5. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY Úkol měření 1. Ověření funkce dvoudrátového převodníku XTR 101 pro měření teploty termoelektrickými články (termočlánky). 2. Použití měřicího modulu Janascard AD232 s izotermální svorkovnicí a sériovým přenosem údajů do počítače typu PC. 3. Použití měřicího modulu ADAM 4011D připojeného po sběrnici RS-485. Použijte konfigurační program ADAM Utility a předložený jednoduchý komunikační program. 4. Použití univerzálního modulu pro senzory teploty Rosemount 3044C se sběrnicí HART.
Úvod K měření se použije termočlánek typu K. Jedná se o termočlánek NiCr-Ni (niklchrom - nikl), dříve označovaný také jako Chromel-Alumel (Ch-A). Tři termočlánky tohoto typu jsou umístěny v pícce s keramickou vložkou. První termočlánek je připojen přímo na izotermální svorkovnici modulu Janascard AD232. Druhý termočlánek je vyhodnocován obvodem XTR101. Jeho srovnávací spoj je umístěn v hliníkovém bloku spolu s bipolárním tranzistorem, jehož přechod B-E využívá ke kompenzaci teploty srovnávacího spoje (tzv. "studeného konce") obvod XTR101. Pro kontrolu přesnosti této kompenzace lze blok vyhřívat a jeho teplotu měřit zabudovaným teplotním senzorem. Obvod XTR 101 je umístěn v přípravku umožňujícím výměnu aplikačních odporů. Třetí termočlánek je připojen ke kompenzační krabici. Výstupní napětí se měří voltmetrem.
Postup měření 5.1. Dvoudrátový převodník XTR 101 5.1.1. Prostudujte funkci obvodu XTR 101 a postup návrhu aplikačních odporů. 5.1.2. Vliv teploty srovnávacího spoje Při vypnuté pícce (tj. měřicí spoj na teplotě okolí) se ohřívá srovnávací spoj v Al bloku. Respektujte setrvačnost bloku, stačí ohřívat několik minut. Teplotu bloku měří termistorový teploměr, současně se měří multimetrem HP napětí termočlánku na vstupních svorkách pro termočlánek. Dále se měří výstup z XTR 101, tj. napěťový spád na RL. Zjistěte poměr relativní změny výstupního napětí URL k relativní změně napětí na svorkách termočlánku. Při správném návrhu by měly být změny URL minimální. 5.1.3. Vliv odporu přívodů Změří se závislost údaje XTR101 na odporu přívodů v sérii s RL při určité teplotě srovnávacího konce, např. během chladnutí Al bloku. Do série se zdrojem napájecího napětí zapojte dekádu. Při změně odporu až do 200 Ω by se napětí na RL nemělo podstatně měnit.
5.2. Použití měřicího modulu Janascard AD232 - měření teploty uvnitř pícky Měří se obvodem XTR101 a zároveň měřicím modulem Janascard AD232. Současně se multimetrem zjišťuje napětí na RL. Napájejte pícku z regulačního transformátoru (do 110 V). Respektujte setrvačnost pícky a ohřev včas vypněte.
Obr. 5.1 Zapojení termočlánků a pícky 5.3. Použití měřicího modulu ADAM 4011D Modul ADAM 4011D slouží k měření signálu termočlánků (se zabudovanou kompenzací studeného spoje) a je vybaven i lokálním displejem. Kromě toho umožňuje sledování alarmů (Lo a Hi) a jednoduché funkce digitálního vstupu/výstupu na dvou kanálech. Komunikace se děje po sběrnici RS-485 s možností více stanic, proto musí být adresována. Používán je jednoduchý ASCII protokol. Vyzkoušejte nastavení přístroje pomocí dodávaného programu ADAM Utility. Kromě toho vyzkoušejte komunikaci s přístrojem pomocí jednoduchého komunikačního programu a sledujte formát předávaných zpráv.
5.4. Použití univerzálního modulu Rosemount 3044C Modul Rosemount 3044C dokáže zpracovávat signál z termočlánků a z odporových snímačů teploty. Komunikuje pomocí sběrnice HART. Vyzkoušejte činnost modulu a komunikaci po sběrnici HART pomocí předloženého programu.
Převodník XTR 101 Dvoudrátový převodník XTR 101 firmy Burr-Brown (USA) je určen k připojení na proudovou smyčku 4 až 20 mA. Po této proudové smyčce je obvod napájen, výstupní veličinou je velikost odebíraného proudu.
Obvod je určen pro zpracování signálu ze senzorů, zejména termočlánků, kovových odporových senzorů teploty („kovových teploměrů“ = RTD), termistorů a tenzometrických můstků. Obvod obsahuje přesný přístrojový zesilovač, napětím řízený zdroj proudu a dvojitou proudovou referenci. Blokové schéma obvodu je na obr. 5.2.
Modul Janascard AD 232 a) Základní popis Modul AD232 je modul integračního A/Č převodníku napájeného a komunikujícího po sériové lince RS-232. AD232 je vhodný zejména pro měření malých signálů z čidel, měření napětí ve větší vzdálenosti od počítače nebo ve spojení s laptopem či notebookem jako přenosná měřicí ústředna. Ve variantě s měřením teploty izotermální svorkovnice umožňuje přímé připojení termočlánků. b) Technické údaje -
napájení a komunikace po RS-232 rozlišení ± 18 bitů rozsahy: ± 5 V, ± 0,5 V 4 diferenční vstupy nelinearita typ. ± 0,0015 %, max. ± 0,006 % z rozsahu šum typ. 15 mVef přesnost (0,02 % z údaje + 0,008 % z rozsahu) na rozsahu 0,5 V, (0,05 % z údaje + 0,008 % z rozsahu) na rozsahu 5 V - teplotní drift typ. 30 ppm/K - doba integrace vstupního napětí 20 ms, doba převodu 65 ms - vstupní odpor 1,1 MΩ c) Popis činnosti
Jádrem modulu AD232 je integrační A/Č převodník MAX 132 se vstupním rozsahem ± 0,5 V a rozlišením ±18 bitů (tj. 19 bitů včetně znaménka). Vzhledem k vlastnímu šumu A/Č převodníku 15 µVef je prakticky využitelná rozlišovací schopnost pro jedno měření asi ± 15 bitů, pro dosažení vyššího rozlišení je potřeba výstup filtrovat (např. průměrováním). Pro dosažení 18-bitového rozlišení je potřeba průměru alespoň z 20 měření. Převodník umožňuje rovněž odměřit vlastní ofset, ten od naměřené hodnoty odečíst a tak vyloučit chybu ofsetu i jeho případný drift. Přesnost rozsahu je určena referenčním napětím, které je odvozeno z referenčního obvodu TL431 pomocí přesného a stabilního děliče realizovaného destičkovým odporem. Přesná hodnota referenčního napětí a dělicí poměr vstupního děliče jsou pro každý kus modulu změřeny a uloženy v kalibračním souboru KAD232.KAL. Převodník je doplněn o předřadný dělič pro rozšíření rozsahu na ± 5 V a vstupní přepínač pro 4 diferenční vstupy. Teplota izotermální svorkovnice je měřena obvodem LM334 (převodník absolutní teplota/proud). Korekce na teplotu studeného konce termočlánku se pak provádí softwarově.
d) Popis ovládacího programu AD232.EXE Veškeré funkce je možno vyvolávat myší, nebo kurzorovými a horkými klávesami. Funkce menu je možno vyvolat kliknutím myši, klávesou F10 nebo stisknutím klávesy Alt a zvýrazněného písmena funkce. V rámci dialogového okna je možno se pohybovat pomocí myši, stisknutím klávesy Alt a zvýrazněného písmena funkce, nebo pomocí tabulátoru. • Spouštění
- Režim spouštění: ----
Trvale (maximální rychlostí) Jednorázově - jeden odměr na stisknutí klávesy F2. Periodicky: je možno zadat interval mezi odměry od 50 ms do 105 s s krokem 50 ms. Reálný čas je odvozen od přerušení časovače v PC. Při volbě vzorkovací periody je třeba mít na paměti, že převodník je schopen realizovat maximálně 16 převodů/s a při zařazení filtru je rychlost převodu při n-násobném průměrování n-krát nižší! - Start měření – horká klávesa F2 - spustí měření. - Stop měření – horká klávesa F3 - zastaví měření. • Konfigurace
- Filtr: umožňuje zavést dodatečnou filtraci naměřených hodnot tím, že je počítán a zobrazován průměr (z 2 až 2000) naměřených hodnot, čímž se zvyšuje potlačení rušivých signálů a zvyšuje se dosažitelné rozlišení modulu za cenu zpomalení měření.
-
-
Zvolený počet průměrů určuje rovněž i zobrazovaný počet míst výsledku na displeji. Výsledek s plným rozlišením A/Č převodníku (tj. 2 µV na rozsahu 0,5 V a 20 µV na rozsahu 5 V) je zobrazován pro počet průměrů > 19. Port: com1 nebo com2 Jazyk: čeština bez diakritiky nebo s kódem Kamenických. Načti: umožňuje načtení konfiguračního souboru s nastavenými hodnotami. Implicitní jméno konfiguračního souboru je AD232.CFG, soubor tohoto jména je načítán automaticky při spuštění programu. Pokud tento soubor není přítomen v aktuálním adresáři, jsou použity předdefinované hodnoty. Ulož: uloží momentálně nastavenou konfiguraci do zvoleného souboru. Implicitní přípona konfiguračního souboru je *.cfg.
• Vstup
- Kanál: Toto volbou je možno zvolit měřený vstup. Je možno volit 1 až 4 vstupy v libovolné kombinaci. Při měření více než jednoho vstupu je mezi měřeními prodleva 30 ms pro ustálení vstupního RC filtru. - Rozsah: zde je možno zvolit pro každý aktivní vstup jeden ze dvou rozsahů 0,5 V nebo 5 V nezávisle pro každý vstup. • Matematika
- Polynom: tato volba umožňuje zadat výpočet polynomu až třetího řádu s volitelnými koeficienty, výsledek výpočtu se zobrazuje spolu s měřeným napětím, případně je ukládán na disk. - Teplota: tato volba slouží k měření teploty termočlánky. Je možno volit tyto typy termočlánků: J, K, T, E. Rozlišení při měření teploty je 0,1 °C, pro dosažení stabilního údaje je vhodné volit přiměřený počet průměrů v menu Filtr. Přesnost měření teploty je dána prakticky výhradně přesností použitých termočlánků.
Kompenzační krabice Omega CJ Přesnost kompenzace teploty srovnávacího spoje: Napájení:
lithiová baterie 3,6 V
Poznámka:
Po měření vypnout!
0,25 °C 0,5 °C 0,75 °C
při 25 °C pro 15 až 35 °C od 10 °C do 50 °C
Popis modulu ADAM 4011D Komunikace: RS-485, max. 256 stanic na sběrnici, max. vzdálenost 1.2 km, rychlost 1200bps až 115200 bps (defaultně 9600 bps). Napájení: Neregulovaných +10V až +30V, ochrana proti přepólování Měření: Signál z termočlánku je digitalizován integračním převodníkem a dále prezentován jako napětí (mV-V) nebo přepočten na teplotu (°C). Data jsou odeslána na dotaz z řídícího počítače po RS-485. Rovněž jsou zobrazena na místním displeji. Modul umožnuje provést kontrolu spoje termočlánku (detekce rozpojeného kontaktu). Je možno nastavit dvě úrovně alarmů (Lo a Hi). Kromě toho lze využít jeden digitální vstup a dva digitální výstupy typu otevřený kolektor.
Popis modulu Rosemount 4033C Modul slouží jako univerzální převodník pro signál termočlánků a odporových snímačů teploty (RTD) s možností komunikace po sběrnici HART. Nastavení lze měnit přes komunikační rozhraní HART.
