Расчёт аналоговой части. Функциональная схема измерительного датчика. Принципиальная схема источника тока и подключённых к нему измерительного элемента и компенсирующего элемента

 Расчёт аналоговой части.

Аналоговая часть состоит из следующих функциональных узлов: источник тока, измерительный элемент и усилитель измерительного сигнала, компенсирующий элемент и усилитель компенсирующего сигнала, выходного усилителя и усилителя аналогового выхода. Функциональная схема аналоговой части приведена на рисунке 4.

Рис.4. Функциональная схема измерительного датчика.

Источник тока построен на преобразователе напряжение ток на одном ОУ.

 

Рис. 5. Принципиальная схема источника тока и подключённых к нему измерительного элемента и компенсирующего элемента.

Для расчета элементов измерительной схемы зададимся током который должен выдавать источник тока. При Е = 10 В, приняв R1 = 10 кОм, получим ток                                 операционного усилителя равный :

Для обеспечения заданного тока и ослабления влияния изменение температуры окружающей среды на величину задающего тока, необходимо выбирать резистор прецизионного  типа и с низким значением ТКС. Выбираем резистор R1 типа:

C2 – 29В – 0.125 А  10 кОм    ± 0.05 % ТКС 10 × 10 ^–6

Похожие требования предъявляются и к операционному усилителю, поэтому выбираем прецизионный операционный усилитель К140УД17А, который имеет следующие параметры:

U_ип = ± (13.5 ¼ 16.5) В

U_{вых. max} = 12 В

I _вх = 2 нА

ΔΔI_вх /ΔT  <  25 нА/°С

ΔU_см /ΔT = 0.6 мкВ/°С

В качестве измерительного элемента используем платиновый термометр сопротивления 100П у которого W₁₀₀ = 1.391, и так как измеряемый диапазон температур равен  0 < t < 600 °C , то значение сопротивлений от температуры будет рассчитываться по следующей формуле :

                где  R₀ = 100 Ом

a = 3.968 × 10 ^{-  3} °С ^{- 1}

b = - 5.847 × 10 ^{– 7} °С ^{– 2}

Если подставить в эту формулу значение температуры то получим соответствующие ей значения сопротивления, при 0 °С сопротивление будет равно 100 Ом, а при 600 °С – R _t = 317.06 °С. Исходя из этих крайних значений и будем рассчитывать дальнейшие узлы схемы.

Усилитель измерительного сигнала построен на дифференциальном усилителе, который приведен на рисунке 6.

 

Рис. 6. принципиальная схема дифференциального усилителя.

Значения резисторов R2, R3, R4, R5 выбираем одинаковыми, т.е. дифференциальный усилитель работает как повторитель. Резисторы R2, R3, R4, R5 могут не обладать низким ТКС, выбираем резисторы типа:

МЛТ – 0.125 Б 10 кОм  ± 0.5 %   ТКС  250 × 10 ^{– 6}

Выбираем операционный усилитель К140УД17А, его параметры приведены выше.

Платиновый термометр сопротивления имеет параметр который не зависит от температуры:

Напряжение снимаемое с термометра сопротивления будет равно.

Как видно из этой формулы параметр I×R₀  не зависит от температуры, если не убрать эту составляющую, то при нулевой температуре выходной сигнал термометра сопротивления не будет равен нулю. Поэтому для удобства измерения введем компенсирующий элемент, сопротивление которого равно R₀. Также для того что бы исключить влияние линии связи на выходную величину термометра сопротивления желательно компенсирующее сопротивление подключить так чтобы r_лн1, r_лн2, r_лн3 ,r_лн4 измерительного элемента были равны   r_лн1, r_лн2, r_лн3, r_лн4 компенсирующего резистора R₀ (смотреть рисунок 5).

Резистор R₀ должен обладать низким ТКС, а также высокой точностью, поэтому выбираем прецизионный резистор R₀   

С2 – 29В – 0.125 С  100 Ом   ± 0.05 %   ТКС 10 × 10 ^{- 6}

Усиление компенсирующего сигнала производим таким же дифференциальным усилителем как и для усиления измерительного сигнала. Соответственно и номиналы элементов выбираем таки ми же :

R6, R7, R8, R9 –– МЛТ – 0.125 Б 10 кОм  ± 0.1 %   ТКС  250 × 10 ^{– 6}

Вычитающее устройство и выходной усилитель соберём на дифференциальном усилителе, принципиальная схема показана на рис. 7.

Критерием выбора номиналов резисторов R10, R11, R12, R13 служит уровень сигнала который необходимо подать на АЦП. Этот уровень выбирается таким что бы преобразование в цифровой код было более удобным. Расчёт уровня этого напряжения приведен в разделе выбора и расчёта АЦП (смотреть по содержанию). В результате расчёта было получено что при максимальной температуре 600 °С уровень напряжения должен быть равен 1.172 В. Для выбора коэффициента усиления выходного усилителя необходимо рассчитать напряжение которое будет сниматься с термометра сопротивления, при максимальной температуре, а так же сигнал со схемы компенсации.

Рис. 7. Принципиальная схема выходного усилителя.

Исходя из формулы , сопротивление терморезистора при температуре 600 °С  будет равно R _t =317.06 Ом. Так как ток источника тока равен   1 мА, то напряжение снимаемое