Разработка измерительной части системы регулирования температуры

"Разработка измерительной части системы регулирования температуры"

Реферат

Разработана измерительная часть системы регулирования температуры в пределах от 35⁰С до 60⁰С, с длительностью работы цифрового устройства управления (ЦУУ) 25 минут. Разработали комплект документации на ЦУУ. Разработали методики испытания и наладки отдельного узла измерительного устройства (ЦУУ). Разработан вторичный источник электропитания (ВИЭП) с выходным напряжением 15 В.

Курсовой проект выполнен с использованием текстового редактора Word, схемы электрические принципиальные выполнены с помощью Visio. Исследование параметров и характеристик измерительного устройства регулирования температуры проводилось с помощью Micro - CAP.

Введение

измерительный электрический питание

Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических устройств требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Автоматический контроль является логически первой ступенью автоматизации, без успешного функционирования которых невозможно создание эффективных АСУ ТП.

В истории развития мировой техники можно выделить три основных направления: создание машин-двигателей (водяных, ветряных, паровых, внутреннего сгорания, электрических), которые освободили человека от тяжелого физического труда; создание машин-орудий, т.е. станков и технологического оборудования различного назначения; создание устройств для контроля и управления машинами-двигателями, машинами-орудиями и технологическими процессами.

В современной техники для решения задач автоматического контроля все шире применяют полупроводники, лазеры, радиоактивные материалы, ЭВМ. Промышленность строительных материалов является одной из основных отраслей, в ней занято большое количество трудящихся, обслуживающих мощные и сложные агрегаты. При высоких производительностях даже самые небольшие ошибки управления агрегатом приводят к большим абсолютным потерям топлива, электроэнергии. По этому возрастает роль автоматического контроля и управления производственными процессами.

Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе технологического оборудования, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; геометрические размеры.

В данном курсовом проекте рассматривается устройство, получающее сигналы от датчиков (термометр сопротивления) и при определенных условиях запускающее исполнительный механизм.

Термопреобразователи сопротивления

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Действие ТС (термопреобразователь сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, предоставленных разными видами веществ, способных проводить электрический ток: металлами, полупроводниками, электролитами.

ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. ТКС (температурный коэффициент сопротивления) сравнительно невелик (0,3...0,6 %•К-1) и, как правило, положителен для металлов. Для полупроводников в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов и положителен для позисторов. Электролиты характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

ТС состоит из чувствительного элемента соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов. Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи непосредственно или при помощи ИПТ, фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.

В зависимости от условий применения, требовании, предъявляемых к точности измерения, промышленностью выпускаются платиновые ТС различных конструкций. Такое разнообразие конструкций объясняется тем, что все требования, предъявляемые различными объектами измерения, не могут быть обеспечены одной и той же конструкцией.

Основные параметры технических платиновых ТС по ГОСТ 6651-78 приведены в табл.1

Таблица 1

ТС с чувствительными элементами из других материалов. В случаях, когда не требуется высокая точность измерения, например для технических целей, чувствительные элементы ТС изготовляются не из дорогой платины, а из других чистых металлов. Для измерения сверхнизких температур чувствительные элменты изготовляются главным образом из сплавов и полупроводников

Для измерения средних температур в качестве материала чувствительного элемента ТС применяются, наряду с платиной, медь, никель, вольфрам, железо . Требования к конструкциям ТС с чувствительными элементами из других материалов аналогичны требованиям, предъявляемым к платиновым чувствительным элементам. При этом необходимо учитывать конкретные физические и химические свойства материалов.

Полупроводниковые ТС. Целесообразно разделить полупроводники, используемые при измерении низких температур, на материалы, обладающие отрицательным ТКС - термисторы; материалы, обладающие положительным ТКС - позисторы. Все полупроводниковые ТС имеют сравнительно небольшой срок применения, поэтому они не вошли в номенклатуру приборов, используемых в метрологии.

Чувствительный элемент полупроводникорого терморезистора - термистора - изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотое в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20°С) от 1 до 200 кОм.

В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -100 до 120-600°С. Их чувствительность в 6-10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик.

Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью.

Терморезисторные характеристики полупроводников значительно различаются между собой. Поэтому обобщение их в одном структурном подразделении носит условный характер. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность. ТКС большинства терморезисторных полупроводников на порядок, а для некоторых материалов в экстремальных условиях - на два порядка больше соответствующего среднего значения для металлов.

Термисторные промышленные ТС. Благодаря высокой чувствительности термисторные ТС эффективно применяются для измерения температур в диапазоне от 170 до 570 К.

Позисторные промышленные ТС. Позисторы также относятся к полупроводниковым ТС, но в отличие от термисторов имеют положительный термический ТКС. Чувствительные элементы позисторных ТС изготовляются из сегнетоэлектрических керамик на основе титанатов, цирконатов, глицинатов и т. п., свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать 10 %/К. Они применяются в сравнительно узком диапазоне температур (от 20 до 100°С), причем для каждого типа позистора диапазон измерения еще уже и составляет несколько К. Пока позисторные ТС находят ограниченное применение в системах автоматики и защиты. Превосходные характеристики по мере развития технологии производства должны открыть им широкое применение. Конструктивное оформление позисторных ТС аналогично таковому в термисторах. В диапазоне измеряемой температуры температурная зависимость сопротивления позисторов носит экспоненциальный характер:

Преобразователи сопротивление - напряжение

Для преобразования выходной величины термистора воспользуемся мостовым усилителем (рис. 1). Дифференциальные усилители, включенные в мостовую схему и преобразующие приращение сопротивления в напряжение, называются мостовыми, и относятся к преобразователям сопротивления в напряжение.

Рис. 1 Мостовые усилители с нелинейной (а) и линейной (б,в) амплитудной характеристикой

Различают мостовые усилители с нелинейной и линейной характеристиками. Схема усилителя первого типа показана на рис.6, а. Мостовая схема составлена из резисторов  и резистивного датчика , где  - приращение сопротивления датчика в результате воздействия контролируемого параметра. В общем случае мост может состоять из комплексных сопротивлений - в зависимости от типа датчика (емкостного, индуктивного или чисто резистивного), а его питание осуществляться от источника  как постоянного, так и переменного тока. Выходное напряжение схемы на рис.6, а определяется выражением:

.

Зависимость  от  нелинейная, как и для любого неравновесного моста. Поэтому такая схема применяется только при малых относительных приращениях .

В схеме на рис.6, б погрешность нелинейности корректируется путём введения цепи положительной обратной связи (резистор R₁).

Если принять R₁= R₂|| R₃ и, то в этом случае зависимость U_вых от r становится линейной:

.

Мостовая схема на рис.6, в также относится к классу линейных. Ее выходное напряжение определяется выражением:

.

При нулевом выходном напряжении сопротивления на входах ОУ должны быть равны между собой.

Функциональный усилитель

Для линеаризации преобразованного сигнала термопары используем функциональный преобразователь, из которых наибольшее распространение получили диодные преобразователи.

Они представляют собой в большинстве случаев параметрические устройства, обеспечивающие кусочно-линейную аппроксимацию заданной функции, точность которой зависит от количества аппроксимирующих отрезков. Суть этого метода заключается в том, что коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи (ООС) операционного усилителя (ОУ) должен иметь несколько дискретных значений, каждое из которых соответствует определённому диапазону изменения входного сигнала, чем большее число дискретных значений может принимать коэффициент передачи ООС ОУ, тем ближе получаемая зависимость выходного напряжения от входного к заданной.

Рис. 2 Функциональные усилители с возрастающим (а) и убывающим б) коэффициентами передачи

В зависимости от места включения диодов можно получить функциональный усилитель с возрастающим (рис.2, а) либо убывающим (рис.2, б) коэффициентом передачи. Принцип работы обеих схем одинаков. При малом входном напряжении все диоды заперты и коэффициенты усиления усилителей рис. 2, а, б соответственно равны

,

При изменении входного сигнала изменяется и напряжение, приложенное к диодам. При достижении этого напряжения значения U_a диоды VD₁ откроются, и коэффициенты усиления усилителей соответственно изменятся

,

При повышении напряжения до U_b откроются диоды VD₂, и коэффициенты усиления усилителей примут новые значения

,

Здесь  и  - дифференциальные сопротивления диодов VD₁ и VD₂ соответственно (если сопротивления резисторов R₁, R₂, … составляют десятки килом, то дифференциальным сопротивлением диодов можно пренебречь).

Компараторы

Компаратор - электронное устройство, служащее для переключения уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Компараторы применяются в устройствах временной задержки импульсов, для получения перепадов напряжений или импульсов малой длительности, измерения фазы синусоидальных колебаний и других цепей.

В качестве компараторов широко применяются интегральные ОУ. Большой коэффициент усиления интегрального ОУ обеспечивает установление высокого или низкого уровня входного напряжения при незначительном отличии входных напряжений, т.е. изменение уровней  происходит при:

.

Компаратор напряжения с гистерезисом

При работе с компараторами могут возникнуть неприятности, проявляющиеся в том, что вместо однократного изменения уровня выходного напряжения при достижении входным напряжением порогового значения, могут иметь место быстрые колебания между уровнями выходного напряжения (ложные срабатывания), особенно в том случае, когда во входном сигнале присутствует значительный шум. При таком явлении может нарушиться нормальное функционирование некоторых типов схем. Для предотвращения ложных срабатываний применяют цепь положительной обратной связи, за счет которой часть выходного напряжения подается на неинвертирующий вход.

Такой компаратор называется компаратором с гистерезисом, его принципиальная схема показана на рис. 3.

Рис. 3 Схема компаратора с гистерезисом

Напряжение, при котором компаратор переходит из состояния с высоким уровнем сигнала в состояние с низким уровнем сигнала, называется напряжение срабатывания. А напряжение, при котором компаратор переходит из состояния с низким уровнем сигнала в состояние с высоким уровнем сигнала, называется напряжение отпускания.

Разность между напряжением срабатывания и напряжением отпускания называется шириной гистерезиса.

Для идеального операционного усилителя, имеющего одинаковые напряжения ограничения , значения пороговых напряжений срабатывания и отпускания  может быть вычислено по следующим формулам:

Компаратор напряжения без гистерезиса

Рис. 4 Схема компаратора без гистерезиса

Простейшая схема компаратора на ОУ показана на рис.1. Входное напряжение подано на инвертирующий, а опорное - на неинвертирующий вход. Если , то входное напряжение ОУ  и . При  напряжение  и . Полярность выходного напряжения изменяется при переходе входного напряжения через значение  и ввиду большого значения коэффициента усиления носит ступенчатый характер.

Рис. 5 Передаточная характеристика компаратора

Передаточная характеристика такого компаратора показана на рис.2. Если поменять местами источники  и  или изменить их полярность, то произойдет инверсия передаточной характеристики.

Интегральные компараторы

Интегральные компараторы представляют собой компараторы напряжения, выполненные по интегральной технологии, т.е. расположенные в одном корпусе. Достоинством таких компараторов является простота использования, возможность сравнения напряжения положительной и отрицательной полярности, высокое быстродействие. Ниже приведена типовая схема включения интегрального компаратора 521СА5:

Рис. 6 Типовое включение интегрального компаратора

Аналогово-цифровой преобразователь

Рис. 7 АЦП КР572ПВ2

При подключении трех внешних резисторов и пяти конденсаторов БИС КР572ПВ2 выполняет функцию АЦП, работающего по принципу двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и автоматическим определением полярности входного сигнала. Цифровая информация на выходе представляется в семисегментном коде. Цифровой отсчет производится на 3,5-декадном индикаторе. Для повышения стабильности тактовой частоты может быть использован кварцевый резонатор, подключаемый между выводами 39 и 40, при этом элементы С5 и КЗ не используют. При работе от внешнего генератора тактовые импульсы подают на вывод 40, а выводы 38 и 39 не используют

Регулятор с отставанием по фазе

Передаточная функция регулятора имеет вид:

,

где ωо - нуль регулятора,

ωр - полюс регулятора.

Для отставания по фазе необходимо, чтобы ωр<ω0.

Частотные характеристики:

Рис.

Данный регулятор ослабляет высокие частоты (является фильтром низких частот) и вносит отрицательный сдвиг в диапазоне частот от ωр до ω0. Высокочастотная часть характеристики практически не отражается на свойствах системы, поэтому располагать полюс и нуль регулятора в высокочастотной области не целесообразно. Поэтому расположение ω0 и ωр в области средних частот может привести к потере устойчивости системы. Таким образом ω0 и ωр следует располагать в области низких частот.

Данный регулятор позволяет повысить запас устойчивости за счет уменьшения ωср, не снижая статической точности. Если же для регулятора принять коэффициент усиления больше единицы, то можно повысить статическую точности не снижая запасы устойчивости.

Порядок выбора параметров регулятора:

Исходя из требований статической точности, определяем коэффициент усиления регулятора Кр . Строим ЛЧХ разомкнутой системы с учётом Кр.

Исходя из требуемого запаса устойчивости  определяем желаемую частоту среза, при которой фазовый сдвиг равен .

Принимаем

Определяем полюс регулятора из условия

Регулятор с опережением по фазе

Передаточная функция регулятора имеет вид:

Для опережения по фазе необходимо, чтобы ωо<ωр.

Частотные характеристики:

Рис.

Поскольку данный регулятор вносит положительный фазовый сдвиг, то ω0 и ωр следует располагать в области средних частот, что позволит повысить запас устойчивости. Одновременно, за счет увеличения ωср, повыситься быстродействие системы.

Порядок выбора параметров регулятора:

Коэффициент усиления регулятора Кр определяем исходя из требуемой статической точности.

Строим ЛЧХ разомкнутой системы с учётом Кр .

Выбираем ωо вблизи ωср .

Выбираем ωр таким образом, чтобы обеспечить требуемый запас устойчивости, используя график для θm. При необходимости ω0 и ωр смещают в нужную сторону. При этом следует учитывать, что при увеличении расстояния между нулем и полюсом возрастает максимальный угол, вносимый регулятором.

Пропорционально - интегральный (ПИ) регулятор

Передаточная функция регулятора:

Частотные характеристики:

Рис.

ПИ регулятор можно представить как регулятор с отставанием по фазе, у которого полюс ωр=0. Соответственно свойства данных регуляторов близки. Они используются для улучшения статической точности системы. ПИ регулятор позволяет полностью исключить установившуюся ошибку.

Выбор параметров ПИ регулятора осуществляется также как и для регулятора с отставанием по фазе:

Из условия статической точности выбирается значение Кu .

Строим ЛЧХ разомкнутой системы с учётом Кu .

Определяется частота среза, для которой фазовый сдвиг составляет.

Принимается значение нуля

.

Вычисляется значение коэффициента Кп:

Пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор

Передаточная функция регулятора:

,

где - постоянная времени.

Частотные характеристики:

Данный регулятор позволяет осуществить коррекцию с опережением по фазе, т.е. позволяет повысить быстродействие системы или запас устойчивости.

Порядок выбора параметров ПД регулятора примерно такой же, как и для регулятора с опережением по фазе:

Из условия статической точности определяется значение Кп.

Строим ЛЧХ разомкнутой системы с учётом Кп.

Выбираем нуль регулятора ωо вблизи ωср.

Проверяется запас устойчивости и при необходимости корректируется ωо.

Определяется коэффициент дифференциальной составляющей Кд:

.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор

Передаточная функция ПИД регулятора в общем виде:

.

Частотные характеристики:

Рис.12. ЛАЧХ и ЛФЧХ ПИД-регулятора

Данный регулятор позволяет повысить статическую точность системы и, одновременно быстродействие.

Параметры выбираются аналогично как для регулятора с опережением и отставанием по фазе. Сначала определяется расположение ωо1 как для ПИ регулятора, затем ωо2 как для ПД регулятора. Коэффициент пропорциональной составляющей Кп определяется из условия статической точности. А дифференциальная и интегрирующая составляющая определяются по формулам:

.

ПИД-регулятор - это наиболее распространенная структура управления в промышленных системах. Причина этого состоит в том, что большинство процессов можно аппроксимировать динамической моделью невысокого порядка. ПИД-регулятор, представляющий собой систему второго порядка, дает практичное решение, обеспечивая большую гибкость при работе в замкнутых системах регулирования. Однако ПИД-регулятор не подходит для системы с более сложными динамическими свойствами. Наиболее очевидные проблемы возникают в системах с зонами нечувствительности и запаздываниями, с ярко выраженной колебательной динамикой или с параметрами, меняющимися во времени.

Рис.13. Реализация ПИД-регулятора

Недостатком данной схемы является возможность появления очень большого сигнала на выходе дифференциального звена и всего регулятора при большой скорости изменения ошибки. Поэтому схему применяют, если скорость входного воздействия системы ограничена.

При работе на быстро изменяющееся входное воздействие применяют следующую схему:

Рис.14. Реализация ПИД-регулятора

В данном случае на вход дифференциального звена подается преобразованный выходной сигнал системы, который, вследствие инерционных свойств объекта, всегда изменяется относительно медленно. За счёт этого ограничивается выходной сигнал дифференциального звена и всего регулятора.

Рис.15. Схема ПИД-регулятора

Исследование схем на интегральном таймере (таймер 555)

Интегральные таймеры являются наиболее яркими представителями устройств смешанного типа, из них наиболее популярным является таймер 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1). Учитывая его широкое распространение в различной аппаратуре промышленного и бытового назначения, рассмотрим кратко характеристики и особенности применения 555.

Функциональная схема таймера и его графическое обозначение в программах MicroCAP и EWB показаны на рис. 16. Таймер содержит два компаратора DA1 и DA2, RS-триггер DD1, усилитель мощности на транзисторах VT1 и VT2. Внутренний резистивный делитель задает пороговые напряжения, равные 2U_П/3 для DA1 и U_П/3 для DA2.

Напряжение питания таймера U_П равно 5…16,5 В, ток нагрузки - до 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лампочками или электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого, так и для высокого уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее U_П/3 (этот вывод обычно называют триггерным входом). При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора DA1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом. Входной ток, втекающий в DA1 (вывод 6) и вытекающий из DA2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т.е. установки на его выходе низкого напряжения независимо от напряжения на выводах 2 и 6 используется вывод 4.

Если напряжение на этом выводе меньше 0,4 В, напряжение на выходе равно 0,1…0,2 В, а при напряжении больше 1 В цепь сброса выключена и не влияет на работу таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоомный выход (вывод 7) - открытый коллектор транзистора VT3. Этот вывод обычно используется для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 находится в пределах 0...16,5 В относительно вывода 1, подключаемого к общему проводу. В таймере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резистивного делителя позволяет изменять пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания и тем самым дополнительно управлять работой таймера. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсации напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью 0,01 мкФ.

Выходной инвертирующий усилитель таймера работает в режиме АВ, вследствие чего на переходной характеристике возникает «полка» длительностью 10...20 нс при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ-схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой «полки» недопустимо, так как она может вызвать ложное срабатывание логического элемента. Для устранения этого недостатка необходимо выход таймера зашунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.

Описание структурной схемы электронного устройства

В данном электронном устройстве используется датчик, терморезистор.

Датчик температуры подключен к нормирующему преобразователю, входным каскадом которого является мостовая измерительная схема, которая преобразует изменение сопротивления датчика в напряжение U, снимаемое с выхода измерительной схемы.

С выхода мостовой измерительной схемы напряжение, соответствующее измеряемой температуре, поступает на усилитель, в котором происходит масштабирование и линеаризация измеряемого сигнала. Для контроля температуры, линеаризированный сигнал поступает на АЦП, с которого цифровой сигнал переходит на индикатор показывающий значение температуры регулируемого объекта. С выхода усилителя сигнал также подается на компаратор.

Сигнал от компаратора подаются на ЦУУ заданное ФАЛ. При срабатывании компаратора ЦУУ вырабатывает сигнал, который запускает формирователь импульсов на таймере. Импульсы поступают на счетчик. Сигнал с выхода счетчика подаётся на исполнительный механизм.

Описание электрической схемы электронного устройства

В данном электронном устройстве (приложение 2) датчик температуры установлен на объекте технологического контроля и управления. В качестве датчика температуры используется терморезистор.

При нагревании терморезистора, его сопротивление нелинейно возрастает. В свою очередь датчик температуры подключен к мостовой измерительной схеме, которая преобразует изменение сопротивления датчика в напряжение U, снимаемое с выхода измерительной схемы, которая уравновешивается при температуре 20⁰C..

С выхода мостовой измерительной схемы напряжение, соответствующее измеряемой температуре, поступает на усилитель, в котором происходит масштабирование и линеаризация измеряемого сигнала.

Сигналы с датчиков поступают на логический элемент, выполненный для реализации заданного ФАЛ (133₁₀ = 10000101₂). Логический элемент выполнен на двух микросхемах: И-НЕ и ИЛИ-НЕ логики. Когда состояние датчиков будет соответствовать комбинации входных сигналов, чтобы на выходе логического устройства установилась логическая единица, заработает генератор импульсов на таймере, а счётчик начнёт считать импульсы для задачи работы исполнительного устройства.

После запуска формирователя импульсов на таймере температура на объекте технологического контроля должна подняться до T₂=60, ⁰C и поддерживаться такой 25 минуты после чего опустится до T₁=35, ⁰C.

Сигнал с выхода счётчика делителя подаётся на исполнительное устройство. В качестве исполнительного устройства выступает реле РЭС6 РФ0.452.125

В качестве АЦП будет использоваться микросхема КР572ПВ2 специально ориентирована на работу с АЛС324Б, при помощи которого будет осуществляться индикация. Напряжение питания АЦП +5В.

Описание электрической схемы источника питания

Источник питания (рис.30) состоит из трансформатора, трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки на диодах VD2-VD4, индуктивно-емкостного фильтрующего устройства Г образного типа и стабилизатора напряжения на интегральных микросхемах К140EH2A. Конденсаторы С10 - С13 предназначены для получения поляризованного напряжения.

Выбор и расчёт элементов схемы электронного устройства. Расчет цепи датчика: термистора СТ6-1Б

Рис.17. Схема преобразователя сопротивление-напряжение.

температурный коэффициент сопротивления (ТКС)

Найдем отсюда коэффициент A

Построим график зависимости сопротивления от температуры.

Рис 18. Температурная характеристика СТ6-1Б при

Построим график зависимости выходного напряжения от температуры.

Рис 19. Зависимость выходного напряжения от температуры

Отсюда найдём максимально допустимый ток, протекающий через терморезистор:

Выберем операционный усилитель DA3 - К140УД11. Для него:

180

72,6

,44 В

Возьмем  

72,6=72,42 кОм

Резисторы

Мощность рассеиваемая на резисторах:

В результате проведенных расчетов, получили следующие номинальные значения элементов:

R₁ - МЛТ-0,125Вт-24кОм±5%

R₂ - МЛТ-0,125Вт-24кОм±5%

R₃ - МЛТ-0,125Вт-180Ом±5%

R₅ - МЛТ-0,125Вт-10кОм±5%

R₆ - МЛТ-0,125Вт-10кОм±5%

DA1 - К140УД11

DA2 - К140УД11

Расчет функционального усилителя

Т.к. на выходе преобразователя сопротивление - напряжение сигнал нелинейный, то для линеаризации воспользуемся функциональным усилителем (рис.20):

Рис.20 Схема функционального усилителя

Максимальное выходное напряжение по модулю не должно превышать 0,9max{}.

Максимальное по модулю входное напряжение не должно превышать U_п/4.

Разобьем нашу передаточную функцию на требуемое количество участков аппроксимации при этом будут получены соответствующие значения напряжений в узлах аппроксимации

(U_{ВХ i}; U_{ВЫХ i});

Занесем эти значения в таблицу 2.

Таблица 2

Примем R₉=10 кОм

Сопротивления относительно малы, поэтому ими пренебрегаем. Примем напряжения питания преобразователя:

Для того, чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, а также подключить индикацию будем использовать компаратор в интегральном исполнении К521СА2. Напряжение срабатывания для данного компаратора задается с помощью делителя R₇-R₈ и подается на неинвертирующий вход. Для данной схемы оно равно -6 В. При достижении напряжения срабатывания на инвертирующем входе компаратора на его выходе устанавливается напряжение

Установим опорное напряжение.U_оп=-15 В.

Рис.21.Схема компаратора в интегральном исполнении

Примем сопротивление R₁₃=10 кОм

;

;

;

;

;

;

;

;

R₇ - МЛТ-0,125Вт-3,9Ом±5%

R₈- МЛТ-0,125Вт-30кОм±5%

R₉ - МЛТ-0,125Вт-10кОм±5%

R₁₀ - МЛТ-0,125Вт-5.1кОм±5%

R₁₁- МЛТ-0,125Вт-5.7кОм±5%

R₁₂ - МЛТ-0,125Вт-522кОм±5%

R₁₃- МЛТ-0,125Вт-10кОм±5%

R₁₄- МЛТ-0,125Вт-3кОм±5%

DA3- К140УД11

DA4- К521СА2

VD1-VD2-Д226Е

Расчет и выбор элементов цифровой части

Для задания алгоритма работы исполнительного устройства необходимо ЦУУ, функциональной основой которого является ФАЛ. Построим схему ее реализации.

По заданию ФАЛ -133₁₀. Составим таблицу истинности и запишем логическое выражение заданной функции в виде СДНФ:

133₁₀ = 10000101₂

Таблица

Таблица

Преобразуем выше записанную СДНФ и составим схему соединения логических элементов И-НЕ (рис.6), реализующих данную функцию:

Рис.22 Схема реализации ФАЛ

Для реализации ЦУУ воспользуемся микросхемами:

DD1 - К564ЛЕ5

Рис.23. Таблица истинности и назначение выводов микросхемы DD1 - К564ЛЕ5

DD2 - К564ЛА7

Рис.24. Таблица истинности и назначение выводов микросхемы DD2 - К564ЛА7

DD1 - К564ЛЕ5

DD2 - К564ЛА7

Расчет формирователя импульсов

Сигнал с ЦУУ поступает на триггер, который в свою очередь запускает таймер. По заданию необходимо обеспечить длительность Δt=25 мин. Сигналы с формирователя импульсов будем подавать на счетчик K555ИЕ10, который собран в схеме с коэффициентом счета равным 120.

Рис.25. Схема формирователя импульсов на таймере

Вывод 5 таймера подключается через конденсатор С₂= 10нФ к общему проводу для подавления помех. Емкость конденсатора С₁ возьмем равной 100мкФ, сопротивление R₁₆ -39кОм, сопротивление R₁₅ -100кОм. Тогда длительность паузы:

Тогда длительность импульса:

(с

Тогда период импульса:

с

120₁₀ = 1111000₂

Рис.26 Схема на счетчике К555ИЕ10

Рис. 27. Синхронный 4-разрядный двоично-десятичный счетчик

В качестве микросхемы на логических элементах выберем микросхему К555ЛИ1. Условное графическое обозначение

Рис. 28. Четыре логических элемента 2И

В качестве триггера выберем микросхему К555ТР2

Рис. 29. Четыре RS- триггера

Рассчитаем мощности резисторов:

;

;

R₁₅ - МЛТ-0,125Вт-100кОм±5%

R₁₆- МЛТ-0,125Вт-39кОм±5%

С1 - К53-65-100мкФ±10% 16В

С2 - К73-17-10нФ±5% 63В

DD3-NE555

DD4- К555ИЕ10

DD5- К555ИЕ10

DD6- К555ЛИ1

DD7- К555ТР2

Выбор АЦП и индикатора ППИ

По заданию необходимо отображать температуру на ППИ 7сегм. в пределах от 35 до 60 ºС с интервалом 0.5 ºС. В качестве АЦП будет использоваться микросхема КР572ПВ2, которая специально ориентирована на работу с АЛС324Б. Напряжение питания АЦП ±5В.

Предельные эксплуатационные данные

Обратное напряжение любой формы и периодичности     5 В

Постоянный прямой ток через элемент:

при T = -60...+35 °С     25 мА

при T = +70 °С1  17,5 мА

Импульсный прямой ток при tипр. ср = 25 мА          300 мА

Рассеиваемая мощность:

при T = -60...+35 °С     500 мВт

при T = +70 °С1  150 мВт

Температура окружающей среды   -60...+70 °С

В диапазоне температур окружающей среды +35...+70 °С постоянный прямой ток через элемент снижается линейно, рассеиваемая мощность определяется по формуле: Pмакс = 500 - 10 • (T - 35) мВт

Рекомендуемые номиналы элементов в схеме при f_т.н.=50кГц

Таблица 3.

На 36-ом входе АЦП обеспечим напряжение +0,5В с помощью делителя напряжения. Зададим R₁₈= 1 кОм, тогда:

Рис. 30 Микросхема КР572ПВ2

Нумерация и назначение выводов микросхем КР572ПВ2 (ПВ5): 1 (26) - напряжение питания; 2 (25) - цифровой выход d1; 3 (26) - цифровой выход c1; 4 (27) - цифровой выход b1; 5 (28) - цифровой выход а1; 6 (29) - цифровой выход f1; 7 (30) - цифровой выход g1; 8 (31) - цифровой выход e1; 3 (26) - цифровой выход c1; 9 (32) - цифровой выход d10;

(33) - цифровой выход c10; 11 (34) - цифровой выход b10; 12 (35) - цифровой выход a10; 13 (36) - цифровой выход f10; 14 (37) - цифровой выход e10; 15 (38) - цифровой выход d100; 16 (39) - цифровой выход b100; 17 (40) - цифровой выход f100; 18 (41) - цифровой выход e100; 19 (42) - цифровой выход bc1000; 20 (43) - цифровой выход g1000; 21 (44) - цифровая земля; 22 (45) - цифровой выход g100; 23 (46) - цифровой выход a100; 24 (47) - цифровой выход c100; 25 (48) - цифровой выход g10; 26 (3) - напряжение питания Ucc2; 27 (4) - конденсатор интегратора Cинт; 28 (5) - резистор интегратора Rинт; 29 (6) - конденсатор автокоррекций Сак; 30 (7) - аналоговый вход 1,

низкопотенциальный; 31 (8) - аналоговый вход 2, высокопотенциальный; 32 (9) - общий аналоговый выход; 33 (10) - опорный конденсатор Соп; 34 (11) - опорный конденсатор Соп; 35 (12) - опорное напряжение UREF; 36 (13) - опорное напряжение URCF; 37 (20) - контрольный вход; 38 (21) - конденсатор генератора ТИ Ст.и.; 39 (22) - резистор генератора ТИ Rт.и.; 1,2,14 - 19 - незадействованные выводы.

Получим следующие значения элементов:

R₁₇ - МЛТ-0,125Вт-100 кОм±5%;

R₁₈ - МЛТ-0,25Вт-1 кОм±5%;

R₁₉ - МЛТ-0,125Вт-47 кОм±5%;

R₂₀ - МЛТ-0,125Вт-1,0МОм±20%;

R₂₁ - МЛТ-0,125Вт-100 кОм±5%;

С₃ - К73-17- 0.22мкФ -63В ±5%

С₄ - К73-17- 0.47мкФ -450В ±5%

С₅ - К78-2- 0.01мкФ -315В ±20%

С₆ - К73-17- 1мкФ -250В ±5%

С₇ - К10-17А- 100пФ -50В ±5%

DD8- КР572ПВ2;

HG1-HG3 - АЛС324Б.

Расчет исполнительной цепи

Рис.31 Исполнительная цепь

На данной схеме представлена реализация исполнительной цепи - задатчика и сумматора.

При высоком уровне напряжения, поступающего с выхода таймера, транзистор VT1 переходит в режим насыщения. Через электромагнитное реле К1 проходит ток около 20 мА, происходит коммутация и выходное напряжение в делителе R25-R26 меняет свое значение. При низком уровне входного напряжения транзистор VT1 находится в режиме отсечки и коммутационный элемент разомкнут. Диод VD1 служит для уменьшения влияния переходных процессов, происходящих при замыкании реле.

На сумматор-вычитатель поступают два сигнала: с выхода задатчика и с выхода функционального преобразователя, находящегося в измерительной цепи датчика термистора. Полученная разность напряжения подается на пропорционально-дифференциальный регулятор.

Выберем элементы схемы:

К1 - РЭС6. РФ0.452.125 (U=15B, R_обм=200 Ом, I_ср=55 мА, I_отп=9 мА);

VD1 - КД208А (U_обр.max=100 B);

VT1 - КТ606А (I_к.max=400 мA; U_эб0.max=4 В).

Рассчитаем делитель напряжения R₂₂-R₂₃. Зададим R₂₃=2,2 кОм.

Рассчитаем делитель R₂₄-R₂₅-R₂₆. Зададим R₂₆=4,7 кОм. Тогда

₂₅=15 кОм, R₂₄=13 кОм

Рассчитаем сумматор-вычитатель.

Максимальное напряжение, которое может поступить на вход сумматора:

Максимальное выходное напряжения регулятора

Коэффициент усиления сумматора будет равен:

0,75

, Тогда7,5кОм

В качестве операционного усилителя DA1 возьмем микросхему К140УД8А

;

;

;

;

;

;

;

;

т.к. все мощности не превышает 0,125Вт, поэтому выбираем тип МЛТ-0,125. В результате проведенных расчетов, получили следующие номинальные значения элементов:

R₂₂ - МЛТ-0,125Вт-12 кОм±5%

R₂₃ - МЛТ-0,125Вт-2,2 кОм±5%

R₂₄ - МЛТ-0,125Вт-13 кОм±5%

R₂₅ - МЛТ-0,125Вт-15 кОм±5%

R₂₆ - МЛТ-0,125Вт-4,7 кОм±5%

R₂₇ - МЛТ-0,125Вт-10 кОм±5%

R₂₈ - МЛТ-0,125Вт-10 кОм±5%

R₂₉ - МЛТ-0,125Вт-7,5 Ом±5%

R₃₀ - МЛТ-0,125Вт-7,5 Ом±5%

К1 - РЭС6. РФ0.452.125;

VD3 - КД208А;

VT1 - КТ606А.

DA5- К140УД11

Расчёт ПИ-регулятора

Передаточную функцию любого регулятора можно записать с помощью общей формулы:

Передаточная функция имеет знак минус. В реальной системе это недопустимо. Поэтому конечная схема должна быть дополнена инвертирующим усилителем, который может быть включён как после так и перед схемой.

Рис.32 Схема ПИ-регулятора

Учитывая то, что в систему необходимо включить инвертирующий усилитель, ПФ для ПИ-регулятора примет вид:

Зная, что Kп=0.74 при wo=7.04 Гц и Ku=9.52 ,рассчитаю R31, R32 и С8.

R31/R32=0.74

/(R31C8)=9.52

Из ряда Е24 выбираем:

R31=3 кОм и R32=3.9 кОм.

Из ряда Е12: C8=0.033 мФ

Выбираю сопротивления R33=R34=10 кОм

R₃₁ - МЛТ-0,125Вт-3кОм±5%

R₃₂ - МЛТ-0,125Вт-3,9кОм±5%

R₃₃ - МЛТ-0,125Вт-10кОм±5%

R₃₄ - МЛТ-0,125Вт-10кОм±5%

С₈ - К52-1 33мкФ 6,3В±10%

DA6-DA7 - К140УД11

Полученный график (Рис28) сравним с тем, который необходимо получить(Рис29).

Очевидно, что ПИ-регулятор реализован правильно.

Рис.33

Рис.34

Выбор и расчёт элементов схемы источника питания

По техническому заданию U_c=127 В,

Так как нагрузкой для стабилизатора напряжения будет являться электронное устройство управления исполнительным механизмом, то ;

Раcсчитаем потребляемый ток источником питания:

Для поддержания постоянного напряжения на выходе ВИЭП поставим стабилизатор напряжения на двух интегральных микросхемах:

Стабилизатор на микросхеме DA9-К142ЕН8Е. Его параметры: Ucт=+15±0.6В, Icт.макс=1А, Pмакс=6Вт.

Стабилизатор на микросхеме DA8-КР1168ЕН15. Его параметры: Ucт=-15В, Icт.макс=0.1А, Pмакс=0.5Вт.

С10=С11= С12= С13=0,68мкФ

Расчет фильтрующего устройства

Для расчета фильтра и выпрямителя воспользуемся таблицей 3:

Таблица 5

По заданию , . Принимаем .

Коэффициент сглаживания .

Сопротивление нагрузки

Для обеспечения индуктивной реакции необходимо чтобы:

Тогда

Расчет вентильного блока

Рассчитываем параметры диодов в вентильном блоке.

Обратное максимальное напряжение на диодах:

Среднее значение прямого тока на диодах:

Амплитудное (максимальное) значение прямого тока на диодах:

Действующее значение прямого тока на диодах:

Выбираем из справочника диод удовлетворяющий этим параметрам: Д237А

(, ).

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Минимальная требуемая мощность вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент трансформации:

Действующий ток первичной обмотки трансформатора:

Для получения двухполярного напряжения ±5В а так же напряжения+1В, в схему ВИЭП включаем делители напряжения (рис. 30).

Рис. 38 Схема делителей напряжения

Рассчитаем резисторы делителей напряжения для получения нужных значений напряжения:

Возьмем R₃₉ из ряда Е24 470 Ом.

R₃₇  из ряда Е24 R₃₇=51 Ом.

R₃₈  из ряда Е24 R₃₈=390 Ом.

Выберем стабилитроны Д815И (Iст.н=1А, Ucт.н=4.7В)

Мощность, рассеиваемая на резисторах :

*51=1,94 Вт

*390=0,26 Вт

*470=0,34 мВт

В результате проведенных расчетов получили следующие номинальные значения элементов:

R₃₇ - МЛТ-5Вт - 51 Ом ±5%;

R₃₈ - МЛТ-0,5Вт - 390 Ом ±5%;

R₃₉ - МЛТ-0,125Вт - 470 Ом ±5%;

С9 - К50-17- 2,2мкФ±10% 400В

С10, C11,С12,С13 - К50 - 16 - 0,68мкФ±10% 25В

Катушка индуктивности 0,08 Гн

VD4 - VD6: Д237А

DA8-КР1168ЕН15

DA9-К142ЕН8Е

VD47- VD9: Д815И

Описание методики наладки и испытания электронного устройства

Целью испытания является проверка соответствия реального времени работы таймера заданному, при заданных параметрах источника сигнала.

Испытания проводятся по следующей схеме.

Рис. 39 Схема для проведения испытаний

К входу таймера подключено цифровое устройство управления. Которое запустит таймер (формирователь импульсов) при подаче на вход ЦУУ определенной комбинации символов (133₁₀ = 10000101₂). После запуска формирователя импульсов счетчик-делитель начнет считать импульсы. По истечении 25 минут на выходе счетчика-делителя появится низкий уровень напряжения.

К выходу счетчика-делителя подключим осциллограф, что бы проследить за длительностью работы устройства.

Если по истечению определенного периода времени продолжительность работы устройства будет отличаться от первоначальной, то необходимо произвести наладку. Наладка измерительного устройства производится с помощью построечного резистора R15.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта произвели разработку измерительной части системы регулирования температуры.

Полученное устройство условно можно разделить на два модуля: аналоговый и цифровой. В аналоговой части происходит обработка сигналов от датчиков и сравнение их с пороговыми значениями, в цифровой - индикация необходимых параметров и запуск исполнительного устройства в зависимости от комбинации входных воздействий на заданное время.

Разработали комплект документации на электронное устройство и источник питания. Разработали методики испытания и наладки электронного устройства.

Внедрение разработанного устройства регулирования температуры в системы контроля и управления позволит повысить эффективность функционирования объекта управления, в том числе: повысить качество изделий, производительность оборудования и оперативность управления технологическим процессом, снизить потребление энергоресурсов и влияние человеческого фактора в производственном процессе.

Список используемой литературы

.Справочник по полупроводниковым приборам. Под ред. В. И. Галкина Минск: Беларусь, 1995

.В.И. Зубчук, В. П. Сигорский, А. Н. Шкуро Справочник по цифровой схемотехнике. Киев: Техника, 1990

.Г.А. Горячева, Е.Р. Добромыслов Конденсаторы: Справочник - М.: Радио и связь, 1984

.Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. Б. Г. Федорков, В. А. Телец М.: Энергоатомиздат, 1990

.Справочник по слаботочным электрическим реле 1990г. Игловский И.Г.

.Резисторы. Справочник под редакцией И.И. Четверткова 1991

Приложение

Рис.

Рис.

Рис.

Рис.

Рис.

Рис.

Рис.

измерительный электрический питание