Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

МИКРОМОЩНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ РАЗВЕРТЫВАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Громков Н.В. 1 Жоао А.Ж. 1
1 ГОУ ВПО "Пензенский Государственный Университет"
Представлены результаты исследования и разработки частотного интегрирующего развертывающего преобразователя параметров резистивных датчиков температуры, выполненного на микромощных операционных усилителях различного типа, с улучшенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками.
микромощные операционные усилители
частотные преобразователи
датчики физических величин
датчик температуры
1. Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. М.: Радио и связь, 2000.
2. Виглеб Г., Датчики: Пер. с нем. М.: Мир, 1989. 196 с.
3. Громков Н.В. Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография/ Н.В. Громков. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. 244 с.
4. Громков Н.В, Частотные преобразователи для тензодатчиков – В кн.: «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы». Пенза ПДНТП, 1980, С. 59-60.
5. Турата Е.Ф., Операционные усилители: справочник, М.: Патриот, 1996. 192 с.

Эффективность любых новых применений методов интегрирующего развертывающего преобразования (ИРП) обусловлена их технической простотой. По этому показателю, а также по помехоустойчивости и точности методы ИРП находятся вне конкуренции наряду с другими методами построения цифровых средств измерения, что определяет предпочтительность их применения во всех случаях, когда обеспечивается требуемое быстродействие [3].

Важным направлением, связанным с решением задач, стоящих перед специалистами информационно-измерительной техники, является разработка методов и средств преобразования параметров резистивных датчиков в частотный сигнал.

Актуальность решения этой задачи обусловлена, с одной стороны, широкой номенклатурой резистивных датчиков, которые используются для измерения разнообразных физических величин (перемещений, механических напряжений, температуры и т.д.), и, с другой стороны, преимуществами частотного представления информации с точки зрения помехоустойчивости, передачи информации по линиям связи, обработки и преобразования в код [4].

Данное направление в информационно-измерительной технике интенсивно развивается, что подтверждается большим количеством публикаций по данному вопросу в отечественной и зарубежной литературе.

В настоящее время существует множество методов для измерения температуры, но самым распространённым является измерение температуры с помощью датчиков, а в частности, с помощью резистивных датчиков измерения температуры.

Основные трудности при построении частотного ИРП (ЧИРП) параметров резистивных датчиков связаны с решением следующих основных проблем:

Обеспечение минимально допустимой погрешности нуля.

Обеспечение минимально допустимой погрешности чувствительности.

Рациональное сопряжение измерительной цепи (ИЦ) со схемой преобразователя.

Минимальное потребление мощности, при использовании в приборах с автономным энергопитанием (от солнечных элементов или аккумуляторов).

При этом не менее актуальными остаются проблемы поиска путей структурного совершенствования ЧИРП для получения высоких метрологических характеристик, высокой помехоустойчивости и упрощения схемной реализации.

Температура является одним из важнейших параметров, как при проведении лабораторных экспериментов, так и технологических процессов многих отраслей промышленности.

Изначально создание маломощных и микромощных операционных усилителей (МОУ) было вызвано необходимостью уменьшить ток потребления устройств, содержащих большое число ОУ. Поэтому к разработанным более 15 лет назад и до сих пор выпускаемым усилителям µALM4250, 153УД4, 154УД1, 140УД12, в настоящее время добавились ещё более ста различных ОУ, выпускаемых ведущими мировыми производителями [5]. Причём качество их разработки настолько возросло, что МОУ можно встретить и среди прецизионных усилителей, и среди ОУ с малыми выходными токами [1].

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием, некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми [1].

На данный момент при проектировании автономных информационно-измерительных систем (ИИС) возникает необходимость введения микромощных датчиков измерения температуры с простым схемотехническим решением, возможностью автономного питания, сбором и обработкой информации и способностью передачи полученной информации на большие расстояния.

На рис. 1 представлена структурная схема датчика измерения температуры с частотным выходным сигналом, содержащего источник питания (ИП), преобразователь напряжения в ток (ПНТ), преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), состоящий из интегратора (ИНТ) и сравнивающего устройства (СУ), и резистивный датчик температуры (Д), питающийся от преобразователя напряжения в ток (ПНТ).

grom.eps

Рис. 1. Структурная схема частотного преобразователя параметров резистивных датчиков температуры

С помощью компьютерного моделирования в программе MicroCap была смоделирована схема частотного преобразователя на микромощных операционных усилителях типа 154УД3А, 140УД17, 140УД12 и 153УД4 (рис. 2).

missing image file

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема ЧИРП

В состав ЧИРП входит: резистивный датчик температуры (R4), преобразователь напряжения в ток, состоящий из инвертирующего усилителя напряжения (X3) и резистора нагрузки R3, сопротивление которого, не менее чем на два порядка, превышает сопротивление датчика R4, интегратор на базе операционного усилителя (Х1) с емкостной отрицательной обратной связью С2 и дополнительным (дозирующим) конденсатором С1 и сравнивающее устройство - компаратор (Х2). Питание датчика осуществляется двухполярным напряжением питания типа "меандр" с выхода сравнивающего устройства через инвертирующий преобразователь напряжения в ток.

Функция преобразования данного измерителя температуры имеет следующий вид:

grom1.eps,

где Rд – сопротивление датчика температуры, а K – коэффициент преобразователя напряжения в ток, имеющий размерность [1/Ом∙с] и определяемый соотношением

missing image file,

при условии, что R3 >> R4.

Чувствительность, начальную частоту и диапазон изменения выходной частоты можно устанавливать с помощью элементов схемы С1, R5 и резисторов R1, R2 и R3 соответственно.

При использовании резистивных датчиков температуры измерение температуры, как правило, проводится на основании изменения электрического сопротивления от температуры [2]. В зависимости от типа выбранного датчика, его сопротивление может изменяться в диапазоне температур в разных пределах. В данном случае сопротивление датчика температуры (фирмы Honeywell) R4 изменялось от 1584 до 3030 Ом при изменении температуры от - 40 до 140 oС, как показано в таблице 1 и на рис. 3.

Таблица 1

Значения Rд от t

Температура, С

Сопротивление, Ом

-40

1584

-20

1715

0

1854

20

2000

40

2153

60

2314

80

2482

100

2658

120

2840

140

3030

Для сведения к минимуму возможности внутреннего нагрева датчика рекомендуется, чтобы измерения сопротивления проводилось при максимальном токе равным 100 мА или менее. Измерение сопротивления с токами до 1 мА не повредит датчик, но характеристики сопротивления должны быть скорректированы с учетом внутреннего нагрева. В данной схеме величина тока датчика не превышала 50 мкА.

missing image file

Рис. 3. График зависимости сопротивление датчика от температуры

Ниже представлена таблица значений выходной частоты ЧИРП, собранных на разных типах операционных усилителей, от изменения сопротивления датчика при указанных заданных значениях температуры датчика (табл. 2).

Таблица 2

Значения выходной частоты ЧИРП от изменения сопротивления датчика

T,

oC

R, Ом

fвых

154УД3А

140УД17

140УД12

153УД4

-40

1584

13309

9985

8407

15815

-20

1715

14095

10476

8742

16904

0

1854

14874

10968

9070

17997

20

2000

15695

11455

9387

19104

40

2153

16496

11930

9692

20284

60

2314

17319

12405

9988

21893

80

2482

18121

12872

10272

22544

100

2658

18929

13331

10545

23771

120

2840

19705

13777

10805

25009

140

3030

20468

14216

11054

26302

По результатам таблицы были построены графики зависимости частоты выходного сигнала ЧИРП от изменения сопротивления датчика от 1584 до 3030 Ом (Рис. 4).

Как видно из графика, при изменении сопротивления датчика в заданном диапазоне температур и конкретных значениях C и R схемы (C1=12пФ, R1=10кОм, R2=5кОм, R3=100кОм, R5=9кОм), которые входят в функцию преобразования (1), максимальная девиация частоты в схеме, собранной на ОУ 153УД4, составляет порядка 10,5 кГц, а минимальная девиация частоты для схемы на ОУ 140УД12 составляет порядка 2,7 кГц.

Для получения необходимых значений частоты в заданных выше пределах и соответствующем диапазоне температур, можно регулировать значения C и R схемы. Так, при значениях C1=12пФ, R1=10кОм, R2=5кОм, R3=150кОм, R5=9кОм, максимальная девиация частоты (на ОУ 153УД4) составила порядка 5,5 кГц, а минимальная (на ОУ 140УД12) - 2,5 кГц.

Как видно из функции преобразования (1) ЧИРП, выведенной для ОУ с идеальными характеристиками, напряжение питания не оказывает влияния на выходную частоту преобразователя. Однако, как показали экспериментальные исследования, с изменением напряжения питания изменяются основные характеристики операционных усилителей (коэффициент усиления, смещения нуля, полоса пропускания и т.д.), в результате чего незначительно изменяется частота выходного сигнала.

grom.tif

Рис. 4. Графики зависимости выходной частоты от изменения сопротивления датчика

Ниже представлена таблица изменения выходной частоты ЧИРП, собранных на различных типах ОУ, в зависимости от приложенного напряжения питания при заданных начальных значениях частоты 5 и 10 кГц.

Таблица 3

Значения выходной частоты от напряжения питания

Uпит, В

10 кГц

5 кГц

154УД3А

140УД17

140УД12

153УД4

154УД3А

140УД17

140УД12

153УД4

9

10058

10155

11695

10512

4886

4986

5229

4902

10

10077

10041

11097

10513

4949

4964

5151

4939

11

10076

9926

10535

10497

4980

4943

5053

4969

12

10070

9808

10014

10463

4999

4921

4949

4988

13

10062

9688

9535

10457

5011

4898

4842

5005

14

10062

9572

9094

10430

5017

4875

4736

5013

15

10051

9454

8688

10415

5018

4851

4631

5052

grom1.tif

Рис. 5. Графики зависимости частоты выходного сигнала ЧИРП от приложенного напряжения питания в диапазоне от 9В до 15В

По результатам приведенной выше таблицы, были построены графики изменения выходной частоты ЧИРП от изменения напряжения питания (Рисунок 5) в диапазоне от 9-15В (при номинальном значении напряжения питания 12В), т.е. на ±25%.

Как видно из графиков, схема, собранная на 140УД12, более чувствительна к изменению напряжения питания и диапазону выходных частот. Относительная погрешность преобразования в зависимости от изменения напряжения питания на ±25% от номинального для схемы, выполненной на ОУ типа 154УД3А и 140УД17 и 153УД4, не превышала 3,5%, а для схемы, собранной на ОУ типа 140УД12 – до 15%.

В качестве рекомендаций можно предложить использование частотных преобразователей, выполненных на микромощных ОУ, на более низких частотах (порядка единиц кГц) и отклонении напряжения питания от номинального не более чем на 10%. При этом общий ток потребления ЧИРП собранных на ОУ типа 154УД3А и 140УД17 может составить величину порядка 20 мА, на ОУ типа 153УД4 порядка 900мкА, а на ОУ 140УД12 - 40-50 мкА.


Библиографическая ссылка

Громков Н.В., Жоао А.Ж. МИКРОМОЩНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ РАЗВЕРТЫВАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9-1. – С. 18-22;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=7430 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252