Эквивалентная схема измерения температуры с использованием термопреобразователя сопротивления. Эквивалентная схема термопреобразователя сопротивления

1. Эквивалентная схема измерения температуры с использованием  ТПС

Эквивалентная схема измерения представлена на рис.1.1, где  приняты следующие обозначения:

Рис.1.1 Эквивалентная схема измерения температуры с использованием термопреобразователя сопротивления

ИП - измерительный преобразователь;

ОИ - объект измерения;

ЗА - защитная арматура чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления;

ЧЭ - чувствительный элемент ТПС;

Rлс - сопротивление ЛС;

Rиз  - сопротивление изоляции между ЧЭ и ЗА ТПС;

Спар - емкость между ЧЭ и ЗА, обусловленная конструктивными особенностями ТПС;

Uов - напряжение между землями ИП и ЗА ТПС;

Uнв - эквивалентное напряжение помехи,приложенное к входу ИП;

ИТ - источник тока ИП, при помощи которого запитывается ПТС;

ВУ - входной усилитель, усиливающий падение напряжения на ПТС.    

Паразитная емкость и сопротивление изоляции принимаются равными соответственно 1нФ и 500 кОм.

2. Эквивалентная схема термопреобразователя сопротивления

Эквивалентная схема ТПС представлена на рис.2.1, где приняты следующие обозначения:

Рис.2.1 Эквивалентная схема ТПС

РС - резьбовое соединение;

КК - клеммная колодка;

ПЧ - погружаемая часть ТПС.

3. Функциональная схема ИП

Функциональная схема ИП представлена на рис.3.1, где приняты следующие  обозначения:

ИТ  - источник тока, необходимый для задания тока питания ТПС;

ИОН - источник опорного напряжения, необходимый для задания    уровня тока питания ТПС и необходимого напряжения смещения для формирования требуемого диапазона выходного сигнала;

ВУ - входной усилитель, необходимый для усиления сигнала   поступающего с ТПС;

ФПС - фильтр постоянной составляющей, необходимой для снижения влияния напряжений Uнв и Uов;

Сум - сумматор, необходимый для смещения выходной характеристики измерительного преобразователя;

ВC ИП - выходной сигнал измерительного преобразователя.

Рис. 3.1 Функциональная схема измерительного преобразователя

4. Модель термопреобразователя сопротивления

Первичным измерительным преобразователем температуры является термопреобразователь сопротивления (ТПС). С учетом заданного диапазона измеряемых температур (0..+200)град С, выбираем платиновый термопреобразователь сопротивления класса допуска В,длякоторого значения метрологических характеристик определены при температурах (-200..+200)град С. Для ТПС этого класса допускаемое отклонение сопротивления от номинального при 0 град С не превышает 0.1%, а допускаемое отклонение сопротивления от номинальной статической характеристики преобразования (НСХ) не превышает(0.25+0.0035|t|)град С.

R0=10 Ом, W100=1.391;

Номинальная статическая характеристика ТПС в диапазоне температур 0...+850 град С описывается уравнением вида:

W(tC)= ;

Сопротивление ТПС изменяется по закону:

R(tC)=                    (1)

Допускаемое отклонение сопротивления ТПС составляет:

;

Построим зависимость сопротивления ТПС от температуры с учетом предельно допускаемых отклонений:

Rtmaxs=;

Rtmin=;

При проведении расчета и моделирования представим модель ТПС как резистор с допуском 0.1% .

Рис.5.1 Зависимость сопротивления ТПС от  температуры(0..200) град С

Рис.5.2 Зависимость сопротивления ТПС от  температуры(0..10) град С

Определим значения сопротивлений ТПС для шести точек заданного температурного диапазона :

R(tC)=                     (2)

R(0)=10 Ом;                  R(120)=14.607 Ом;

R(40)=11.554 Ом;          R(160)=16.105 Ом;

R(80)= 13.09Ом;            R(200)=17.586 Ом;

Таким образом, считаем, что в пределах измеряемого диапазона температур сопротивление ТПС изменяется по закону (1) и (2)  от 10 Ом до 17.586 Ом.

[ 1]

5. Схема электрическая принципиальная ИП

5.1. Выбор источника опорного напряжения

 

Рис.5.1.1 Источник опорного напряжения  в MicroCAP7

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:

Uст.ном=10 В;

DUст.max=15 мВ в диапазоне температур (-55..+125) град С;

Uвх=(12..30) В;Iвых max=10 мА;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации aUст=5E-6 [1/град С] в диапазоне температур (0..70) град С.

DC-анализ схемы ИОН в MicroCAP7 при температуре 27 град С показывает