11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr Úvod: Odporové senzory teploty (například Pt100, Pt1000) použijeme pokud chceme měřit velmi přesně teplotu v rozmezí přibližně – 200 až + 600 °C. Teplotní rozsah senzoru, jeho rychlost a odolnost vůči vnějším vlivům prostředí je dána zapouzdřením vlastního (například platinového) elementu. Odporové senzory teploty se velmi často používají v průmyslové automatizaci, pro přesné sledování a kontrolu procesů. V úloze se pracuje se dvěma druhy zapojení. Zapojení na obr.1 je jednodušší, ale umožňuje pouze dvouvodičové připojení senzoru. Zapojení pro přesnější (čtyřvodičové) měření teploty (tedy odporu) je na obr. 2. V praxi se často používají moduly, které umožňuji 2, 3 nebo 4-vodičové připojení senzoru a jako výstup mají napětí 0 – 10 V, proud 4 - 20 mA nebo přímo údaj o teplotě v číslicové formě poskytovaný přes sběrnici RS485, Ethernet, USB apod. (viz modul na obr. 3). Bezkontaktní měření teploty se dříve používalo spíše pro měření velmi vysokých teplot > 1000 °C, s rozvojem senzorů a poklesem jejich ceny jsou používány i v mnoha dalších oblastech – měření teploty lidského těla, kontrola elektrických zařízení a budov pomocí termovize apod. Pro korektní měření je ale zásadní správné nastavení emisivity měřeného předmětu, což není v praxi vždy jednoduché (např. při kombinaci více materiálů).
Různé provedení senzorů PT100: vlevo – samostatné měřící elementy, uprostřed – laboratorní senzor, vpravo – průmyslový senzor.
Otázky k úloze (domácí příprava):
Pro jakou teplotu je U2 = 0 V v případě použití převodníku s posunutou nulou dle obr. 1 (senzor Pt 100, R0 = 100 ?
R0 + R
R0
UZ 2 U U Z 2 2 R0 R0 R
R0 UZ
+ R0
Uz/2
U2 UZ
U2
R 2R0
Obr. 1. Schéma teploměru se senzorem Pt 100
Jaké referenční napětí UZ je třeba nastavit, aby na výstupu bylo napětí U2 = 100 mV pro teplotu 100 °C (platinový odporový teploměr, R0 = 100 )? 1
Lze korigovat v tomto případě vliv odporu přívodních vodičů? Jak velká bude chyba měření teploty vzniklá vlivem změny odporu přívodů o 0,1 Ω ? Jak velká bude chyba způsobená nelinearitou teplotní závislosti odporu platiny? Jaký proud prochází senzorem Pt100 v případě zapojení na obr. 1 a obr. 2? Závisí tento proud na měřené teplotě?
Úkol měření: 1. Proveďte kalibraci bezkontaktního teploměru pomocí vyhřívaného etalonu BB2-A. Spočtěte, jakou chybu způsobí špatné nastavení emisivity (např. 0,88 místo 0,95). Tento výsledek experimentálně ověřte. Teplotu etalonu měřte odporovým snímačem teploty s čtyř-vodičovým připojením k multimetru. Teplotu vypočítejte podle vzorce (2), při výpočtech používejte teplotu v K! 2. Použijte dvouvodičové připojení téhož odporového snímače teploty a zjistěte, jakou chybu to způsobí. Z technické dokumentace k multimetru zjistěte, jaký měřicí proud je v obou případech použit. Pokud je k dispozici druhý multimetr, ověřte jeho velikost i měřením. 3. Teplotu vyhřívaného etalonu BB2-A dále změřte týmž odporovým teploměrem připojeným k převodníku R/U s posunutou nulou (viz obr. 1). 4. Na závěr změřte teplotu vyhřívaného etalonu BB2-A týmž odporovým teploměrem připojeným k modulu s USB rozhraním DT1010. Ověřte, jaký měřicí proud převodník používá. Zaznamenejte přechodový děj při skokové změně nastavení požadované teploty etalonu. Odhadněte dynamické parametry této soustavy. Zjistěte, zda se mění proud snímačem PT100 při změně teploty (v grafickém uživatelském rozhraní odečtěte R, změřte napětí na napěťových svorkách PT100 a dopočítejte proud) a zda se komutuje proud během měření (voltmetr nastavte na měření střídavého napětí a pak na měření stejnosměrného napětí). Nepovinná část: 5. Změřte povrchovou teplotu lidské kůže kontaktním teploměrem a pyrometrem při nastavené emisivitě = 1. Vypočtěte emisivitu kůže, tuto hodnotu zadejte do pyrometru a opakujte měření. Ověřte správnost svého výpočtu.
UPT
6. Teplotu vyhřívaného etalonu BB2-A změřte týmž odporovým teploměrem ve 4-vodičovém zapojení dle obr. 2.
Obr. 2 Obvod pro 4-vodičové připojení PT100 (= R1)
2
PT100 je v tomto případě buzen proudovým zdrojem, který je realizovaný operačním zesilovačem U1 (I = 6,58 V / 10 k = 0,658 mA). U2 je takzvaný přístrojový zesilovač. Tento zesilovač zesiluje rozdíl napětí mezi svým neinvertujícím a invertujícím vstupem. Zesílení se typicky nastavuje rezistorem R3, v našem případě G = 4. Výstupní napětí lze posunout o napětí přivedené na vstup VREF (v našem případě - 0,2632 V, což zajistí, že výstupní napětí bude 0 V pro odpor PT100 = 100 Ω, což odpovídá teplotě 0 °C). Obvod tedy realizuje funkci UOUT = 4*UPT + UVREF, kde UPT = I1*R1, I1 = U1/R2, R1 je čtyřsvorkově zapojený PT100 snímač a U1 = 6,58 V.
Poznámky k měření: K bodu 1: Použitý bezkontaktní teploměr pracuje na principu úhrnného radiačního pyrometru. Teplotu tedy vypočítává podle Stefan-Boltzmannova zákona: I = ( T 4 - TA4 ) kde
I
T TA
(1)
je intenzita tepelného záření [W/m2], je emisivita objektu [-], je Stefan-Boltzmannova konstanta 5,6703 .10-8 W m-2 K-4, je teplota objektu [K], je teplota okolí [K].
Úhrnné pyrometry jsou citlivější než úzkopásmové, avšak jejich údaj silně závisí na správném určení emisivity. Přístroj měří intenzitu tepelného záření I pomocí IR čidla a teplotu TA pomocí senzoru vestavěného v přístroji. Emisivitu nastavuje uživatel. Rovnice (1) je pak vztahem použitým v přístroji pro výpočet teploty T. Pro velikost odporu platiny platí pro teploty t > 0 °C přibližný vztah: kde
-3
-1
Rt = R0 (1 + At + Bt2)
(2)
A = 3,9 . 10 K B = -5,8 . 10-7 K-2
Etalon BB-2A
Max. teplota 343 °C Emisivita 0,95 K bodu 4: Převodník odporu nebo Pt100 na unifikovaný výstup
DT1010 umí převádět hodnoty naměřené senzory Pt100 a odpor nebo aktuální nastavení potenciometru na unifikovaný signál pro další zpracování v řídících jednotkách. Zařízení obsahuje třícestné galvanické oddělení. Vstupní část, výstupní část i zdroj jsou od sebe vzájemně oddělené. Výstupem ze zařízení je signál 0 až 10 V. Měřicí prvek (Pt100, Pt500, Pt1000, rezistor nebo potenciometr) může být připojen dvou-, tří- nebo čtyř-vodičově. Modul umožňuje kompletní konfiguraci parametrů měřicího prvku a také konfiguraci výstupních hodnot. Konkrétně je možné nastavit například tyto parametry: typ senzoru, rozsah odporu, přepočet výstupní hodnoty, způsob měření (2, 3, 4 vodiče), filtrování signálu, úprava kalibrační křivky měřicího prvku. Konfigurační software umožňuje uložit nastavené parametry do PC, pro případnou pozdější opětovnou konfiguraci. Aktuální 3
Obr. 3. Převodník R/U DT1010
konfiguraci zařízení je možné také načíst do softwaru. Konfigurační software je distribuován zdarma. Nastavení zařízení se provádí přes USB rozhraní. Přesnost měření je lepší než 0,1 % v celém měřícím rozsahu. Teplotní koeficient je lepší než 50 ppm / °C. DT1010 má napájení: 19 – 35 V AC/DC. Technické parametry
Vstup: Vstupy pro: senzor: Způsob připojení: Měřicí rozsah:
Pt100 nebo rezistor či potenciometr 2 / 3 / 4 vodiče -200°C až 800°C @ Pt100 0 až 400 @ rezistor / potenciometr
Výstup: Typ výstupu: DC napětí nebo DC proud Zátěž (proudový výstup): 700 (max.) Přesnost: 0,1°C + 0,05 % @ Ta = 23°C ± 2°C
Rozsahy: viz tabulku na předchozí straně Zátěž (napěťový výstup): 500 (min.) Teplotní koeficient: 50 ppm / °C (max.)
Indikace: Kontrolky: 2 LED (napájení, konfigurační režim) Konfigurace: Způsob: USB port Připojení snímače
Obr. 4. DT1010 – 4-svorkové připojení platinového snímače
Obr. 5. DT1010 - 3-svorkové připojení platinového snímače
4
V Obr. 6. DT1010 unifikovaný výstup 0 – 10V, Svorky 1,2: napájení: 19 – 35 V
Aplikace převodníku:
Na obr. 7. je ukázka možného uspořádání měřicího systému s DT1010 s napěťovým výstupem 0 až 10 V.
Napájecí zdroj
IN1 IN2 IN3 IN4
+
-
AD4 Měřicí převodník se 4 vstupy 0-10V
GND
Obr. 7. Aplikace převodníku
Ovládání převodníku a měření teploty přes USB rozhraní
K převodníku se připojíme přes virtuální sériový port (COM3). Převodník lze nakonfigurovat pro 2, 3 a 4-vodičové zapojení. Výstup je nakonfigurován na rozsah 0 až 10 V pro odpor 0 až 400 . Lze zvolit průměrování až ze 64 vzorků. Lze provést korekci nelinearity či korigovat odpor přívodů u 2-vodičového připojení. Budící proud, snímané napětí a vypočtenou teplotu lze též sledovat přímo tímto programem.
5
Obr. 8. Grafické uživatelské rozhraní
6
