Преобразователь выходного сигнала термопары

Содержание

 

 

1Задание 3

2 введение 4

3 обзор преобразователя напряжения в токовый сигнал 6

4 Расчет параметров преобразователя 11

5 выбор элементной базы 13

6 Заключение 15

Список литературы: 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1Задание

 

Разработать преобразователь выходного сигнала термопары измененной в диапазоне от 21,2 до 28 мВ в унифицированный токовый сигнал от 0÷5 мА. Погрешность не должна превышать 2 %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 введение

Автоматизация производства, проведение научных исследований, испытание различных устройств невозможны в отсутствии измерительной информации об объектах. Источниками такой информации служат датчики.

Однако сигналы, вырабатываемые датчиками, не всегда можно напрямую передать устройствам обработки и хранения данных без дополнительного преобразования.

Для этих целей применяют нормирующие  преобразователи. Именно они являются связующим звеном между огромным миром датчиков и исполнительных устройств и системами сбора данных и управления. Нормирующие преобразователи (нормализаторы) - это устройства, преобразующие сигналы от датчиков в сигналы унифицированных диапазонов, принятых в системе ГСП.

Для аналоговых сигналов такими диапазонами являются, как правило, 0…5 В, 0…10 В, 0…20 мА, 4…20 мА, либо токовая петля.

Для дискретных - сигналы TTL-уровня в  диапазоне  0…5 В.

Основной структурной единицей любой измерительной системы  является измерительный канал, выполняющий законченную измерительную функцию, предусмотренную алгоритмом его функционирования. Нормирующие преобразователи составляют неотъемлемую часть структуры измерительного канала, обеспечивая информационную совместимость системы посредством унификации входных и выходных сигналов и применением стандартных интерфейсов. Таким образом, от того, насколько качественным и надежным будет нормализатор, насколько полно он будет выполнять свои функции, зависит качество всей измерительной системы.

Сегодня появилось много недорогих  и качественных компьютерных плат ввода/вывода измерительных сигналов. Но могут ли они обеспечить прямое подключение всего многообразия датчиков, обеспечить безопасность и достоверность измерений? Способны ли модули ввода/ вывода современных контроллеров решить самостоятельно все проблемы, возникающие при построении систем управления? Далеко не всегда.

 Способствовать решению задач  по обеспечению целостности  систем сбора данных и управления призваны нормирующие преобразователи.

Конструктивно нормирующие преобразователи SG-3000 компании ICP DAS выполнены в виде отдельных модулей, которые устанавливаются на DIN-рейку. Подключение к ним осуществляется через винтовые клеммы на корпусе. Модульная конструкция позволяет легко определять и заменять вышедшие из строя модули, что повышает ремонтопригодность контрольно-измерительной системы.

Преобразователи серии SG-3000 весьма просты и удобны в эксплуатации. Они обеспечивают гальваническую изоляцию до 3000 В, при этом максимальная погрешность преобразования не превышает +0,1% полной шкалы. Настройка диапазонов входного и выходного сигналов, настройка нуля шкалы обеспечиваются при помощи миниатюрных переключателей, расположенных на задней панели под защелками и подстроечных резисторов на передней панели устройства.

В настоящий момент серия SG-3000 включает в себя нормирующие  преобразователи для сигналов тензодатчиков, постоянного тока и постоянного напряжения. В ближайшее время спектр этой продукции расширится за счет преобразователей сигналов термопар и термосопротивлений.

 

3 обзор преобразователя  напряжения в токовый сигнал

 

Основными задачами этой группы приборов являются преобразование сигнала  и гальваническое разделение цепей  входного, выходного сигналов и питания. В модулях применяется как  трансформаторный, так и оптический методы развязки. Входной сигнал от датчика преобразуется методом широтно-импульсной модуляции в частотный, его переменная составляющая передается либо через трансформатор, либо через оптрон и затем демо-дулируется. Дальше он преобразуется в нормализованный аналоговый сигнал.

Такой способ передачи и преобразования сигнала необходим для устранения влияния шумов и эффекта земляной петли.

Сигнал, идущий от удаленного датчика, составляет несколько миллиампер. Поэтому любое влияние электромагнитного  поля (шума), например, от работающего  неподалеку электромотора, может не только исказить измеряемую величину, но и вывести из строя последующие  входные цепи дорогостоящего контроллера. Это происходит потому, что помеха (наведенный свободный потенциал) на стороне датчика действует на оба проводника цепи одинаково, то есть разность потенциалов равна нулю. На стороне же заземленного приемника (контроллера) потенциал земли фиксируется, и вся разность потенциалов, равная амплитуде помехи, падает на входные  цепи контроллера, выводя их из строя. Введение же в цепь межу датчиком и  контроллером гальванической развязки устраняет влияние внешних шумов, поскольку наведенный потенциал  на стороне датчика остается свободным. Через преобразователь проходит только полезный сигнал, который на стороне контроллера измеряется уже относительно нулевого потенциала.

С другой стороны, если удаленный  датчик заземлен отдельно от контроллера, то между заземлением приемника  и датчика возникает разность потенциалов. Это приводит к появлению паразитных токов в земляной цепи, образуется так называемая земляная петля, искажающая измеряемый сигнал от датчика. Введением же гальванической развязки в цепь измерения цепь земляной петли разрывается и сигнал измеряется корректно.

В номенклатуре представлены как активные, так и пассивные  модули гальванической развязки.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

 

 

Пассивные преобразователи  не требуют внешнего источника и  питаются от входного сигнала. Они являются очень привлекательными из-за своей  простоты и низкой стоимости. Их недостатком  является то, что изменение нагрузки влияет на входной сигнал.

Активные модули используют для своей работы внешний источник питания. Как правило, входной, выходной сигналы и питание гальванически  разделены. Поэтому, если во входной  цепи произойдет короткое замыкание  или подключение с неправильной полярностью, дорогостоящее контрольное  оборудование на выходе модуля не будет  повреждено. Модули могут иметь двух- и трехстороннюю гальваническую развязку.

При двухстороннем разделении входной сигнал изолируется от выходного. В зависимости от применения может  использоваться преобразователь с  внешним питанием как входной, так  и выходной цепи, с питанием только выходной или только входной цепи.

 

 

 

Рис. 4

 

 

Рис. 5

 

Рис. 6

 

При трехстороннем разделении сигнала входной сигнал преобразуется  методом ши-ротно-импульсной модуляции  в частотный сигнал и демодулируется в нормализованный аналоговый сигнал.

Гальванически изолированный  источник подает питание как на входную, так и на выходную часть прибора.

Преобразователи с трехсторонним  способом гальванической развязки являются хоть и не самым дешевым, но зато самым надежным способом защиты контроллера.

 

4 Расчет параметров преобразователя

 

Упрощенная принципиальная электрическая  схема нормирующего преобразователя  для преобразования в унифицированный  сигнал постоянного тока 0..5 мА представлена на рис.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7

 

 

 

 

Значение  выходного тока определяется по формуле:

 

Где:

=21,6

 значения напряжения, сответствующие верхней и нижней  границам диапазона преобразования  напряжения, мВ,                   

- нижняя и верхняя  границы выходного тока, мА

 

 

 

 

5 выбор  элементной базы

Чувствительный элемент ЧЭПТ Pt100

 

Предназначен  для использования как самостоятельное  изделие при измерении температуры  твердых, сыпучих, жидких и газообразных сред, так и в составе термометров

• Диапазон температур: −200...300°C
• Градуировка: Pt100
• Класс: B
• Материал: платина
• Изоляция: керамика
• Длина выводов: 10 мм

 

Диапазон температур	−200...300°C
Градуировка	Pt100
Класс	В
Схема подключения	2-проводная
Изоляция	Керамика
Длина выводов	10 мм
Габаритные размеры	2×2×1,1 мм

 

6 Заключение

 

Для измерения технологических  параметров в настоящее время  широкое  применение находят вторичные измерительные приборы и измерительные комплексы с унифицированными входными сигналами. Обмен информацией между различными устройствами ГСП осуществляется, в основном, при помощи унифицированных сигналов связи.

Для обеспечения информационной совместимости  применяются измерительные преобразователи.

Измерительные преобразователи предназначены  для преобразования:

1) механических выходных сигналов  датчиков (силы, перемещения) в  унифицированные промежуточные сигналы. Такие датчики получили большое распространение, поскольку большинство датчиков для измерения таких распространенных технологических параметров, как давление, уровень и расход имеют механический выходной сигнал. Промежуточные преобразователи этой группы составляют с датчиком одно устройство

2) преобразования неунифицированных  электрических сигналов датчиков  (электрического сопротивления, ЭДС) в унифицированные электрические сигналы. Такие преобразователи называются нормирующими.

Введение нормирующих преобразователей позволяет сочетать различные первичные  преобразователи технологических  параметров с микропроцессорными системами.

Серийно выпускаются нормирующие  преобразователи для совместной работы:

с термопреобразователями сопротивления  НП-СЛ, ПТ-ТС, Ш-71, Ш79 и др.;

с термоэлектрическими преобразователями: НП-ТЛ, ПТ-ТП, Ш-72,Ш-78;

с тензорезисторными преобразователями  ПА-1,Ш-74;

с реостатными преобразователями  НП-Р1, Ш-73.

3) преобразования унифицированных  пневматических сигналов в унифицированные  электрические и наоборот.

 Оптимальное решение задачи  может  быть достигнуто в результате сочетания электронных и пневматических средств контроля и регулирования. Такое сочетание позволяет использовать преимущества как электронной (быстродействие, удобство передачи сигналов), так и пневматической аппаратуры (высокая надежность, хорошие динамические качества) и дает возможность применять ЭВМ для управления такими технологическими процессами, на нижнем уровне иерархии которых по условиям эксплуатации можно применить только пневматические датчики и приборы..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1.  Измерения в промышленности. Справочник. В трех томах Москва,.Металлургия,1990г.
2. Камразе А.Н. Фиттерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика . Ленинград., Химия 1988 г.
3. Кузьменков А.И., Приборы для контроля и автоматического регулирования технологических и теплоэнергетических процессов М., 1979г. 219с.
4. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств М.: Машиностроение,1983-423 стр.
5. Куликовский К.М. Купер В.Я. Методы и средства измерений.М.,Энергоатомиздат,1986г.409 стр.
6. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы аналоговые и цифровые. Киев, Выща школа 1983.,455 стр.
7. Петров И.К. Никольский А. Б., Никитушкина М.Ю. Метрология и технологические измерения в пищевой промышленности. М., МГУПП, 1997г
8. Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. М.: Агропромиздат,1985г. –336 стр.
9. Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981 – 416 стр.
10. Преображенский В.П. Технологические измерения и приборы. М.: Энергия.1978.- 704 стр.
11. Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник (под редакцией Черенкова В.В.) Л.: Машиностроение, 1987 – 847 стр.
12. Пронько В.В. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности М.: Агропромиздат,1990г., 270 стр.
13. Фарзане Н.Е., Азим-заде Л.В. Технологические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1989г.,
14. Шкатов Е.Ф., Лабораторный практикум по приборам контроля и регулирования. М. Химия 1990г. 214с.,