3.3 Нормирующие устройство
Схема включения первичного измерительного преобразователя являеться мостовой схемой включения.
В одну диагональ включен датчик с чувствительным к газу элементом, которой включен последовательно с изолированной от газа проволкой.
Вторая диагональ моста по сути представляет собой источник входного сигнала для инвертирующего входа усилительной схемы на операционном усилителе.
Рис 3.2
Контакты Х1 Х3 это контакты подачи питания на датчик и являються общими точками схемы. Контакт Х2 являеться выходом датчика и подключаеться к неинвертирующему входу операционного усилителя. К инвертирующему входу подключаеться середина второго плеча моста R1 R2.
При этом R1=R2.
3.3.1Расчет передаточной функции нормирующего устройства
Расчитаем коэфициент услиения схемы.
Для идеального операционного усилителя с отрицательной обратной связью напряжения на входах равны.
(3.4)
Так как система линейна мы можем расчитывать влияние каждого входа по отдельности. Расчитаем влияние сигнала с датчика на неинвертирующий вход.
(3.5)
Влияние сигнала с инвертирующего входа.
(3.6)
После привдения этого уравнения к виду Uвых=f(U1)
(3.7)
Так
как выходным сигналом предидущего
элемента являеться отклонение напряжения
от
.
Запишем функцию в виде зависимости Uвых
от
U+.
(3.8)
Напряжение питания датчика равно 2.8 В (ссылка на список литературы)
Значит половина этого напряжения 1.4 В. Что соответсвует всему размаху выдаваемого сигнала. Полный диапазон изменения напряжения входа относительно 1.4 это 100 мВ. Так что коэфициент усиления выберем
равным 11. А Значения резисторов 20 кОм и 100 кОм соответсвенно.
(3.9)
3.4 Аналогово-цифровой преобразователь
В данной работе при разработке измерительного канала мы будем использовать встроенный АЦП. Такое решение оправдано, тем что такая реализация позволяет упроситить трассировку и удешивить производство. Одним из лучших производителей контроллеров общего назначения являеться Texas Instruments с их серией пониеженного энергопотребления MSP430. В пятой серии этих контроллеров используеться 12 битный АЦП последовательного уравновешивания.
3.4.1Структура АЦП последовательного уравновешивания.
Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным равновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного
максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) место 2n-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105...106
преобразований в секунду. В то же время статическая
огрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных
разрядов при частоте выборок до 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown).
Рис 3.3
Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 9а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.
После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому напряжение Uос на выходе ЦАП (рис. 9б)
Uос=23h.
где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток
Uвх - d3 23 h
Таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 9б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.
При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.
Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
В качестве опорного напряжения будет использована микросхема с номиналом 3.0 В.
Функция преобразования будет выгяледть так
(3.10)
Вид зависмости нелинейный, что внесет погрешность квантования.
3.5Цепь измерения тока датчика.
Согласно ТУ на ТХМ 2,8 диапзон измерения датчика от 0% до 2,5% обьемных долей метана. При превышении порога в 80% происходят такие процесы:недостаток кислорода перрывает каталитическую реакцию, а так как метан имеет более высокую теплопроводность чем воздух, датчки охлаждаеться и существенно увеличиваеться ток через чувствительный элементи и уменьшаеться напряжение падающие на чувствительном элементе. Поэтому для однозначной интерпритации значения напряжения на выходе датчика, нужно контролировать ток через датчик. Увеличиние тока на 4 мА относительно калибровочного значения даст сигнал о превышении порога в 60%, а так же сигнал о том что показаниям датчика верить нельзя.
Задача детектора замерить значение тока через 5 мин после разогрева датчика и выдать сигнал о падении значения тока ниже этого порога на 3 мА
3.5.1Первичный преобразователь тока в напряжение.
Для измерения тока можо импользовать разные методы:
Электродинамический
Феродинамический
Измерение падения напряжения на шунте
Мы будем использовать в данной схеме метод измерения падения напряжения на шунте.
Шунт выстуает в виде преобразователя тока в напряжение. И имеет функцию преобразования
(3.11)
Преобразование происходит в пределах от 90 до 103 мА. Выходной сигнал которы й нас устроит соответсвенно от 27.0мВ до 30.9 мВ. Для этого возьмем шунт номиналом 0.3 Ом.