Но диапазон рабочих температуры ТПП ЭП составляет от - 15 ОС до 60 ОС, тогда как согласно ТЗ диапазон измеряемой температуры составляет от 0 ОС до 100 ОС. Для решения этой проблемы в схеме подключения датчиков и МК используется провод для работы с термопарами. То есть вблизи датчиков, где температура может превышать 60 ОС используется термостойкий длиной от 1 до 10 метров (в зависимости от области и специфики применения СЦКТ), а в остальной части соединения используется термопара (рис. 5.4).

Рис. 5.4 Схема соединения датчиков, термостойкого провода и витой пары в СЦКТ.

На рисунке 5.4 представлен пояснительный рисунок подключения датчиков и МК, где:

СП1 - термостойкий провод длинной 10 метров,

СП2 - кабель типа ТППЭП длинной 100-110 метров.

В качестве термостойкого провода можно использовать провод типа ПВКВ [10]. Это провод с медной многопроволочной жилой. Диапазон рабочих температур данного провода составляет от - 15 ОС до 180 ОС.

Использование витой пары в сочетании с термостойким проводом общей длиной не более 120м для соединения датчиков и МК в СЦКТ приемлемо с точки зрения всех аспектов ТЗ.

Делись добром ;)