Эквивалентная схема измерения температуры с использованием заданного первичного измерительного преобразователя(термоэлектрического)

заданный температурный диапазон на опорном спае совпадает с температурным диапазоном ИП, задаем на опорном спае выражение для определения термоЭДС при текущей температуре анализа TEMP:

1E-6*(TEMP^0*0+TEMP^1*5.40313308631E0+TEMP^2*1.2593428974E-2+TEMP^3*(-2.32477968689E-5)+TEMP^4*3.22028823036E-8+TEMP^5*(-3.31465196389E-11)+TEMP^6*2.55744251786E-14+ TEMP^7*(-1.25068871393E-17)+ TEMP^8*2.71443176145E-21)

Задавая при проведении Transient-анализа в меню Limits температуру сначала 10 град С, а затем 40 град С,  определяем, что на выводах опорного спая может возникать термоЭДС величиной от 0.05526 до 0,2349 мВ.

Рис.7

Рис.8

5.Схема электрическая принципиальнаяизмерительного преобразователя.

5.1Расчёт входного усилителя.

В рассматриваемом примере применим и рассчитаем дифференциальный измерительный усилитель на инструментальном ОУ LT1167. Параметры ОУ LT1167 (DA1)следующие: +-Uп=(2.3 ...18)В, k=1 ...10000 (задается внешним резистором),+-Uвых max=13.8В(при Uп=+-15В), Uсм=15мкВ, Iвх=350пА, dIвх=550пА, ТКUсм max=0.3мкВ/град С, ТКdIвх=0.3пА/град С,Uвх max=(-13.1 ...+13.8)В (при Uп=+-15В), КОСС=90дБ (min),Iвых max=27мА f1=1МГц (при k=1), VUвых=1.2В/мкс.

С точки зрения использования в схеме дифференциального измерительного усилителя ОУ LT1167 обладает достаточно высоким КОСС (90 дБ), малыми Uсм, dIвх и малым их температурным  дрейфом.

Рассчетный коэффициент усиления ВУ составляет:

Kву=1+(49400/R1)

Для проверки коэффициента усиления входного усилителя задаем нулевую температуру на опорном спае E2, т.е. задаем при анализе нулевую температуру TEMP.

Полезный сигнал на входе ВУ, зависящий от температуры, находится в пределах: 

Диапазон изменения полезного сигнала на входе ИП:

dE=E(1500)-E(1100)                dE=3.6311*10^-3

При помощи Transient-анализа определим фактическую величину полезного сигнала на входе ИП:

Рис.9

E(1200)=(0.082628-0.058726)/2           E(1200)=0.011951 В

Соответственно проводим анализ для рабочего спая при температуре 1500 гр С.

E(1500)=(0.086234-0.055071)/2           E(1500)=0.015582 В

Зададимся размахом полезного сигнала на выходе ВУ, равным 0.5В. Тогда необходимый коэффициент усиления ВУ составит:

Kvu=0.5/dE                      Kvu=137.6986

Рассчитываем R1:

R1=49.4*10³/(Kvu-1)      R1=361.379 Ом

R1=361 Om    тип: С5-54В,Pном-0.125 Вт, ряд E192, допуск 0.05%, ТКС:+-10E-6 [1/град С] при tC=(-60...+70)град С

С учетом выбранного номинала R1 коэффициент усиления ВУ составит:

Kvur=(1+49.4*10³/R1)        Kvur=137.84

С учетом выбранных номиналов полезный сигнал на выходе ВУ при 1200 и при 1500 град С будет равен:

Uvumin=E(1200)*Kvu       Uvumin=1.6473 В

Uvumax=E(1500)*Kvu      Uvumax=2.1478 В

Расчетный диапазон изменения полезного сигнала на выходе ВУ составит:

dUvu= Uvumax- Uvumin   dUvu=0.5005 В

Дифференциальная помеха будет усилена с этим же коэффициентом усиления Kву_r, и ее амплитудное значение составит:

Uvupom=0.05*√2*Kvur     Uvupom=9.7469 В

Определим при помощи моделирования фактический диапазон изменения полезного сигнала, т.е. разность постоянных составляющих сигнала на выходе ВУ при температурах рабочего спая, равных  1200 град С и 1500 град С. Transient- анализ в MicroCAP7 при температуре ИП 27 град С дает следующие результаты:

Uvu(1200)=(11.377193-8.083516)/2      Uvu(1200)=1.646839 В

Uvu(1500)=(11.890152-7.595703)2       Uvu(1500)=2.147225 В

dUvua= Uvu(1500)- Uvu(1200)              dUvua=0.500386 В

5.2. Расчет схемы термокомпенсации опорного спая 

Определим значения термоЭДС опорного спая для крайних точек заданного температурного диапазона опорного спая:

tComin=10 гр С         tComax=40 гр С    - диапазон температур опорного спая

E(tComin)= 5.5268*10^-5 В     E(tComax)=2.3487*10^-4  В      

dE=1.796*10^-4 В - ширина диапазона термо-ЭДС опорного спая

Максимальная относительная погрешность ИП по входу, которая может возникнуть в отсутствие термокомпенсации опорного спая, составит:

D_inmax= (E(tComax)/ E(1200))*100      D_inmax=1.97%

Можно сделать вывод о том, что для заданных типа ТЭП и диапазона температур рабочего и опорного спаев необходима схема термпокомпенсации опорного спая.

В качестве датчика температуры опорного спая используется термистор C620_2200.  Термистор характеризуется высокой чувствительностью и имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, с эквивалентным отрицательным ТКС. 

Для заданного диапазона температур построим график зависимости  сопротивления термистора C620_2200 от температуры по табличной зависимости 1304 (Rt_t) и по результатам анализа (Rt_a) в Micro-CAP.

R25=2200 Om - сопротивление термистора при температуре 25 град С

Рис.9

Определим отклонение сопротивления (%), определяемого из табличных данных от сопротивления, определяемого из экспериментальных данных:

dRt_i=

3.4231

2.7387

2.2534

1.8707

1.7587

1.4982

1.2999

Видно, что отклонение табличных данных от экспериментальных не превышает 3.5%. Далее будем работать с экспериментальными данными. Аппроксимируем дискретную температурную зависимость сопротивления Rt_a полиномиальной функцией 3-й степени на заданном интервале температур опорного спая. Аналитическую зависимость будем искать в виде:

Rt(tCo,A,B,C,D)=A* tCo³+B* tCo²+C* tCo+D;(*)

В данном выражении A имеет размерность Ом/(град^3), B - Ом/(град^2