Многоканальная МП система регулирования температуры (стр. 1 из 8)
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
1.1 Описание структурной схемы
1.2 Обзор температурных датчиков. Обоснованиевыбора
1.3 Обзор АЦП
1.4 Описание микропроцессорной части
1.5 Описание платы индикации и клавиатуры
1.6 Обзор и сравнение характеристик силовых при
2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
2.1 Выбор и расчет схемы компенсации температурысвободных концов термопары
2.2 Выбор и расчет усилителя
2.3 Выбор коммутатора, его характеристики
2.4 Выбор АЦП
2.5 Выбор гальванической развязки силовой частии схемы управления
2.6 Выбор схемы управления нагревателем
2.7 Выбор силового тиристора
2.8 Электрический расчет электронагревателей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Рабочим заданием данной работы было устройство, которое поддерживает температуру технологического процесса (объекта) по заданной программе, которая вводится с клавиатуры, в течении определенного времени по восьми каналам, после чего отключает регуляторы (резистивного типа), при этом отображать информацию на дисплее.
Без системы регулирования температуры многие промышленные процессы непроизводительны, а иногда просто невозможны. Регуляторы используются везде: хим. цеха энергетических и нефтегазовых объектов, легкая промышленность и т. п.
В настоящее время на российском рынке не так много фирм разрабатывают подобные устройства. Поэтому приобретение подобных аппаратов у малоконкурирующих фирм обойдется довольно большим денежным эквивалентом. В разработанной мною микропроцессорной восьмиканальной системе регулировки температуры рабочие характеристики не уступают характеристикам подобных устройств производственного объединения «Овен» и даже имеют некоторые дополнительные сервисные возможности, такие как звуковая и световая сигнализация, защита от короткого замыкания в канале каждого регулятора и др.
Разработанное мною устройство поддерживает диапазон регулирования температуры от 90 до 170 ºС с высокой степенью точности в ±2 ºС.
Для достижения заданной цели в своей бакалаврской работе я составил структурную схему работы аппарата. Подробно обдумывая каждый структурный узел схемы, я выбирал наиболее рациональные и энергетически выгодные методы решения поставленной задачи. Во многих структурных узлах я использовал новейшую элементную базу. По ходу проектирования были проведены обзоры наиболее важных узлов, влияющих на количественную составляющую измерительного и регулирующего каналов, таких как аналого-цифровой преобразователь, термодатчиков, силовых полупроводниковых приборов и др. А также произведены расчеты канала измерения (датчиков температуры, усилителя, сумматора, АЦП, погрешности квантования АЦП) и канала регулировки (силового ключа, параметров нагревателя). Составлены принципиальные схемы микропроцессорной части с датчиками температуры, силовой части со схемой управления полупроводниковыми силовыми ключами, а также части контроллера клавиатуры и дисплея
1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
1.1 Описание структурной схемы
Структурная схема электрического аппарата приведена на плакате Э1.
В этой схеме можно выделить три части:
1) измерительную (термопары, датчик температуры, усилители, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь);
2) аппаратуру программного управления и обработки данных (микропроцессор, клавиатура, дисплей, контроллер клавиатуры и дисплея, оперативно-запоминающее устройство, постоянно-запоминающее устройство, регистры и формирователи);
3) силовую (схема управления, электронагреватели).
Толстыми стрелками на схеме показано направление взаимодействия цифровых сигналов, а тонкими – аналоговых.
Режим работы аппарата устанавливается клавиатурой, с помощью которой выбирают канал измерения, программу регулировки температуры. Сигналы с клавиатуры преобразуются с помощью контроллера клавиатуры и дисплея в коды и поступают на шину данных. Микропроцессор в соответствии подпрограммой установки режима анализирует данные с клавиатуры, сравнивая их с константами из ПЗУ, при этом микропроцессор вырабатывает управляющие коды на коммутатор для подключения канала измерения и подает коды на схему управления электронагревателями. Вводимая информация с клавиатуры и информация выводимая микропроцессором отображается на дисплее.
Температуру объекта измеряют восемь термопар, вырабатывая термоЭДС. Эту, небольшой величины ЭДС, усиливает усилитель. В то же время другой датчик температуры, находящийся вблизи подсоединения свободных концов термопары к аппарату, выдает компенсирующее напряжение. Сумматор производит вычитание величин ЭДС с выхода усилителя термопары и напряжения термодатчика свободных концов. Компенсированное сумматором напряжение поступает на вход АЦП, последний в свое время преобразует его в цифровой код. Режим измерения начинается с подачи команды «ПУСК» с клавиатуры. Сформированные в АЦП коды поступают в микропроцессор, где производится их обработка по заданной программе. В случае отклонения температурного режима от заданного микропроцессор подает сигнал на схему управления, которая в свою очередь повышает или понижает температуру канала при помощи полупроводниковых силовых ключей.
1.2 Обзор температурных датчиков. Обоснование выбора
Температура объекта или технологического процесса может измеряться несколькими наиболее популярными датчиками температуры:
1) Терморезистор. При повышении температуры терморезистора его электрическое сопротивление увеличивается линейно. При использовании терморезисторов в качестве датчиков температура терморезистора практически определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Наибольшее распространение получили терморезисторы типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные). Диапазон измерения температур ТСП (-200…+750ºС), а ТСМ (-50…+150ºС).
В процессе измерения температуры с помощью терморезисторов могут возникать следующие погрешности:
· от колебания напряжения питания;
· от изменения сопротивления соединительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды;
· от собственного нагрева датчика, под действием протекающего через него тока;
· динамическая погрешность (при быстром изменении температуры).
2) Полупроводниковые терморезисторы. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления термисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов α=(4…6)∙10-3 1/ºС, то для полупроводниковых терморезисторов α>4∙10-2 1/ºС. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах. Электрическое сопротивление термистора при окружающей температуре +20ºС для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 может составлять 1 - 200 кОм, а для типов КМТ-1, КМТ-4 от 20 до 1000 кОм. Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ - 120ºС, а для типов КМТ - 180ºС. Ток, проходящий через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разогрева термистора.
3) Термопары. Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений – появлении термоЭДС. В зависимости от материала электродов термопары разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов. Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП (платинородий – платина). Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинством ее является химическая стойкость к окислительной среде, взаимозаменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Недостаток – малое значение термоЭДС. Термопара типа ТПП может длительно работать при температуре 1300ºС.
Существенно большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов. Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА (хромель – алюмель) и типа ТХК (хромель – копель). ТХА применяют для измерения температур в пределах от -50 до +1000ºС. Они способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для ТХА очень близка к линейной. Термопары типа ТХК имеют самую высокую чувствительность – 6,95 мВ на 100ºС. Однако диапазон измеряемых температур от -50 до +600ºС несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Зависимость термоЭДС от температуры для ТХК менее линейна. Их достоинством является более высокая влагостойкость.
Для непосредственного измерения температуры объекта (технологического процесса) выбираем термопару типа ТХА, т.к. ее зависимость термоЭДС от температуры более линейна в сравнении с другими типами термопар, что дает дополнительную точность измерения, а также термопара типа ТХА прекрасно работает в окислительных средах.
Зависимость термоЭДС от температуры для термопары типа ТХА:
,где
- температура рабочего спая термопары, ºС; 
- температура свободных концов термопары, ºС; 
- термоЭДС термопары, В; 
- коэффициент термопары типа ТХА, В/ ºС.Идеальным было бы, если температура свободных концов
была равна 0ºС или всегда была постоянна. Но так как в реальности температура свободных концов никогда не бывает постоянной и всегда имеет различную температуру, в зависимости от места положения аппарата, то проектируемый аппарат нуждается в дополнительном датчике температуры для компенсации температуры свободных концов термопары. Решим эту задачу использованием термопреобразователя сопротивления типа ТСМ. Зависимость сопротивления термопреобразователя от температуры определяется по формуле: