Технические измерения и приборы (Принципы построения многоканальных измерителей температуры, шифраторов приращения и абсолютных шифраторов): Учебное пособие, страница 3

Оценим  характеристику,  которой  обладал бы мост при Е = 15 В, R1 = R2 = 5 кОм, R3 = R4 = 100 Ом.

Uвых, мВ	0	24,641	49,2	79,677	98,073	122,387
ТЕМР	0	20	40	60	80	100

Как видно из таблицы, выходное напряжение моста примерно в 100 раз превышает величину компенсируемого напряжения (по-прежнему имеем в виду изменение показаний термопары на 1,2 мВ от изменения температуры холодного спая на 100˚C).

Так как выходное напряжение моста включено согласно с термоэдс  датчика

 U₁ = U_{вых м1} + U_тп(100˚С),

то их  сумма   при температуре 100˚С 

а                                                           б

Рис. 4

составит   U₁ = 122,387 + 13,14 = 135,527 мВ, 

что на    

           U₂  = U₁ – U_тп(0˚С) = 135,527 – 14,34 = 121,187 мВ

больше того сигнала, который следовало бы получить на выходе. Это напряжение получим с помощью вспомогательного моста, включив его встречно U₁. Так как U₂  незначительно отличается от U₁, сопротивление не зависящих от температуры резисторов верхних плеч моста  выберем равным 4,9 кОм, а окончательную подстройку схемы выполним подбором дополнительного резистора, включив его последовательно с источником питания. Это приводит к схеме компенсации,  изображенной   на рис. 4, а, а согласование полярностей и величин выходных напряжений каждого из узлов соответствует рисунку 4, б.

Рис. 5 

Согласование величин напряжений термопары и компенсирующего устройства можно было бы выполнить не на основе применения двух термозависимых мостов, а другими средствами, например путем ослабления выходного напряжения  моста в необходимое число раз с последующим суммированием результата с показанием термопары или как-то иначе. Полученная схема измерения обладает характеристиками, допускающими ее практическое использование.

Экспериментальная проверка полученных результатов

Проверить степень полноты достигаемой термокомпенсации методами физического эксперимента в условиях учебной лаборатории практически нереально из-за необходимости использования высоких (1600 ˚С) температур и изменения другой температуры в достаточно широких пределах. Поэтому исследование принятых решений выполняется методом схемотехнического моделирования с помощью пакета Micro CAP-V.

Для моделирования одномостового термокомпенсирующего устройства следует набрать схему рисунка 5. Изменение температуры холодного спая задается переменной TEMP, которую пакет воспринимает как самостоятельный параметр, характеризующий температуру в градусах Цельсия.

При задании кратных и дробных значений величин предусмотрены следующие обозначения:

p   -   пико   -  10^-12                                   k         -  кило  -      10³

n   -   нано   -   10^-9                                       MEG  -  мега   -     10⁶

u  -   микро -   10^-6                                           G      -  гига   -      10⁹    

m   -  милли -   10^-3                                        Т        -  тера   -     10¹².

Несмотря на имеющееся указание на то, что большие и маленькие буквы не различаются, следует иметь в виду, что иногда пакет воспринимает их по-разному. В качестве разделительного десятичного знака в программе Micro CAP-V используется точка.

Для ввода зависящих от температуры параметров в поле Valueописания компонента допускается вводить формульное выражение этой зависимости. Например, запись  100*(1+0.00426*(TEMP)) означает, что сопротивление резистора будет изменяться пропорционально температуре от 100 до 142,6 Ом при ее изменении от 0 до 100^˚C. Таким способом удобно вводить параметры терморезисторов.

Моделирование зависимости показаний термопары от температуры t₀  холодного спая следует начать с выбора функционального источника NFV из меню Component / Analog Primitives / Function Sources / NFV. Из статической характеристики термопары ТПП, как мы уже отмечали, следует, что термоэдс на каждые 100 °С уменьшается на 1,2 мВ, т.е. в пересчете на один градус – на  0,012 мВ. Это позволяет записать в поле Value следующее уравнение: 14.34m – 0.012m*(TEMP) . В этой записи 14.34m определяет величину термоэдс, развиваемой термопарой при температуре горячего спая 1400 °С. Если мы хотим записать ее показания при 1600 °С, вместо 14.34m надо ввести 16.74m. Источником питания моста выбирается обычная батарея Battery с панели компонентов, которая в случае ее отсутствия на экране может быть вызвана из меню Options / Component Palette 1.

После ввода схемы и задания параметров ее компонентов надо перейти в режим анализа переходных процессов (Transient Analysis), вызываемый или из меню, или через <Alt /1>. В открывшемся окне задания параметров в строке TimeRange задается продолжительность временного интервала наблюдения Т, например 1 m. В данном случае эта величина не имеет большого значения, потому что анализируются сигналы постоянного тока, графически при любом времени наблюдения отображаемые горизонтальными прямыми. Основной результат моделирования будет состоять в числовых значениях всех переменных.

Так как анализируемая схема содержит термозависимые элементы, важным в описании является строка Temperature, в которой следует задавать температуру холодного спая термопары в диапазоне от 0 до 100 °С.

а

б

Рис. 6

В графе Р указываются номера графиков отображаемых переменных. На один график (с одинаковым обозначением в графе Р) следует выводить переменные, измеряемые величинами одного порядка, иначе, если объединить две переменные, одна из которых измеряется в вольтах, а другая – в милливольтах, то график второй кривой при одинаковом масштабе будет неразличим из-за отображения его прямой линией. Масштаб графиков может быть задан в явном виде в графах XRangeи YRange или выбран автоматически, для чего надо пометить курсором кнопку AutoScaleRanges.