Разработка цифрового термопарного термометра

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет           

Кафедра общей физики        

Казанцев Осип Сергеевич

КУРСОВАЯ

РАБОТА

«Разработка цифрового термопарного термометра»

молекулярный практикум, 1 курс, группа 9332

Преподаватель молекулярного практикума

Е. А. Кравченко

«»2009 г.

Научный Руководитель

В. Я. Савкин

«»2009 г.

Новосибирск, 2009 г.

Аннотация. В данной работе  идёт описание процесса создания и принципа работы цифрового измерительного прибора и соответствующего программного обеспечения на примере термопарного градусника и АЦП с 1-Wire интерфейсом, по протоколу RS-232. Термопарой в данной работе выступает медь и константан. Температура холодного спая компенсируется при помощи диодного датчика температуры. (Диод выступает как термическое сопротивление)

1. Введение

1.1 Теоретическая часть.

Термоэлектрическим эффектом, или эффектом Зеебека называется возникновение термо-электродвижущей силы в цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников называется термопарой. Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего (T1) и холодного (T2) контактов. Суммарную ЭДС можно выразить формулой U=Uг(T₁)-Uх(T₂) Где Uг и Uх — напряжения на горячем и холодном спаях термопары, одинаковые функции, зависящие от конкретных материалов термопары.  В более правильной форме это выглядит так:

(1)

Где α — коэффициент термоэдс.

Возникновение этого эффекта объясняется тремя событиями:

1.  Различная зависимость средней энергии свободных электронов в различных веществах

2.  Различная энергия Ферми для разных материалов¹.

3.  Не нулевой поток фононов².

         1.2 Практическая часть.

В этой работе использовались термопара медь-константан и восьмибитный, четырёхканальный аналого-цифровой преобразователь DS2450. В качестве программного обеспечения использовались исходные тексты программы для работы с 1-wire протоколом и микросхемой DS2450 в частности, через протокол компьютерного ком-порта RS232. Диапазон измеряемых температур для этой установки задан в пределах  от -200C° до 200C°.

Снятие температурных характеристик у используемой термопары:

Пока-что использовались только четыре различные точки. Это разницы между температурой кипения воды, температурой комнаты, температурой плавления льда, температурой кипения жидкого азота и температурой плавления эвтектического сплава ПОС-61, сваренного специально для этой работы. 

Вот какие характеристики были получены:

Таблица №1.      

_____________________________________________________________________________________________

1 - увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы

2 - квант колебательного движения атомов кристалла, квазичастица.

В качестве универсального образца схемы подключения АЦП к компьютеру был использован вариант предложенный производителем АЦП Dallas semiconductor.

Где LP2980 — стабилизатор напряжения, а BS107A — транзистор.

2. Разработка схемы для термопары.

2.1  Особенности термопары и АЦП

Так как используемый АЦП имеет восьмибитную архитектуру — информация в принципе не может быть точнее чем 400/256=1,56 градусов.  Но было предложено повысить точность следующим образом. Наш АЦП является четырёхканальным (может одновременно преобразовывать данные 4-х различных устройств) И поэтому напряжение с термопары подали на все 4 входа АЦП с разными масштабными коэффициентами. Этот метод называется рандомизацией см. схему №2. В этой схеме на вход ОУ идут выходы  термопары.

Где сопротивления R1 и R2 задают коэффициент усиления, а сопротивления по 200 Ом выступают в качестве делителей напряжения. Т. к. на схеме изображен инвертирующий усилитель выходной сигнал будет выглядеть следующим образом V_OUT=-V_IN*(R2/R1);

Известно, что термопарой измеряют разность температур. Причем полярность сигнала на выходе зависит от того, у какого спая выше температура.  По характеристикам АЦП диапазон входного напряжение может принимать значения от 0 до 2,56 вольт. Это означает, что помимо учёта температуры холодного спая необходимо сместить нуль на выходе термопары примерно на 1,28 Вольта. Я говорю примерно, т. к. ЭДС этой термопары нелинейна, и не симметрична, что можно заметить из таблицы №1 сравнив 3-й и 5-й столбцы. Так как максимальное напряжение снимаемое с термопары в измеряемом диапазоне температур составляет 5,95 милиВольт сразу можем приблизительно рассчитать коэффициент усиления и необходимые номиналы резисторов для ОУ. 2,56/(5,95*10^-3)=4,3*10²=R2/R1.