Термочастотний перетворювальний елемент

1.4 Термочастотний перетворювальний елемент

Вимірювання температури термочастотними методами засновано на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, швидкості поширення звукових і ультразвукових коливань з терморезистором. Найбільш розвинуті резонансні термочастотні методи, засновані на застосуванні резонансних датчиків, що являють собою автогенератори або генератори зі змушеними коливаннями, частота яких настроюється в резонанс із частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою[8].

Для виміру температури застосовуються механічні (твердотільні), газові і ядерні резонатори. Характеристика перетворення температури в частоту в таких резонаторів нелінійна. Рівняння перетворення термометрів з резонаторними перетворювачами на робочій ділянці характеристики можна представити у вигляді полінома:

f= f₀, (1.4.1)

де коефіцієнти  и у вибираються в залежності від виду і характеристик резонаторів. При використанні кварцових резонаторів похибка лінійності досить незначна. В інших випадках для лінеаризації характеристики приладу необхідні додаткові пристрої з функціональними перетворювачами. Розвиток мікропроцесорної техніки дозволяє створювати точні частотні термометри з похибкою лінійності не більш 10^-5.

1.5 Пірометричний перетворювальний елемент

Пірометричні методи вимірювання температури охоплюють широкий діапазон температур – від 173 до 6000 К, що включає в себе низькі, середні і високі температури. Ці методи засновані на визначенні параметрів теплового випромінювання об'єкта без порушення його температурного поля. Теплове випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, порушуване тепловим рухом атомів і молекул у твердих, рідких і газоподібних речовинах. При температурах вище 4000 К випромінювання викликається процесами дисоціації й іонізації[9].

Частіше застосовуються пірометри порівняння, в яких густина випромінювання об’єкта вимірювань порівнюється з випромінюванням еталону в видимій частині спектру. Спектральний пірометр (пірометр порівняння) зображений на рис. 1.4 (Додаток А). [10]

Теорія пірометричних методів вимірювання температури заснована на законах, що встановлюють зв'язок між випромінюванням абсолютно чорного тіла (АЧТ) і його температурою. Абсолютно чорним тілом називається тіло, що поглинає все падаюче на нього випромінювання і відповідно здатне при даній температурі випромінювати максимальну енергію. Добрим наближенням до АЧТ є закрита з усіх боків порожнина з малим отвором, площа якого мала в порівнянні з загальною поверхнею порожнини.

Закон Планка встановлює зв'язок між абсолютною температурою і спектральним розподілом потоку випромінювання АЧТ:

М⁰=С₁ ^-5(е^С/(Т)– 1)^–1, (1.5.1)

де М^{0 –} спектральна щільність потоку випромінювання АЧТ, тобто енергія, випромінювана в одиницю часу одиницею площі поверхні випромінювача, що приходиться на одиницю діапазону довжин хвиль; С₁ = 2c²h=3,741832.10-¹⁶ Втм²; C₂=ch/k = 0,01438786 мК — відповідно перші і друга постійні випромінювання; с— швидкість світла; h — постійна Планка; k — постійна Больцмана.

Розробка чутливих приймачів інфрачервоного (ІЧ) випромінювання дозволяє застосовувати пірометричні методи для вимірювання не тільки високих, але і низьких температур. Прилади для вимірювання температур об'єктів по їх тепловому електромагнітному випромінюванню називаються пірометрами [4].

2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ПОРОЗРЯДНОГО ЗРІВНОВАЖЕННЯ

Аналого-цифрові перетворювачі порозрядного зрівноваження використовуються у тому разі, якщо необхідно забезпечити похибку 0,1 …0,02% при досить високій швидкодії в межах 10⁴…10⁶ вим./с.

Суть порозрядного зрівноваження полягає в зрiвноваженнi вимірювальної U_а напруги компенсуючою U_к, що змінюються порозрядно нерівномірними ступенями. Відлік результату вимірювання здійснюється в момент рівності цих величин. Такий алгоритм називають ще “старшими розрядами вперед”. На рисунку 2.1 наведено структурну схему аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрiвноваження.

Рисунок 2.1 – Структурна схема аналогово-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження

Основними елементами структурної схеми аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрiвноваження є:

-           G – генератор тактової частоти , який задає частоту перемикання тригерів регістра;

-           РI – розподiльник iмпульсiв, який задається послідовність перемикання тригерів регістра;

-            - схеми збiгу, якi призначенi для керування процесом вимiрювання;

-            - SR-тригери, якi представляють собою десяти розряднi регiстри;

-           ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач, який призначений для перетворення двiйкового коду в аналогову величину;

-           ПП – пристрiй порiвняння (компаратор), який може знаходитись в двох станах: якщо , то на виходi компаратора формується рiвень логiчної одиницi i цим рiвнем вiдкриваються всi схеми збiгу ; якщо ж , то на виходi компаратора формується рiвень логiчного нуля, яким закриваються всi схеми збiгу.

Сутнiсть алгоритму порозрядного зрiвноваження розглянемо на конкретному прикладi. Припустимо, що вимiрювальна напруга складає 900 mB.

Вхідна напруга U_а в пристрої порівняння порівнюється з компенсуючою напругою U_к починаючи з старшого розряду. Отже, для конкретного прикладу, напруга в 512 mВ порівнюється з вимірювальною напругою 900 mВ, і оскільки U_к < U_a, пристрій порівняння виробляє сигнал, на виходi першого тригера встановлюється рiвень логiчної одиницi. Далі розподільник імпульсів встановлює в одиничний стан другий тригер і відбувається порівняння компенсуючої напруги U_к = 2ⁿ ∙∆U+2^n-1∙∆U, тобто 768 mВ і вимірювальну напругу 900 mВ. Оскільки U_к < U_a на виході другого тригера встановлюється одиниця. В результаті порівняння компенсуюча напруга стає рівною вхідній напрузі, вимірювання закінчується i на виходi аналого-цифрового перетворювача утворюється код 1110000100, який відповідає вимiрювальнiй напрузi 900 mВ. Процес перетворення вхідної напруги U_a=900 в двійковий код наведено в таблицi 2.1.

Таблиця 2.1 Процес перетворення вхідної напруги U_a=1500 в двійковий код

Такт	Порівняння		Значення компенсуючої напруги	Код
1	512	900	512	1
2	768	900	512 + 256 = 768	1
3	896	900	768 + 128 = 896	1
4	960	900	896 + 64 = 960	0
5	928	900	896 + 32 = 928	0
6	912	900	896 + 16 = 912	0
7	904	900	896 + 8 = 904	0
8	900	900	896 + 4 = 900	1
9	902	900	900 + 2 = 902	0
10	903	900	902 + 1 = 903	0

Часова діаграма роботи аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження для конкретного випадку наведена на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 – Часова діаграма аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження.

Розглянемо принцип дiї аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрiвноваження.

В вихiдному положеннi усi тригери знаходяться в нульовому положеннi i схеми збiгу закритi, тому на всi цифровi входи цифро-аналогового перетворювача поступає нуль i вiн перетворює цей код в вiдповiдну напругу, тобто компенсуюча напруга дорiвнює нулю ().

Аналого-цифровий перетворювач здiйснює вимiрювання напруги (для даного випадку ) за десять тактiв.

Перший такт: з генератора G поступає тактова частота  i на першому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал, який поступає на перший тригер i встановлює його в одиницю. Таким чином на його виходi утворюється код 1000000000, який цифро-аналоговий перетворювач перетворює в напругу 512 mB. Оскiльки , то на входi компаратора формується нуль i ним закриваються всi схеми збiгу .

Другий такт: на другому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал i другий тригер встановлюється в одиницю. Даний управляючий сигнал поступає також на першу схему збiгу, але оскiльки вона закрита нулем, то iмпульси через неї не проходять. Тодi на виходi другого тригера з’являється код 1100000000, акий перетворюється в вiдповiдну йому напругу 768 mB. Оскiльки , то на входi компаратора формується нуль і ним закриваються всi схеми збiгу.

Третiй такт: по третьому iмпульсу тiльки на третьому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал, який поступає на вхiд третього тригера i на попередню схему збiгу. Проходячи через цю схему вiн поступає на S-вхiд тригера i встановлює його в одиницю. Тодi на виходi третього тригера з’являється код 1110000000, який перетворюється цифро-аналоговим перетворювачем в напругу 896 mB. Оскiльки , то на входi компаратора формується нуль i ним закриваються всi схеми збiгу.

Четвертий такт: на четвертому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал i четвертий тригер встановлюється в одиницю. Даний управляючий сигнал поступає також на попередню схему збiгу, але оскiльки вона закрита нулем, то iмпульси через неї не проходять. Тодi на виходi четвертого тригера з’являється код 1111000000, який перетворюється в напругу 960 mB.

Оскiльки , то на входi компаратора встановлюється рівень логічної одиниці i нею відкриваються всi схеми збiгу.

П’ятий такт: по п’ятому iмпульсу тiльки на п’ятому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал, який поступає на вхiд п’ятого тригера i на попередню схему збiгу. Проходячи через цю схему вiн поступає на R-вхiд тригера i встановлює його в нуль. На виходi п’ятого тригера з’являється код 1110100000, який перетворюється в напругу 928 mB. Оскiльки , то на входi компаратора встановлюється рівень логічної одиниці i нею відкриваються всi схеми збiгу.

Шостий такт: на шостому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал i тригер встановлюється в одиницю. Проходячи через попередню схему збігу вiн поступає на R-вхiд тригера i встановлює його в нуль. На виходi шостого тригера з’являється код 1110010000, який перетворюєється в напругу 912 mB. Оскiльки , то на входi компаратора встановлюється рiвень логiчної одиницi, яким вiдкриваються всi схеми збiгу.

Сьомий такт: по сьомому iмпульсу на сьомому входi розподiльника iмпульсiв з’являється управляючий сигнал, який поступає на вхiд тригера i на попередню схему збiгу. Проходячи через цю схему вiн поступає на R-вхiд тригера i встановлює його в нуль. Тодi на виходi сьомого тригера з’являється код 1110001000, який перетворюється в напругу 904 mB. Оскiльки , то на входi компаратора встановлюється рiвень логiчної одиницi, яким вiдкриваються всi схеми збiгу.

Восьмий такт: утворюється код 1110000100, який вiдповiдає вимiрювальнiй напрузi 900 mB, тобто компенсуюча i вимiрювальна напруга зрiвноважуються.

Загальна часова діаграма роботи аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження наведена на рисунку 2.3 (Додаток Б).

Рiвняння перетворення аналогово-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження має вигляд:

, (4.1)

де h = U₀/2ⁿ - крок квантування; n - розрядність двійкового лічильника;

U₀ - опорна напруга.

Статична характеристика аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження наведена на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 – Статична характеристика аналогово-цифрового перетворювача

Похибка квантування аналогово-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження визначається, як величина обернена до кількості імпульсів

, тобто , (2.2)

а її графічне подання наведено на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 – Залежність вхідної напруги від похибки квантування

Отже, похибка квантування аналогово-цифрового перетворювача залежать від вимірюваної величини і визначається в основному розрядністю АЦП [11].