s.hbI-c

тс б Id г I ПТС613Л

HI9SHTJ

Рис. 2.38. Зависимость I

крутизны преобразования

в^ в/7 p,si,Mfl

2) В диапазоне -270...+ 600 С используют медные и платиновые термометры сопротивления;

3) в диапазоне -50...+ 1600° С используют термоэлектрические преобразователи (термометры) различных типов.

Работа полупроводниковых измерительных преобразователей температуры основана на линейной зависимости падения напряжения и от температуры Г на прямосмещенном р-и-переходе при постоянном значении протекающего тока /:

= у^Г1п^, q /

где q - заряд электрона; А^ -ширина запрещенной зоны; /j - обратный ток р-и-перехода.

Нелинейность характеристики температура - напряжение кремниевых планарных р-и-переходов не превышает 0,1...1° С, при этом крутизна преобразования составляет 2мВ/° С при токах 0,1...1 мА. Улучшение линейности передаточной характеристики измерительных преобразователей на основе р-и-перехода достигается использованием двух транзисторов, изготовленных на одной подложке, через которые протекают разные коллекторные токи (/j / /2 = 8), при этом нелинейность разности падений напряжений на эмиттерных р-и-переходах составляет 0,05° С. Как правило, погрешность ИП не может быть точно скомпенсирована при дальнейших преобразованиях в канале МПСУ, поэтому важнейшей характеристикой ИП является стабильность передаточной характеристики. Из выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборов в качестве ИП температуры наиболее удобны транзисторные сборки.

На рис. 2.38 приведена зависимость крутизны преобразования S в диапазоне С.ЮОС от тока для транзисторных сборок КТС613А, КТС613Г и К198НТЗ с четырьмя последовательно включенными р-??-переходами. При этом среднеквадратическое отклонение крутизны преобразования в каждой партии сборок не превышает 2% среднего значения.

В термометрах сопротивления используется зависимость электрического сопротивления металлической проволоки от температуры окружающей среды. В качестве материала проволоки обычно используют платину или медь. Термометры сопротивления типа

теп из платиновой проволоки диаметром 0,05...0,1 мм применяют для измерения в диапазоне -260... 4-750° С. В некоторых случаях за счет увеличения диаметра проволоки до 0,4 мм удается использовать платиновые термометры при температуре до 1100° С. Чистая платина устойчива в окислительной среде (воздушной) и длительно сохраняет свою градуировку, чем обусловлены высокие метрологические характеристики платиновых термометров. К недостаткам платиновых термометров сопротивления следует отнести нелинейную зависимость сопротивления от температуры, а также высокую стоимость.

С этой точки зрения выгодно отличаются термометры сопротивления типа тем на основе медной проволоки, которые дешевле и у которых зависимость сопротивления от температуры линейная (а = 4,26 10~/° С). К числу недостатков таких термометров следует отнести малое удельное сопротивление меди (р = 1,7 10 ** Ом м) и интенсивную окисляемость ее даже при небольших температурах. Термометр сопротивления имеет погрешность, обусловленную его разогревом протекающим током. Для уменьшения этой погрешности чувствительный элемент термометра должен обладать малым тепловым сопротивлением относительно объекта. Это достигается тщательным проектированием и изготовлением термометров сопротивления.

Работа термоэлектрических преобразователей основана на том, что в цепи, составленной из двух разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, величина которой зависит от материалов проводников и температуры в местах их соединения.

Термоэлектрические преобразователи с термоэлектродами из благородных (платинородий-платина и др.) и неблагородных (хромель-копель, хромель-алюмель и др.) металлов широко применяют для измерения температуры в диапазоне - 200...+ 1800° С в окислительной и нейтральной средах. Поскольку не удаегся сделать термоэлектроды однородными, то ТЭП одного и того же типа имеют различные градуировочные характеристики, а допускаемые погрешности в зависимости от назначения (разряда ТЭП) лежат в пределах 0,1...8° С. Следует отметить, что ТЭП платиновой группы позволяют более точно измерять температуру по сравнению с остальными, но имеют высокую стоимость, поэтому целесообразнее использовать ТЭП из неблагородных материалов. Термоэлектрические преобразователи выпускаются малой (до 5 с), средней (до 60 с) и большой (до 180 с) инерционности.

Во время эксплуатации ТЭП при высоких температурах или в агрессивных средах в электродах происходят различные физико-химические процессы, в результате которых изменяется градуиро-вочная характеристика и увеличиваются погрешности измерения. Так, зависимость ухода AT градуировочной характеристики термопреобразователя хромель-алюмель (ХА) от времени

Входной преобразователь

Устройство обработки

1р

Рис. 2.39. Функциональная схема вторичного измерительного преобразивателя со встроенной микроэвм

эксплуатации AT = 0,72/°. Поскольку процесс изменения гра-дуировочной характеристики медленный, то существенно уменьшить погрешность измерения удается введением поправки в соответствии с приведенным выражением.

Вторичные измерите-тьвые преобразователи температуры. Применение микроэвм, например однокристальной ЭВМ С5-31, во вторичных преобразователях позволяет повысить точность измерения и дает такие новые возможности как учет индивидуального разброса статических характеристик первичных измерительных преобразователей, цифровая линеаризация, упрощение аналоговых узлов и т. д.

На рис. 2.39 показана функциональная схема вторичного измерительного преобразователя температуры со встроенной микроэвм, который содержит два гальванически развязанных узла: входной преобразователь и устройство обработки.

Устройство обработки содержит микроЭВМ /, схему синхронизации 2, устройство индикации 5, энергонезависимое ЗУ и пульт ввода поправок 5.

Входной преобразователь включает термошунт 6, на котором размещены входные клеммы подключения ТЭП ВК1...ВК6, датчик 7 измерителя 8 температуры свободных концов ТЭП, коммутаторы 9, 10, усилитель 11, преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) 12 и устройство оптронной развязки 13.

Входной преобразователь обеспечивает усиление напряжения ТЭП до уровня 10 В, измерение температуры свободных концов ТЭП, а также преобразование сигналов в частоту 0...100 кГц. Два дополнительных входа (0-й и 7-й) служат для автоматической калибровки входного преобразователя. Для усиления всех сигна-106

D,Sc t

Выдача L-Ti В двоично-десятичном иоде

Рис. 2.40. Временная диаграмма работы вторичного измерительного преобразователя температуры со встроенной микроЭВМ

ЛОВ используется один и тот же тракт, к которому выбранный ТЭП подключается коммутаторами, управляемыми устройством обработки. Каждый ТЭП с помощью коммутатору циклически подключается к усилительному тракту в течение 0,5 с. Импульсы, поступающие за это время на устройство обработки, суммируются микроэвм, где образуется массив из десяти чисел: Л^о-при закорачивании входа тракта;

Л'!, Л^2. - при подключении ТЭП ВК1...ВК6 соответ-

ственно;

Л^7 - при подаче на вход эталонного сигнала u, соответствующего верхнему пределу измерения;

-при подаче напряжения с датчика температуры свободных концов;

- при подаче напряжения, соответствующего верхнему пределу измерения температуры свободных концов ТЭП.

Работа преобразователя поясняется рис. 2.40. Схема синхронизации 2 формирует синхроимпульсы (СИ) (рис. 2.40, <я), определяющие временную диаграмму работы преобразователя. При низком уровне СИ производится расчет температуры горячих

спаев ТЭП ВК1...ВК6, при высоком уровне-счет импульсов, поступающих с ПНЧ. Номер подключаемого входа изменяется по срезу СИ (рис. 2.40, б). Последнее позволяет исключить влияние переходных процессов во входном преобразователе на точность измерения температуры. На рис. 2.40, г, д в увеличенном масштабе показано положение импульсов выдачи температуры в двоичном и двоично-десятичном кодах соответственно относительно среза СИ (рис. 2.40, в). Результаты расчета температуры выдаются на устройство индикации с градуировкой младшего разряда 0,1° С.

За время 20 мс микроЭВМ производит следующие операции: вычисляет напряжение /-го ТЭП, приведенное к верхнему пределу измерения,

И температуру свободных концов ТЭП, нормированную к 25° С. T, = NJN,.

После этого напряжение с ТЭП приводится к Т^ = 0:

[7, = м, + Ф(Т,), (2.9)

где Ф(Г(,)-функция, полученная в результате линеаризации номинальной статической характеристики ТЭП в диапазоне изменения температуры свободных концов 0...50° С:

ф(Т л^К + Т^с при f,l, \а,+Ь,{Т^-\) при Т^>\.

Напряжение ТЭП, приведенное к Г^ = 0, согласно (2.9) связано с температурой горячего спая ТЭП нелинейным соотношением. Поэтому для вычисления температуры требуется линеаризация. Для этого рабочий диапазон изменения напряжения статической характеристики ТЭП разбивается на 64 равных кусочно-линейных отрезка, каждый из которых задается крутизной 5,. В этом случае алгоритм преобразования напряжений в температуру весьма прост:

f,= i 5, + 5,.,i(64i7 -/с), (2.10)

где /г=[64С7(] - целая часть числа 641/.

Коэффициенты 5, для статических характеристик ХК (0...600° С), ХА (0...1100° С), ПП (0...1300° С) и ПР (300...1600° С) хранятся в ПЗУ микроЭВМ. В случае точного соответствия ТЭП градуировочной характеристике вычисление по (2.10) будет давать истинное значение характеристики реальных ТЭП. Однако реальные статические характеристики ТЭП отличаются от установлен-108

Таблица 2.8. Характеристика моделей преобразователей

ных, что приводит к дополнительной погрешности измерения. Наличие микроэвм позволяет компенсировать эту составляющую погрешности. Для этого путем сопоставления используемых ТЭП с образцовым составляется таблица поправок в точках, кратных 50° С. Массив поправок на каждые шесть ТЭП хранится в энергонезависимом ЗУ. Диапазон изменения поправок -12,7... --12,7° С. В процессе эксплуатации имеется возможность изменения поправок. С учетом поправок истинное значение температуры определяется следующим образом:

где АГ-50°С; m=[f.Jh.T\\ LTJAT-m; А -значение поправки для /-го ТЭП на температуре {т+\)АТ.

Основные технические характеристики моделей описанного вторичного преобразователя представлены в табл. 2.8.

Для усиления напряжения термоЭДС термопреобразователей градуировок ХК, ХА, ПП, ПРЗО/6 до уровня 0...10В с компенсацией температуры свободных концов в диапазоне 5...50° С применяются аналоговые преобразователи ПИ.ТРА (табл.2.9).

Высокая точность в преобразователях ПИ.ТРА достигается за счет прецизионного УПТ и устройства компенсации термоЭДС свободных концов термопреобразователя. Температурный дрейф напряжения смещения нуля 0,07...0,12 мкВ/К, коэф(ициент усиления без обратной связи более 10.

Таблица 2.9. Характеристики преобразователей ПИ.ТРА

ТермоВыравни В а тель BI

<

15В

а (Тс)

-1SB

2.41. Функциональная схема преобразователя ПИ.ТРА

Для измерения температуры свободных концов термопреобразователя используется температурная зависимость напряжения на р-и-переходе. При токе 0,3 мА напряжение на эмиттерном переходе транзистора КТ315 линейно зависит от температуры с коэффициентом - 1,97 мВ/К при среднеквадратическом отклонении 0,02 мВ/К.

Преобразователь ПИ.ТРА (рис. 2.41) содержит термовыравниватель, компенсатор В2 термоЭДС свободных концов термопреобразователя В1, суммирующий усилитель постоянного тока DA1, фильтр нижних частот Z1 и компаратор К1.

Сигнал с термопреобразователя В1 через термовыравниватель поступает на усилитель DA1, на который также подается напряжение смещения и напряжение и{Т^). Выходное напряжение усилителя

где 1 = -

1+21 17- +IT-+

-коэффициент пере-

\Rib Ri6 Ris R35J дачи усилителя по первому (термопарному) входу; K2 = -R2i /R16 - коэффициент передачи усилителя по второму входу (компенсация термоЭДС свободных концов ТЭП); А^з= - i?2i/-35-коэффициент передачи по входу смещения.

Компенсатор В2 термоЭДС свободных концов ТЭП с помощью транзисторных датчиков VT2, VT3 измеряет температуру Г(, свободных концов. Рабочий диапазон температуры окружающего воздуха 5...50° С разбит на два кусочно-линейных участка (см. (2.9)). Это позволяет достигнуть точности компенсации термоЭДС свободных концов 0,1...0,15° С.

Напряжение Мсм смещает переходную характеристику преобразователя, что может быть использовано для сдвига начала отсчета температуры.

Компаратор К1 служит для формирования сигнала Авария в случае обрыва или перегрева ТЭП, когда выходное напряжение преобразователя превышает пороговое и„, установленное резистором R3\. При обрыве ТЭП на вход преобразователя через ПО

Рис. 2.42. Управление мощностью в нагрузке:

а-фазовое управление; 6 циклическое управление (w,. напряжение в сети, w напряжение иа нагрузке)

высокоомный резистор i?10 поступает отрицательное напряжение около 0,5 В, выходное напряжение превышает 10 В, что приводит к срабатыванию компаратора К1 и появлению сигнала Авария .

При построении прецизионных систем регулирования температуры преобразователи ПИ.ТРА целесообразно использовать вместе с цифровыми регуляторами на базе блоков управления Орион-3 или аналоговыми регуляторами ПР.ТРА-0,05.

В настоящее время преобразователи ПИ.ТРА нашли широкое применение в диффузионном, эпитаксиальном и других видах оборудования.

2.6. УСИЛИТЕЛИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

Номенклатура устройств, преобразующих и исполняющих команды микропроцессорного блока управления, весьма широка. Рассмотрим лишь те устройства, которые являются типовыми представителями своей группы и которые нашли широкое применение в различных видах специального технологического оборудования микроэлектроники.

Для обеспечения плавного изменения мощности на нагрузке в качестве , усилителей мощности наибольшее распространение в специальном технологическом оборудовании получили одно- и трехфазные тиристорные усилители и транзисторные и тиристорные ключи для коммутации напряжения на дискретных устройствах управления-электромагнитных клапанах, заслонках и т. п.

Тиристорные усилители. Для регулирования напряжения или могцности в нагрузке с помощью тиристоров используются методы фазового и циклического управления, эпюры напряжений которых приведены на рис. 2.42.

Обратная связь

задании о-

Vc Ю о-

Блок управления тиристорами

ll VS1

Нагрузна

Рис. 2.43. Функциональная схема однофазного тиристорного усилителя мощности

Наибольшее распространение получил метод фазового управления, так как он обеспечивает плавное регулирование, что весьма важно для малоинерционных объектов. Однако некоторые особенности усилителей при фазовом управлении могут привести к ухудшению работы системы регулирования. Это, прежде всего, наличие нелинейной зависимости между сигналом управления и выходным параметром (напряжением или мощностью на нагрузке). Характер этой зависимости определяется схемой включения тиристоров. В однофазных усилителях мощности систем регулирования широкое применение получила схема со встречно-параллельным включением тиристоров (рис. 2.43).

Фазовый угол, отсчитываемый от момента прохождения напряжения сети через нуль до момента подачи управляющего импульса, называется углом открытия тиристора а (рис. 2.44).

lot о 0,5Т

УпраВляюище импульсы

а Л

OST Т wt

Рис. 2.44. Графики напряжений и токов при фазовом управлении:

о- напряжение на нагрузке; п- гок в нагрузке; в напряжение управляющих импульсов 112

фазовый угол р, в течение которого тиристор остается в проводящем состоянии, носит название угла проводимости.

Угол открытия определяется напряжением, подаваемым на систему управления тиристорами, которое формирует управляющий импульс и обеспечивает его сдвиг по фазе в интервале 0...п. Для активной нагрузки а = п -р.

Среди промышленных систем регулирования наиболее распространены системы регулирования температуры различных объектов. Поскольку температура определяется подводимой к объекту мощностью, тепловой режим в некоторых случаях поддерживается стабилизацией активной мощности. Зависимость мощности в активной нагрузке (нагреватели тепловых объектов в большинстве случаев представляют собой активную нагрузку) от угла открытия ос или угла проводимости р может быть выражена следующим соотношением:

где Р, - максимальная активная мощность; -амплитудное напряжение на нагрузке; i? - сопротивление нагрузки.

Так как зависимость между входным напряжением усилителя мощности Кзад и углом проводимости р линейная, можно записать

Р = ( = 1, (2.12)

где (Кзад), -напряжение на входе усилителя мощности при Р = 7С. С учетом (2.12) уравнение (2.11) может быть переписано следующим образом:

f in

sin 2n\i

Усилитель мощности как элемент системы регулирования характеризуется двумя коэффициентами передачи-динамическим

и статическим А\. (постоянная времени усилителя по сравнению с постоянной времени объекта управления практически равна нулю):

д = =(-2яц), (2.13)

к=.й^=Щ\--?,т1п\Л. (2.14)

На рис. 2.45 приведены зависимости могцности в нагрузке Р„, динамического и статического к^ коэффициентов передачи от относительного значения входного сигнала усилителя мощности \у. На рисунке показано, что коэффициенты передачи к^ и к^