Схема электрическая принципиальная. Выбор источника опорного напряжения. Предельно-допустимые и электрические параметры ИОН AD581U

                       5. Схема электрическая принципиальная

5.1. Выбор источника опорного напряжения

Согласно [1], питание измерительных преобразователей (ИП) для ТПС может осуществляться как от сети однофазного переменного тока, так и от источника постоянного тока. Причем, перечень номиналов питающих напряжений стандартизован. Предположим, что вся схема ИП получает питание от источника выпрямленного переменного напряжения номиналами +-15 В, подключенного к сети 220 В, частотой 50 Гц.

По требованиям [1] коэффициент высших гармоник питающего напряжения ИП не должен превышать 5%. Для того, чтобы снизить возможное влияние пульсаций питающего напряжения на точность ИП, необходимо применение источника опорного напряжения. Лучшим решением в плане точности и температурной стабильности в данном случае будет применение  ИМС прецизионного термостатированного ИОН.

Выберем трехвыводной интегральный ИОН AD581U, имеющий следующие параметры – Таблица.5.1.1.

Таблица.5.1.1. Предельно-допустимые и электрические параметры ИОН AD581U

Условное графическое обозначение ( УГО ) AD581U приведено на рис.5.1.1.

Рис.5.1.1. УГО AD581U

DC-анализ схемы ИОН в MicroCAP7 при температуре 27 град С показывает, что при изменении входного (питающего) напряжения AD581U в пределах (12...16)В его выходное (опорное) напряжение находится в пределах (9.99510 … 9.99589) В. Кроме того, Transient-анализ показывает, что при изменении рабочей температуры схемы от 0 до 60 град С опорное напряжение изменяется в пределах ( 9.99423686 … 9.99734435 ) В.

                             5.2. Расчет источника тока

В общем случае питание ТПС может быть осуществлено от источника постоянного или переменного (прямоугольного) напряжения. В случае питания ТПС постоянным измерительным током достоинством является простота схемы. В случае питания ТПС переменным напряжением прямоугольной формы удается снизить влияние на результат измерения ошибок ОУ по постоянному току, низкочастотных шумов усилительного тракта и сигналов паразитных термопар. Кроме того, в этом случае можно значительно уменьшить амплитуду измерительного тока, что, в свою очередь, уменьшает погрешности, связанные с саморазогревом резистивного датчика.

В проектируемой схеме питание ТПС будем осуществлять от источника постоянного тока (ИТ).Используем схему Хауленда рис.5.2.1.

Рис.5.2.1. Схема ПНТ на основе схемы Хауленда

В данной схеме ИТ точность формируемого измерительного тока в первом приближении определяется точностью соотношения R4 и R5:

I0 = ( U_in / R )∙( R4 / R5 ), где R = R2 = R3.

Поэтому в идеале резисторы R4 и R5 должны иметь малый разброс и согласованный ТКС небольшой величины. При моделировании рассмотрим худший реально возможный случай, когда ТКС резисторов R4 и R5 максимальны по модулю и противоположны по знаку.

Входное напряжение источника тока снимается с выхода ИОН:

U_in = 10 ( B )

Максимальное сопротивление нагрузки источника тока определяется суммой  сопротивлений: сопротивлением ТПС Rt при максимальной температуре измеряемого диапазона и сопротивлением двух линий связи с учетом их возможного разброса:

r = 2  ( Ом );  Δr = 0,3 ( Ом );  Rnmax = Rt(50) + 2^.r + Δr ;

Rnmax = 10.27 ( Ом )

Измерительный ток, согласно[4] должен выбираться из ряда: 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 2.0; 3.0; 5.0; 10.0; 20.0; 50.0 мА. При этом изменение сопротивления ТПС по причине его разогрева измерительным током не должно превышать 0.1 %.

Выберем величину измерительного тока 1 мА.

I0 = 0.001 ( А )

Напряжение на нагрузке:

Unmax = I0 ^. Rnmax                  Unmax = 0,01 ( В )

Выбираем коэффициент β:   

β = Unmax

Находим отношение R4/R5:

Задаемся номиналом R5:

R5 = 12 ^. 10³  Ом : С5-53Ф, Pном-0.125 Вт, ряд E192, допуск 0.05%,

ТКС:+-10E-6 [1/град С] при tC = ( -60 ... + 70 ) град С

Необходимо заметить, что ТКС каждого из резисторов может иметь как положительный, так и отрицательный знак. Для того, чтобы промоделировать худший возможный случай по влиянию температуры ИП на выходную характеристику, здесь и далее задаем ТКС всех резисторов, равный своему максимальному значению (отрицательному у резисторов, входящих в числитель передаточной функции каждого блока и положительному - у резисторов, входящих в знаменатель передаточной функции каждого блока).

Рассчитываем R4:

R4 = R45 ^. R5                  R4 = 1.2  10³ ( Ом )

Выбираем R4:

R4 = 1.2 ^. 10³ : С5-53Ф,Pном-0.125 Вт, ряд E192, допуск 0.05%, ТКС:+-10E-6 [1/град С] при tC = ( -60 ... +70 ) град С

Рассчитываем значения резисторов R2, R3:

                     R=1000 ( Ом )

Выбираем R2 и R3:

R2 = 1000 Ом : С5-53Ф,Pном-0.125 Вт, ряд E192, допуск 0.05%,

ТКС:+-10E-6 [1/град С] при tC=(-60...+70)град С.

R3 = 1000 Ом : С5-53Ф,Pном-0.125 Вт, ряд E192, допуск 0.05%,

ТКС:+-10E-6 [1/град С] при tC=(-60...+70)град С.

Рассчитываем значение резистора R1:

                        R1=20×10³ ( Ом )

Выбираем R1:

R1=20×10³ Ом : С5-53Ф,Pном-0.125 Вт, ряд E192, допуск 0.05%, ТКС:+-10E-6 [1/град С] при tC = ( -60 ... + 70 ) град С.

Здесь и далее выбор ОУ будем производить из условия соблюдения допустимой суммарной погрешности ИП для случая, когда балансировка усилительных каскадов ( настройка на нуль в отсутствие входных сигналов ) не проводится.

Выбираем прецизионный ОУ - OP-07E. Предельно-допустимые и электрические параметры OP-07E приведены в таблице. 5.2.1.

Таблица.5.2.1. Предельно-допустимые и электрические параметры ОУ - OP-07E

Аналогом данной ИМС, выпускаемым в странах СНГ, считается