5. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY Úkol měření Ověření funkce dvoudrátového převodníku XTR 101 pro měření teploty termoelektrickými články (termočlánky) a kompenzace studeného konce polovodičovým přechodem PN. 1. Ověřte nezávislost výstupu (regulovaného proudu) obvodu XTR101 na napájecím napětí v rozsahu daném specifikací obvodu (11.6V až 40V). 2. Ověřte nezávislost výstupu (regulovaného proudu) obvodu XTR101 na vloženém odporu v proudové smyčce (resp. určete max. odpor jaký neovlivní údaj). Opakujte pro různá napájecí napětí. 3. Ověřte nezávislost výstupu (regulovaného proudu) obvodu XTR101 na teplotě studeného konce termočlánku. Horký spoj termočlánku ponechte na okolní pokojové teplotě v laboratoři. 4. Vložte horký spoj termočlánku do kalibrační pícky Omega a zaznamenejte výstup XTR101 po ohřátí na cílovou teplotu. 5. Zaznamenejte rovněž závislost odporového snímače KTY-80-110 na teplotě.
Úvod K měření se použije termočlánek typu K. Jedná se o termočlánek NiCr-Ni (niklchrom – nikl), (resp. NiCr-NiMnAlSi) označovaný také komerčně jako Chromel-Alumel (Ch-A). Termočlánek je vyhodnocován obvodem XTR101. Jeho srovnávací spoj je umístěn v hliníkovém bloku spolu s bipolárním tranzistorem, jehož přechod B-E se využívá ke kompenzaci teploty srovnávacího spoje (tzv. cold junction - "studeného konce"). Dopředně polarizovaný PN přechod má při normální teplotě úbytek (prahové napětí) asi 0.6V a tato hodnota se snižuje asi o –2.1mV/K. Pro kontrolu přesnosti této kompenzace lze hliníkový blok vyhřívat a jeho teplotu měřit vloženým teplotním senzorem. Obvod XTR 101 je umístěn v přípravku umožňujícím výměnu aplikačních odporů. Senzor KTY-80-110 je v podstatě odporový snímač tvořený N-dotovaným křemíkem (neobsahuje však žádný PN přechod). Chová se tedy podobně jako kovový teploměr (Pt100), avšak s vyšší citlivostí (asi 1%/K), zároveň s omezením max. teploty do asi 150°C.
Postup měření Dvoudrátový převodník XTR 101 5.1.1. Prostudujte funkci obvodu XTR 101 a postup návrhu aplikačních odporů. 5.1.2. Na předloženém regulovaném zdroji nastavujte napájecí napětí proudové smyčky a zaznamenejte výstupní signál (proud) obvodu XTR101. V rámci dovoleného rozsahu by měl být proud nezávislý na napájecím napětí. 5.1.3. Na odporové dekádě postupně od nuly zvyšujte velikost odporu (typicky po 100 Ohmech) a zaznamenejte jaký nejvyšší odpor ještě neovlivní výsledek. Hodnota se bude lišit podle napájecího napětí.
1
5.1.4. Při výchozí teplotě (oba konce termočlánku na pokojové teplotě) zaznamenejte napětí termočlánku (mělo by být 0µV) a výstupní proud XTR101. Zaznamenejte změnu napětí termočlánku a proudu XTR101 po vložení studeného spoje (spolu s kompenzačním tranzistorem) do vyhřívaného Al bloku. Vyčkejte až se studený konec zahřeje na teplotu Al bloku. Po ustálení by napětí termočlánku mělo být záporné (studený spoj je na vyšší teplotě než horký spoj), zatímco proud XTR101 by měl zůstat (téměř) na původní hodnotě dané teplotou horkého spoje. 5.1.5. Nyní vložte horký spoj termočlánku do kalibrační pícky Omega a zahřejte ho na relativně vysokou teplotu – např. 100°C. Zjistěte jak se změní napětí termočlánku a jak se změní proud XTR101. Ověřte, že napětí termočlánku odpovídá rozdílu teplot mezi horkým a studeným spojem. (Viz též přiložené tabulky termoelektrických napětí pro termočlánek K, orientačně citlivost je asi 42µV/K). Ověřte, zda obvod XTR101 správně převádí rozsah teplot 0°C-100°C na výstupní proud 4-20mA (standardní průmyslová proudová smyčka). 5.1.6. Spolu s termočlánkem ohřívejte rovněž senzor KTY-80-110 a zaznamenejte jeho převodní charakteristiku. Pozn.: u obou senzorů (TČ a KTY) se ujistěte, že jsou zasunuty až na dno vyhřívané kalibrační pícky.
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. Proudová smyčka je napájena ze zdroje napětí U, obvod odebírá celkový proud I0 (4 až 20 mA). Výstupem je pak proud I0 (případně úbytek napětí U2 na zatěžovacím odporu RL). Proud I0 je tvořen součtem proudů a) z proudových referencí 2 x 1 mA, b) proudem U/I převodníku s rozsahem 2 až 18 mA, řízeného vstupním rozdílovým napětím u2 – u1. Pro celkový výstupní proud platí vztah 40 (u 2 − u1 ) I 0 = 4 mA + 0,16 + R S
kde
RS
je vnější zpětnovazební odpor.
Pro napětí u1 , u2 platí omezení u 2 − u1 < 1 V
u 7 + 4 V < u1 , u 2 < u 7 + 6 V
2
Proudové zdroje I = 1 mA lze využít k napájení odporových senzorů nebo k posunutí rozsahu převodníku.
Obr. 5.2 Blokové schéma obvodu XTR 101
Použití obvodu XTR 101 k měření teploty termočlánkem - příklad návrhu Požadovaný rozsah navrhovaného teploměru je (tmin ... tmax) = (0 ... 600 °C). K měření teploty t použijeme termočlánek typu K. Jeho citlivost (teplotní součinitel) α je v rozsahu teplot 0 ...100 °C přibližně rovna α =& 42 µV/K a) Kompenzace teploty srovnávacího spoje
Teplota srovnávacího spoje tS [°C] se měří diodovým teploměrem (přechod BE bipolárního tranzistoru). Tato dioda je napájena proudovou referencí 1 mA (výstup 11 převodníku – viz obr. 5.3). Teplotní součinitel napětí diody je roven přibližně αD =
∆U D =& − 2,1 mV/K ∆T
Pro celkové napětí na diodě platí vztah U D =& 0,6 V - 2,1 mV/K (25 °C - t S )
3
Obr. 5.3 Kompenzace teploty srovnávacího spoje
Ke správné funkci kompenzace je třeba tuto citlivost upravit odporovým děličem R5, R6 (zanedbáváme nelinearitu termočlánku i proud tekoucí odporovým děličem) tak, aby platilo ∆U R6 R6 ∆U D = = − αK ∆T R5 + R6 ∆T
Aby odpor děliče byl mnohem větší než odpor diody, volíme např. R5 = 2,2 kΩ . Pro odpor R6 pak platí R6 = −
R5 . α K − 2,2 .10 3. 42 .10 −6 = − =& 45 Ω αK − αD 42 .10 −6 − 2,1 .10 −6
b) Posunutí počátku rozsahu
Aby požadovaný počátek měřicího rozsahu skutečně odpovídal minimálnímu výstupnímu rozsahu převodníku 4 mA, je nutno posunout vstupní rozsah. K tomu využijeme spádu napětí na odporu R4 napájeného druhou proudovou referencí 1 mA (výstup 10). V našem případě platí tmin = 0 °C . Pro měřenou teplotu t = 0 °C a teplotu srovnávacího spoje tS = 25 °C bude napětí termočlánku UT = 25 αK = 25 . 42 µV = 1050 µV a napětí diody UD(25 °C) = 0,6 V. Aby I0 = 4 mA, musí platit, že U1 = 0 , a tedy UT = −
R6 U D (25 °C) + R4 I 4 = 0 R5 + R6
4
Obr. 5.4 Nastavení počátku rozsahu Po dosazení vychází
1,05 .10 −3 −
43 . 0,6 + R4 .10 −3 = 0 3 2,2 .10 + 43 R4 = 13 Ω
c) Návrh zpětnovazebního odporu RS
Velikost RS (obr. 5.5) určíme z požadovaného rozsahu tak, aby I0(tmax) = 20 mA .
Obr. 5.5 K návrhu zpětnovazebního odporu RS
5
Pro tmax = 600 °C bude U 1 = α K (t max − 25 °C) −
R6 U D (25 °C) + R4 I 4 = 25,20 mV R5 + R6
Pro požadovaný výstupní proud musí platit 40 .19,15 .10 −3 20 mA = 4 mA + 0,016 + RS
a z toho RS = 64,6 Ω
d) Výpočet zatěžovacího odporu RL
Při zvoleném rozsahu teploměru 0 ... 600 °C bude proudová výstupní citlivost ∆I 0 20 mA - 4 mA = = 26,7 µA/K ∆t 600 °C - 0 °C
Hodnotu RL volíme s výhodou tak, aby výstupní napěťová citlivost
∆U L byla celé číslo, ∆t
např. 1 mV/°C . Musí tedy platit ∆I 0 ∆U L = RL ∆t ∆t
RL =
500 °C 1 mV 500 . = Ω = 37,5 Ω 16 mA K 16
Výstupní napěťový zdvih UL max – UL min = 0,5 V ovšem nevyužívá plně rozsah obvodu, čímž se zvyšuje celková chyba. Při zvýšení hodnoty RL na desetinásobek (a tedy výstupní citlivosti 10 mV/°C) by ovšem bylo nutno proudovou smyčku napájet ze zdroje napětí např. U = 20 V, aby i při maximálním proudu I0 = 20 mA zůstával na převodník XTR 101 úbytek napětí spolehlivě vyšší než hodnota U7-8 = 12,7 V požadovaná výrobcem pro správnou funkci obvodu.
6
