Описание работы устройства

Факультет приборостроения, информационных технологий и систем

Кафедра метрологии и систем качества

МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ «ТЕПМЕРАТУРА-НАПРЯЖЕНИЕ»
НА ТЕРМОРЕЗИСТОРЕ

Функциональный и метрологический анализ

Курсовая работа

по дисциплине "Метрологический анализ"

ПензГУ 200503 – 06КР08ПС1.4

Автор – студент группы 08-ПС1

Руководитель – к.т.н., доцент К.В. Сафронова

Работа защищена с оценкой

Председатель комиссии В.А.Баранов

Члены комиссии К.В.Сафронова

В.А.Баранов

Содержание

Введение…………………………………………………...……………..3

1 Описание работы устройства…………………………………….….5

2 Функциональный анализ измерительного устройства………….....10

3 Оценивание ошибки модели………………………………………..12

4 Метрологический анализ измерительного устройства…………..14

5 Расчет требований к компонентам…………………………………16

Заключение………………………………………………………….…19

Список литературы…………………………………………………....20

Приложение……………………………………………………………21

Введение

Целью данной курсовой работы является проведение функционального и метрологического анализа устройства.

Функциональный анализ позволяет устанавливать зависимость выходной величины от входной величины, и параметров компонентов, из которых состоит измерительное устройство. На базе функциональной модели, построенной в ходе функционального анализа, проводится метрологический анализ. На основе метрологического анализа строится метрологическая модель, позволяющая установить связи между погрешностями измерительного устройства в целом и погрешностями отдельных компонентов. Таким образом, актуальность курсовой работы заключается в том, что посредством методологии функционального и метрологического анализа возможна минимизация погрешностей устройства на этапе проектирования.

В первом разделе приводится подробное описание устройства мостового преобразователя «температура – напряжение» на терморезисторе, его функционирование и принцип действия.

Во втором разделе проводится функциональный анализ: разложение функции устройства на совокупность элементарных операций, представление каждой операции математическим выражением, а также в виде функционального звена, разработка структурной и математической функциональной моделей.

В третьем разделе выполняется оценивание ошибок модели, приводятся результаты оценивания погрешностей от несогласования звеньев и от замены формул более простыми.

В четвертом разделе приводится метрологический анализ: выявление возможных причин возникновения погрешностей каждого звена, а также разделение их на аддитивные, мультипликативные и нелинейные составляющие в статическом режиме при нормальных условиях. Кроме того, приводится структурная метрологическая модель устройства в целом, вывод формул аддитивной, мультипликативной и нелинейной погрешностей всего измерительного устройства, построение метрологической модели.

В пятом разделе по заданным значениям диапазона измерений и предела допускаемой погрешности измерительного устройства осуществляется выбор и расчет номинальных значений параметров компонентов и требований к предельным значениям погрешностей.

Описание работы устройства

Устройство, рассматриваемое в этой работе (рисунок 2), представляет собой преобразователь температу­ры в напряжение посредством включения в плечо неуравновешенного моста терморезистора.

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление кото­рого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться ме­таллический или полупроводниковый резистор.

Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяется медь и платина. Из­готовленные из этого материала терморезисторы обладают высокостабильным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей вос­производимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам относят: платину, медь, вольфрам и никель. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до +650°C выража­ется соотношением:

R _T = R ₀ (1 + AТ + ВТ²),

где R ₀ – сопротивление при 0˚С;

Т – температура, ˚С;

А= 3,9078∙10^-3 К^-1 ;

В= 5,7841∙10^-7 К^-2.

Нелинейность уравнения преобразования и высокая стоимость платины является основными недостатками терморезистора из платины. Однако химическая стойкость и пластичность платины, позволяющая изготовлять очень тонкие нити, делают ее в ряде случаев незаменимой.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне
от минус 50°С до 180 °С можно пользо­ваться формулой:

Медный терморезистор можно применять только до температуры 200°С в атмосфере, сво­бодной от влажности и коррозирующих газов.
При более высоких температурах медь окисляется.

Никелевые терморезисторы применяются до температур 250-300°С.
В интервале температур от 0°С до 100°С уравнение пре­образования практически линейно. Основным преимуществом никеля является высокое удельное электрическое сопротивление (в 5 раз большее, чем у меди) и большой температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент у полупроводниковых терморезисторов (термисторов) обычно отрицателен и в 8-10 раз больше, чем у металлов. Кроме того, полупроводниковые терморезисторы имеют значительно большее удельное электрическое сопротивление. В связи с этим они могут иметь малые размеры при большом номинальном сопротивлении (до 10 МОм ) и, следовательно, высокое быстродействие. Рабочий интервал температур у большинства полупроводниковых терморезисторов от минус 100°С до 300°С.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов является плохая воспроизводимость ха­рактеристик и нелинейный характер функции преобразования:

,

где - сопротивление терморезистора;

A и B – коэффициенты;

– абсолютная температура.

Главной идеей построения неравновесных мостов цепей состоит в исходной компенсации на­чального значения выходного сигнала.
Для достижения этой цели к делителю содержа­щему преобразователь добавляется еще один делитель с тем, чтобы напряжение на на­грузке и ток через нее при =0 отсутствовали. При отклонении от 0 и мост выходит из состояния равновесия, вследствие чего и . Далее данное напряжение поступает на вход усилителя и напряжение является выходным напряжением усилителя.

В усилителе постоянного тока напряжение на выходе определяется не только входным сигна­лом, но и нестабильностью режимов каскадов по постоянному току. Требуемую величину сигнала, которую нужно подать на вход усилителя для того, чтобы выходное напряжение было равно нулю, называют смещением нуля усилителя. Нестабильность смещения нуля называется дрейфом нуля, она является наиболее важнейшей характеристикой усилителя. Вызванное дрейфом нуля изменение сигнала на выходе воспринимается как соответствующее изменение входного сигнала, что приводит к возникновению аддитивной погрешности измерительного усилителя. Поэтому нужно заботиться не только о стабильности коэффициента усиления, но и о снижении дрейфа нуля усилителя. Наиболее частый метод, используемый для снижения дрейфа нуля, является применение симметричных каска­дов. Как было уже сказано, измеряемая температура по некоторой линейной или нелинейной зависи­мости в абсолютное изменение сопротивления терморезистора от изменения температуры может быть описана уравнением:

где – сопротивление проводника в отсутствии изменения температуры;

– зависимость изменения сопротивления от изменения температуры.

При малых изменениях температуры зависимость может быть принята линейной (рисунок 1).

Рисунок 1

В математическом виде будет выглядеть:

где – чувствительность терморезистора,

Терморезистор R_t включается в четырехплечий мост (резисторы с сопротивлением ), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2

Далее приведены основные составляющие преобразователя:

– терморезистор;

– резисторы неуравновешенного моста;

– источник напряжения;

У – усилитель;

– измеряемая температура;

– выходное напряжение преобразователя.

При – мост сбалансирован.

При поступлении температуры на терморезистор изменяется его активное сопротивление, возникает напряжение, которое в последующем попадает на вход усилителя; источник напряжения, включенный в диагональ питания моста, играет вспомогательную роль. Достоинством использования мостовой цепи является то, что требования к выбору источника питания значительно снижаются.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: