Измеритель температуры в диапазоне до 400К

курсовая работа

4. Микроконтроллер ATmega8

5. Семисегментный индикатор

6. Источник питания

2. Обоснование выбора датчика

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов.

Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Термопары не требуют вспомогательного источника питания, имеют широкий диапазон измеряемых температур (от ?250 °C до +2500 °C), просты по конструкции, являются не дорогостоящими, надежны, обладают высокой точностью измерений (вплоть до ±0,01 °С). Однако им присуща заметная нелинейность характеристики преобразования. Некоторые проблемы создает необходимость учета (или компенсации) влияния температуры свободных концов термопары на результат измерения. Кроме того, малое выходное напряжение (0...50 мВ) и сравнительно невысокая чувствительность (10...50 мкВ/°С) требует довольно чувствительных вторичных преобразователей (усилителей).

В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя на основе термопары. На основании предложенного для измерения диапазона температур в качестве датчика была выбрана термопара типа Т, которая имеет среднюю стоимость, среднюю чувствительность, высокую точность. Она удобна для работы с невысокими температурами.

Таблица 1

Тип

Буквенное обозначение

Материал термоэлектродов

Коэффициент термоЭДС,мкв/°С (в диапазоне температур, °С)

Диапазон рабочих температур,

°С

+

-

ТМК

Т

Медь (Сu)

Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)

40-60 (0-400)

от -200 до +350

Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0 = 0°С называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Она задается в виде таблиц (градуировочных) или формул.

Рис. 2- Характеристики термопары. Зависимость ТЭДС от температуры.

По градуированной таблице для термопары ТМК (Т) для диапазона температур от -273 до +172єС с шагом 10 єС, пользуя программу Microsoft Excel построен график, представленный ниже (Рис.3).

Рис. 3 Зависимость ТермоЭДС от температуры

Как видно из графика, зависимость для датчика ТМК является не линейной. Данное уравнение получено с помощью программы Microsoft Excel.

, мВ (Т, С)

3. Выбор микросхемы AD594

Рис. 4 Блок схема AD594

Микросхема предназначена для подключения к термопарам типа J(AD594) или типа K(AD595). Может использоваться с термопарами типа Т, как в нашем случае.

AD594/AD595 -- инструментальный усилитель и компенсатор напряжения прохладного спая, выполненный в одном чипе. Эта микросхема осуществляет привязку к «точке таяния льда» и содержит предварительно откалиброванный усилитель, который обеспечивает получение выходного напряжения высочайшего уровня (10 мВ/°С) конкретно с выхода термопары. В ряде всевозможных случаев чрезвычайно принципиально, чтоб чип находился при той же температуре, что и прохладный спай термопары. Традиционно это достигается методом размещения обоих в конкретной близости друг от друга и изоляции их от источников тепла.

Характеристики AD594:

- широкий интервал напряжений питания: +5В и до ±15В.

- Низкая мощность: <1 мВт в обычных условиях.

- Сигнализация разрыва термопары.

- Лазерная калибровка до точности 1°С.

- Режим установки операции.

- Встроенная операция с термометром по Цельсию. Дифференциальный вход высокого сопротивления.

- AD594 может питаться напряжением одной полярности (+5В) и напряжением обоих полярностей при необходимости измерения температуры ниже 0°С, а именно такое питание и используется в разработанной схеме.

Подключение одиночного и двойного питания:

Рис. 5 Одиночное питание

Можно использовать любое удобное напряжение от +5 В до +30 В, при этом возникают ошибки, связанные с самонагревом, более низкое значение которой соответствует более низкому уровню напряжения. В случае одиночного питания +5 В подключается на ножку 11, а «земля» - на ножку 7 (для обеспечения питания) и на ножку 4 (общий сигнал). Термопара подключается к ножкам 1 и 14, либо непосредственно в месте измерения, либо через проводники, соответствующие типу термопары. В случае, когда сигнализация не используется, ножку 13 необходимо подключить на «землю». Калиброванный выходной сигнал с ножки 8 вместе с выходом ножки 9 позволяет получить номинальную температурную характеристику в 10 В/°С для передачи.

Рис. 6 Двойное питание

При использовании двойного питания в широком интервале напряжений, как показано на Рис. 6, AD594/AD595 может измерять температуру и меньше и больше нуля в более широком интервале, чем при использовании одинарного питания. С отрицательным питанием на выходе можно измерять отрицательные температуры и управлять нагрузкой на заземление или нагрузкой обратного положительного напряжения. Увеличение положительного напряжения от 5 до 15 В расширяет уровень выходного напряжения, что позволяет измерять температуру до 750°С для термопары типа J и до 1250°С для термопары типа K.

Напряжение в обычном режиме на входе термопары должно соответствовать пределу обычного режима AD594/AD595 с обратной связью для смешения потоков. В случае если термопара не заземлена отдельно, тогда рекомендуется связи, показанные на Рис. 5 и 6 пунктирной линией. Для подключения этой связи возможно потребуется резистор, чтобы наверняка стабилизировать индуцируемое напряжение в обычном режиме.

А в качестве источника питания мы используем простую в использовании солевую батарейку «Крона», которая будет выдавать 9 В.

Рис. 7 Батарейка «Крона»

Наша схема требует питания в 5 В. Мы можем использовать линейный стабилизатор напряжения MCL7805, который будет давать на выходе необходимое напряжение в 5 В. Стабилизатор имеет функцию защиты от перегрева: в случае перегрева стабилизатор отключается. Конденсатор С2 на входе необходим для ликвидации ВЧ помех при подачи входного напряжения. Конденсатор С3 на выходе стабилизатора, как и в любом другом источнике питания, обеспечивает стабильность блока питания при резком изменении тока нагрузки, а так же уменьшает степень пульсаций. Ко входу («+» и «-» на схеме) подключается источник постоянного напряжения 9В, в нашем случае батарейка.

Рис 8. Стабилизатор MCL7805

Рис.9 Схема стабилизатора MCL7805

Стоит отметить, что на выходе у стабилизатора однополярное напряжение, а на входе у AD594 мы используем двухполярное. Чтобы получить необходимое двухполярное напряжение, добавим в схему DC/DC преобразователь AM10. В него входят инвертор, трансформатор и выпрямитель.

Подключение термопары

Изотермическое подключение к терминалу пары выводов термопары происходит путем спайки. Этот спай должен находиться при такой же температуре, как и AD594/AD595, что обеспечивает эффективную внутреннюю компенсацию холодного спая.

Рис. 11

Схема соединения, обеспечивающая равенство температур - печатная плата соединения выходов показана на рисунке 11. Здесь температурная часть чипа AD594/AD595 и печатная плата припаяны к медным дорожкам 1 и 14. В этом случае холодный спай представляет собой медь-константан (или медь-алюмель) и медь-железо (или медь-хромель), оба из них имеют такую же температуру, как и AD594/AD595.

Представленная печатная плата также имеет выводы для расположения резисторов на выходе нагрузки сигнализации, калибровочных резисторов и компенсационного конденсатора для ограничения пропускной способности. Для улучшения контакта перед пайкой необходимо зачистить концы термопары, чтобы убрать слой оксида. Чтобы избежать коррозии спаев для железа, константана, хромели и алюмели необходимо применять флюсы следующего состава: 95% олова - 5% сурьмы, 95% олова - 5% серебра или 90% олова - 10% свинца.

4. Схема на ОУ

На выходе микросхемы AD594 сигнал двухполярный, а на вход микроконтроллера необходимо подавать однополярный в пределах от 0 до +5В.

Для этого применяется схема операционного усилителя (ОУ).

В устройство входит:

- Три резистора

- Операционный усилитель

Коэффициент усиления микросхемы для AD594: К=193,4

Для -270С: U1 = -6,458*К=-1,25 В

Для 127С: U2=26,052*К=1,1 В

Используя закон Ома, составим систему уравнений. Номиналы резисторов рассчитали по формулам, принимая резистор R1= 10 кОм, исходя из того, что нельзя брать низкоомное сопротивление, чтобы не перегружать операционный усилитель и высокоомное из-за появления погрешностей.

датчик микросхема термопара питание

Решая систему уравнений, получены следующие значения:

R2=40 кОм; R3=12,8 кОм

Номиналы резисторов подобраны из стандартного ряда Е24.

R1=10кОм; R2=43кОм; R3=13кОм

Рис. 12 Повторитель напряжения

В качестве повторителя напряжения использован TL071CP, его характеристики приведены ниже.

Характеристики TL071CP

· Количество каналов: 1

· Напряжение питания: ±18В

· Частота: 4 МГц

· Рабочая температура: 0…70 єC

Питание ОУ составляет +5 и -5 В, такой выбор можно объяснить тем, что МК ATmega8 имеет напряжение питания 4.5 - 5.5 В. Усиление сигнала выше данного значения не имеет смысла.

5. Обоснование выбора микроконтроллера

При выборе микроконтроллера учитывались следующие параметры:

1) Достаточное количество портов вводов/выводов для подключения индикаторов

2) Наличие встроенного АЦП

Делись добром ;)