Усилитель напряжения сигнала термопары (УТП)

Датчиком температуры в разрабатываемом устройстве является термопара “хромель-капель”. Посредством контактной сварки проводов термопары к тиглю ванны для лужения возможно обеспечить надёжный тепловой контакт и малую инерционность процесса регулирования.

Учитывая то, что вырабатываемая термопарой ЭДС составляет десятки милливольт, для её обработки микроконтроллером необходимо произвести её усиление. Усиленный сигнал термопары для всего диапазона интересующих нас температур (до 380 °С), должен покрывать интервал напряжений обработки АЦП микроконтроллера.

Применение специализированных микросхем в данном случае нецелесообразно ввиду их относительно высокой стоимости (хотя они и предусматривают учёт температуры “холодного” спая, будем исходить из доступности элементной базы и материалов).

Наиболее оправданным представляется применение схемы усиления на основе операционного усилителя (ОУ). Широкая номенклатура ОУ, отсутствие необходимости двуполярного питания, выходной сигнал во всём диапазоне питающих напряжений (т.н. Rail-to-Rail) делают их применение наиболее эффективным для усиления аналоговых сигналов.

Усилитель напряжения сигнала термопары (см. электрическую принципиальную схему, Приложение 1) состоит из резистивного моста R1/R2/R7/R8, инвертирующего усилителя на ОУ DA1 и резисторах R3/R5/R6. Резистивный мост включён между потенциалами Ucc=5 В и опорным источником напряжения АЦП микроконтроллера U_оп=2,56 В, выполняющим роль “средней точки”.

Резистор R2 изготавливается из тонкого медного провода, намотанного на оправку из стеклотекстолита, и представляет собой терморезистор, выполняющий коррекцию температуры “холодного” спая термопары. Резистор R1 равен значению резистора R2 при 0 °С и требует точной подгонки номинала путём подбора резисторов их параллельным соединением. С помощью резистора R10 выполняется коррекция “нулевой” точки ОУ.

При температуре обеих концов термопары равной 0 °С термоЭДС отсутствует, резистивный мост уравновешен (т.к. R1=R2 и R7=R8), потенциалы точек А и В равны. Выходное напряжение усилителя равно значению U_оп = 2,56 В. В общем случае выходное напряжение усилителя описывается выражением:

,

где: K_y – коэффициент усиления ОУ;

U_тп – вырабатываемая термопарой термоЭДС;

U_АВ – напряжение корректировки температуры “холодного” спая:

Коррекция температуры “холодного” спая осуществляется следующим образом: а) при увеличении температуры “холодного” спая сопротивление терморезистора R2 увеличивается, потенциал точки В возрастает, компенсируя тем самым падение генерируемой термопарой термоЭДС; б) при понижении температуры происходит обратный процесс - сопротивление терморезистора R2 уменьшается, потенциал точки В падает на величину, корректирующую увеличение термоЭДС термопары.

Для расчётов номиналов схемы зададимся:

- приемлемым током, потребляемым от опорного источника микроконтроллера I_оп = 1 мА, исключающим перегрузку опорного источника;

- диапазоном возможных температур “холодного” спая: t_min=15 °С, t_max=50 °С;

Терморезистор R2 должен обеспечивать корректировку усиливаемой термоЭДС равной её изменению в пересчёте на один градус цельсия. С учётом этого получим выражение:

,

где: U_Tmax = 29,743 мВ – максимальное значение термоЭДС термопары при максимальной температуре T_max;

T_max = 380 °С - максимальная разность температур спаев термопары;

Решая следующую систему уравнений в MathCad:

находим значение резисторов моста R7=R8=4,843 кОм и диапазон сопротивления терморезистора (R_2max и R_2min) для возможных температур “холодного” спая t_min и t_max.

Терморезистор изготавливается намоткой медного провода ПЭВ-2,

d = 0,05мм на оправку. При его изготовлении необходимо обеспечить сопротивление:

,

где: t_комн – температура при которой осуществляется намотка

(при t_комн=25 °С R2 = 38,65 Ом);

α – коэффициент удельного сопротивления меди, равный 4.26·10^-3)

Значение резистора R1 = 35,117 Ом (равное сопротивлению терморезистора R2 при 0 °С) находится из выражения:

Требуемый коэффициент усиления K_y= 86 инвертирующего усилителя на ОУ DA1 нашли по формуле: ,

тогда, принимая R5=R6=10 кОм, находим номинал резистора R3 (860 кОм):

Дата добавления: 2017-02-01