ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2009
Ladislav Vincenc
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření
Měřicí převodník teplota - napětí
Vedoucí práce
Autor
Ladislav Vincenc
Ing. Radek Sedláček, Ph.D.
Praha 2009
Čestné prohlášení autora práce Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.
V Praze dne 2. 7. 2009
…..……………………………. Podpis autora práce
Poděkování: Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Radku Sedláčkovi, Ph.D., vedoucímu bakalářské práce, za jeho čas a cenné rady. Dále pak všem, kteří mi pomohli k úspěšnému dokončení práce.
Anotace Tato bakalářská práce se zabývá měřením teploty. V práci jsou též uvedeny základní typy senzorů pro měření teploty a různé typy převodníků. Cílem práce je navrhnout reálný převodník z neelektrické veličiny teploty na elektrickou veličinu napětí. Převodní charakteristika má být lineární v rozsahu teplot 0 – 60 °C, což má odpovídat výstupnímu napětí 0 – 10 V.
Annotation This bachelor work deals with temperature measuring. There also are presented the basic types of sensors for measurement of temperature and various types of converters. The objective target of the work is to design a real converter from non-electrical temperature quantity to electrical voltage quantity. Conversion characteristics should be linear within the range of temperature from 0 °C till 60 °C what should correspond to the output voltage 0 - 10 V.
OBSAH: Úvod ....................................................................................................... 7 1 Senzory teploty .................................................................................. 8 1.1. Základní rozdělení senzorů ...................................................................................... 8 1.2. Odporové senzory teploty........................................................................................ 8 1.2.1. Kovové senzory .................................................................................................. 8 1.2.1.1 Platinové senzory ..........................................................................................10 1.2.1.2 Niklové senzory .............................................................................................13 1.2.1.3 Měděné senzory.............................................................................................14 1.2.2. Polovodičové senzory .......................................................................................14 1.2.2.1 Monokrystalické křemíkové senzory............................................................15 1.2.2.2 NTC termistory...............................................................................................16 1.3. Ostatní senzory teploty ...........................................................................................18
2 Měřicí obvody (převodníky) ............................................................. 22 3 Linearizace ....................................................................................... 24 4 Návrh zapojení.................................................................................. 25 5 Simulace ........................................................................................... 28 6 Návrh desky plošných spojů ........................................................... 32 7 Postup a výsledky měření ............................................................... 34 7.1. Oživení hardwaru .....................................................................................................34 7.2. Kalibrace ..................................................................................................................34 7.3. Měření s odporovou dekádou .................................................................................35 7.4. Měření s PT100 ........................................................................................................36
8 Závěr ................................................................................................. 37 Literatura ............................................................................................. 38
Úvod Tato práce vznikla na katedře měření a zabývá se měřením teploty a jejím převodem na elektrickou veličinu napětí. Protože teplota je neelektrickou veličinou, využíváme převodníků, abychom ji převedli na veličinu, s kterou můžeme dále pracovat. Výslednou veličinou bývá nejčastěji napětí či proud. Cílem práce je navrhnout takový převodník teplota - napětí pro termostat v laboratoři legální metrologie na katedře měření, aby byl co možná nejlineárnější v rozsahu teplot od 0 °C do 60 °C. Hlavní rozsah teplot, v kterém se daný převodník bude používat, je 0 °C až 40°C. Výstupem převodníku má být napětí 0 V až 10 V. Zadaný problém se má řešit analogovou cestou. Podle zadání práce má být použit platinový snímač teploty PT100. Platinové snímače jsou jedny z nejpoužívanějších. V této práci uvedu základní vlastnosti i jiných snímačů teploty pro srovnání s platinovými snímači. Z tohoto srovnání též vyplyne důvod, proč je v tomto i v mnoha jiných systémech použit právě snímač teploty vyrobený z platiny. Teplota je jedním z nejdůležitějších parametrů pro zajištění optimálního technologického procesu v technických, ale i ostatních oborech. Teplota je též jedna z nejdůležitějších termodynamických vlastností určující stav hmoty. Je použita v mnoha fyzikálních zákonech. Na teplotě je závislá většina vlastností látek. Za nejnižší teplotu se pokládá hodnota 0 K, což je teplota, při které dochází k zastavení veškerého pohybu molekul. „Historie teploměru začíná vynálezem italského fyzika, astronoma, matematika a filozofa Galilea Galilei roku 1592. Jeho málo přesný (na atmosférickém tlaku závislý) teploměr byl založený na teplotní roztažnosti vzduchu. Roku 1724 přichází německý fyzik Daniel G. Fahrenheit již s moderním rtuťovým teploměrem a s první teplotní stupnicí. Od té doby se vývoj teploměrů nezastavil. Roku 1730 navrhuje francouzský přírodovědec René-Antoine Farchault de Réaumur svoji stupnici a dále pak v roce 1742 švédský astronom Anders Celsius zavádí Celsiovu stupnici a konečně roku 1848 britský fyzik lord William Thomson Kelvin zavedl termodynamickou stupnici (někdy označovanou jako Kelvinovu stupnici).“
[1]
7
1 Senzory teploty 1.1. Základní rozdělení senzorů Senzory teploty se dělí do několika skupin. Základní rozdělení je na dotykové a bezdotykové. Jak již z názvu vyplývá, tyto senzory se odlišují stykem s měřeným prostředím. Dále můžeme dělit snímače teploty na aktivní (působením teploty se chovají jako zdroj energie – termoelektrické články) a pasivní (je nutné napájení pro transformaci teploty na jinou fyzikální veličinu – měření teploty je vždy nepřímým měřením). Další dělení je dle fyzikálního principu senzoru. Základní typy jsou: odporové, polovodičové, termoelektrické, optické, dilatační, radiační, akustické, chemické, magnetické, šumové, kapacitní, aerodynamické a další. V současnosti jsou nejrozšířenější odporové kovové snímače teploty vyráběné z platiny a polovodičové senzory – termistory a monokrystalické křemíkové senzory.
1.2. Odporové senzory teploty Odporové senzory teploty využívají teplotní závislosti odporu. Odporové snímače dělíme do dvou skupin. První skupinou jsou kovové odporové snímače teploty a druhou jsou polovodičové senzory.
Kovové senzory teploty Principem odporových kovových senzorů teploty je teplotní závislost odporu kovu. Vyrábějí se ve formě navinutého drátu nebo pomocí tenkovrstvé technologie. Mají kladný teplotní součinitel. Mezi největší přednosti těchto snímačů obecně patří jejich dlouhodobá stálost (což je dáno vlastnostmi použitého materiálu, nejčastěji Pt) a velmi široký rozsah měřitelných teplot, který sahá od −200 °C do +1000 °C s rezistivitou 20 – 20 kΩ. Závislost odporu snímače na teplotě není lineární, což nám komplikuje vyhodnocení teploty.
8
Obr. 1
Teplotní závislost odporových kovových snímačů [1]
Odpor při dané teplotě můžeme pro malý teplotní rozsah (0 °C – 100 °C) spočítat s určitou nejistotou z lineárního vztahu .
(1)
R0 je odpor čidla při teplotě 0 °C. Střední hodnota teplotního součinitele odporu α pak bude dána vztahem
.
(2)
R100 udává odpor čidla při teplotě 100 °C. Dalším základním parametrem odporových snímačů teploty je poměr odporů čidla při teplotě 100 °C a 0 °C.
(3)
Pro
větší
teplotní
rozsahy
již
nemůžeme
použít
lineární
vztahy.
Nejpoužívanější materiály kovových odporových snímačů jsou čisté kovy (platina, wolfram, nikl a měď).
9
Tab. 1
Materiály používané pro kovové snímače teploty [1]
1.2.1.1 Platinové senzory teploty
Platinové
senzory
teploty
jsou
mezi
odporovými
kovovými
snímači
nejpoužívanější. Je to dáno jejich dlouhodobou stabilitou a životností. Vyrábějí se pro rozsah teplot od -200 °C do 650°C (třída A) a od -200 °C do 850 °C (třída B). Kromě těchto uvedených rozsahů dle IEC-751 se vyrábějí i vysokoteplotní snímače až do teploty 1100 °C. „Dlouhodobá stabilita je u provozních Pt snímačů kolem 0,05 %/1000 h.[1]“ Teplotní závislost platinových snímačů je reprezentována Callendarvan Dusenovou aproximací (rovnice 4). Dle [1] platí tento vztah pro teploty od -200 °C do 0 °C.
(4) Pro teploty od 0 °C do 850 °C je teplotní závislost měřicího odporu dána vztahem
(5) Typické hodnoty pro konstanty R0, A, B a C jsou pro platinové čidlo podle [1] následovné: R0 = 100 Ω A = 3,90802 * 10-3 K-1 B = -5,80195 * 10-7 K-2 C = -4,27350 * 10-12 K-4 pro t < 0 °C C = 0 pro t > 0 °C. Teplotní závislost můžeme zapsat i ve tvaru
10
,
(6)
a pro jednotlivé koeficienty platí
.
(7)
Typické hodnoty pro konstanty α, β a δ jsou dle [1]: α = 3,85055 * 10-3 K-1 δ = 1,499786 K-2 β = -0,108634 K-3 pro t < 0 °C β = 0 pro t > 0 °C
Základní hodnoty odporu jsou 100, 200, 500, 1000 a 2000 Ω. Pro měření teploty na základě měření hodnoty odporu platinového snímače je možné využít vztahu (6), přičemž je nutné použít iterační metodu. Volba libovolné počáteční hodnoty teploty v rozsahu 0 až 100 °C nemá na výsledek vliv už po pátém stupni iterace.
Tab. 2 Dovolené tolerance platinových měřicích odporů dle IEC-751 [1]
11
Obr. 2
Nelinearita Pt100 [1]
Jak jsem již zmínil v úvodu o odporových kovových senzorech, je teplotní závislost odporu nelineární. Na obr. 2 je vidět statická charakteristika platinového odporového snímače pro rozsah teplot od 0 do 100 °C. V tomto rozsahu teplot se většinou zanedbává nejistota měření způsobená nelinearitou:
.
Obr. 3
(8)
Snímač teploty vyráběný technologií Thin Film [2].
12
Obr. 4
Reálné platinové snímače teploty v pouzdře [3].
Samostatný platinový snímač se ke zjištění teploty nepoužívá. Samozřejmě by to bylo možné za použití přesného ohmmetru a převodních tabulek odpor - teplota. Pro další práci se používají takzvané měřicí obvody, u kterých je výstupem zpravidla napětí. V následující kapitole proto popíšu měřicí obvody. V návrhu konkrétního řešení měřicího převodníku teplota - napětí je využito některých těchto obvodů.
1.2.1.2 Niklové senzory teploty
Niklové snímače teploty se téměř vždy vyrábějí tenkovrstvou technologií. Hlavní výhodou niklových snímačů je velká citlivost, rychlá odezva (malá časová konstanta) a též malé rozměry. Značnou nevýhodou je oproti platinovým snímačům značná nelinearita a také horší dlouhodobá stabilita a odolnost vůči působení prostředí. Další nevýhodou může být omezený teplotní rozsah. Stejně jako u platinových teplotních snímačů se vyrábějí čidla s různou hodnotou základního odporu. Dle [1] se teplotní závislost odporu niklového snímače dá vyjádřit vztahem:
,
(9) 13
Typické hodnoty konstant A, B, C a D jsou [1]: A = 5,485 * 10-3 K-1 B = 6,65 * 10-6 K-2 C = 2,805 * 10-11 K-4 D = 2,0 * 10-17 K-6
Obr. 5
Tolerance niklového snímače [1]
1.2.1.3 Měděné senzory teploty
Měděné snímače teploty se používají v rozsahu teplot od -200 °C do 200 °C. V rozsahu teplot od -50 °C do 150 °C lze použít lineární vztah (1), kde α = 4,26 * 10-3 K-1. Měděné snímače se běžně nepoužívají z důvodu snadné oxidace mědi a malé rezistivitě. Ta je asi 6krát menší než u platiny. Teplotní závislosti mědi se využívá například při přímém měření teploty měděného vinutí elektrických strojů (měření odporu vinutí).
Polovodičové senzory teploty Polovodičové odporové senzory využívají stejně jako kovové odporové senzory teplotní závislosti odporu. Dominantní závislost koncentrace nosičů náboje n na teplotě je u polovodičových senzorů dána vztahem
.
(10)
14
∆E je zde šíře mezery mezi energetickými hladinami a k je Boltzmannova konstanta. Pro teplotní součinitel odporu platí následující vztah:
.
(11)
Z uvedeného vztahu je vidět, že teplotní součinitel odporu polovodiče je záporný. Zároveň je o
větší než u kovů. Polovodičové odporové senzory
teploty se rozdělují do dvou základních skupin:
monolitické odporové senzory termistory
1.2.2.1 Monokrystalické křemíkové senzory teploty
Obr. 6
Uspořádání monokrystalického Si senzoru [1]
U tohoto typu snímače se využívá teplotní závislosti konduktivity dotovaného křemíkového polovodiče typu N. Konduktivita se mění vlivem teplotní závislosti pohyblivosti nosičů náboje (v tomto případě jsou majoritními nosiči elektrony). Monokrystalické křemíkové snímače mají v celém teplotním rozsahu od -50 °C do 150 °C kladný teplotní součinitel rezistivity (PTC). Vyznačují se poměrně slušnou linearitou, dlouhodobou stabilitou (±0,05 K / rok) a nízkou cenou. Typická hodnota citlivosti je 0,7 % / °C. Nejrozšířenější typ označovaný KTY vyrábí firma Phillips.
15
Obr. 7
Pouzdro senzoru TO-92, charakteristika Si senzoru KTY Phillips [1].
1.2.2.2 NTC termistory
Termistor (z anglického thermal resistor) patří k nejpoužívanějším snímačům teploty. NTC termistor je charakterizován záporným teplotním součinitelem odporu (Negative Temperature Coefficient). Vyznačuje se vysokou citlivostí, ale jeho teplotní charakteristika je značně nelineární. Vyrábí se keramickou technologií spékáním prášku oxidu kovů jako je mangan, nikl, kobalt, titan nebo měď. Prášková technologie umožňuje vytvořit snímače nejrůznějších rozměrů a tvarů (disky, slzičky, válečky případně jako součástku pro povrchovou montáž). Díky těmto vlastnostem je to s platinovými snímači jeden z nejpoužívanějších teplotních senzorů. Teplotní závislost odporu NTC termistoru je dána vztahem:
,
kde
(12)
RT
je odpor při teplotě T
[Ω]
R0
je odpor při teplotě T0
[Ω]
B
je teplotní materiálová konstanta
[K]
T
je teplota
[K]
T0
je kalibrační teplota
[K]
16
Obr. 8
Porovnání teplotních závislostí termistorů NTC a PTC s kovovými
odporovými senzory (R0 je odpor při 0 °C) [1] Experimentálně bylo zjištěné, že teplotní konstanta B je závislá na teplotě. Tato závislost může být aproximována vztahem
,
(13)
Pro přesné měření je tedy potřebné počítat s teplotní závislostí NTC termistoru podle vztahu
,
kde
(14)
B0
je materiálová charakteristická teplota [K]
α
je konstanta
[K * °C-1]
Hodnotu B0 získáme kalibrací pomocí dvou různých teplot T 0 a T1 a příslušných hodnot teploty R0 a R1 podle vztahu
17
.
(15)
Hodnotu konstanty α není potřeba kalibrovat, protože závisí jen na materiálu, z kterého je snímač vyrobený.
Obr. 9
Závislost teplotního součinitele odporu α na teplotě a teplotní konstantě B.
1.3. Ostatní senzory teploty Různých typů teplotních snímačů či teploměrů je velké množství. Velkou skupinou jsou bezdotykové měřicí systémy teploty. O bezdotykovém měření teploty vyšly publikace čítající stovky stránek. Bezdotykové měření je založeno na měření elektromagnetického záření vysílaného každým tělesem z jeho povrchu. Senzorem se snímá záření o vlnových délkách od 0,4 μm do 25 μm. V tomto rozsahu je zahrnuto viditelné spektrum, oblast blízkého infračerveného spektra, oblast krátkovlnného infračerveného spektra, středovlnného infračerveného spektra a též oblast dlouhovlnného infračerveného spektra. Elektromagnetické záření s vlnovou délkou od 2 μm do 25 μm se označuje jako tepelné záření. Uvedené rozsahy pokrývají měření teplot v rozmezí od -40 °C do 10000 °C. 18
Obr. 10
Bezdotykový teploměr s laserovým ukazovátkem (zaměřovačem) [4]
Bezdotykové měření teplot má samozřejmě své klady a zápory jako všechny ostatní způsoby měření teploty. Uvedu zde základní výhody a nevýhody bezdotykového měření teplot. Výhody bezdotykového měření teploty: zanedbatelný vliv měřicí techniky na měřený objekt možnost měření teploty na pohybujících se objektech měření z bezpečné vzdálenosti (vysoká napětí, hutní objekty atd.) možno měřit i velmi rychlé změny měření a další digitální zpracování teploty celých povrchů těles (termovize, termografie)
Nevýhody bezdotykového měření teploty: nejistoty měření dané chybnou hodnotou emisivity povrchu měřeného objektu nejistoty měření dané chybnou hodnotou propustnosti prostředí mezi objektem a snímačem
19
nejistoty měření způsobené korekcí parazitního odraženého záření z okolního prostředí na měřený objekt
Tab. 3
Základní veličiny pro bezdotykové měření teplot (ČSN ISO 31-6) [1]
Jako poslední skupinu snímačů teploty bych uvedl termoelektrické články. Princip termoelektrických článků je založen na Seebeckově jevu (převod tepelné energie na energii elektrickou). Seebeckův jev vzniká tím, že v teplejší části vodiče mají nositelé náboje větší energii, a tak difundují do chladnějších míst ve větším množství než nositelé z chladnějších míst do teplejších. Tím vzniká jednostranná převaha nábojů, kterých je ve vodiči více.
20
Tab. 4
Typy termoelektrických článků a základní údaje dle IEC 584.1(ČSN EN 60584-1) (kromě typu G,C) [1]
Obr. 11 Charakteristiky vybraných termoelektrických článků [1]
21
2 Měřicí obvody Základním měřicím obvodem pro odporové teplotní snímače je Wheatstoneův můstek. Připojení konkrétního snímače do
Wheatstoneova můstku lze provést
několika způsoby. Každý má své výhody i nevýhody (jednoduchost, potlačení vlivu odporu přívodů). Při použití můstkového zapojení dochází k přídavné nelinearitě, způsobené právě použitým můstkem. Tuto nelinearitu lze snížit použitím můstku napájeného zdrojem proudu.
Obr. 12
Dvouvodičové zapojení [1]
Dvouvodičové zapojení je nejvíce ovlivněno oporem přívodních vodičů. Pro vyvážený můstek platí následující vztah
.
(16)
Pro potlačení teplotní závislosti odporu vedení se používá třívodičové můstkové zapojení. Ani toto zapojení však neodstraní teplotní závislost odporu přívodů úplně.
Obr. 13
Zde platí
.
Třívodičové zapojení [1]
(17)
22
Obr. 14
Zapojení s pomocnou smyčkou [1]
Toto zapojení můstku je často mylně zaměňováno se čtyřvodičovým měřicím obvodem, který zcela eliminuje vliv odporu přívodů. Můstkové zapojení s pomocnou smyčkou se používá pro velké vzdálenosti mezi měřicím odporem (snímačem teploty) a můstkem. Úplné potlačení teplotní změny odporu přívodů platí pro vyvážený můstek.
.
(18)
Při konkrétním návrhu řešení práce jsem se inspiroval právě zapojením s pomocnou smyčkou.
Zapojení, které dokáže zcela eliminovat teplotní závislost odporu přívodů, se nazývá čtyřvodičové zapojení.
Obr. 15
Čtyřvodičové zapojení [1]
Pro velký vstupní odpor zesilovače platí vztah
.
(19)
23
3 Linearizace Linearizaci statické charakteristiky platinového snímače teploty lze provést stejně jako u termoelektrických článků pomocí inverzních polynomů pro programové vybavení měřicích systémů. Nás však zajímají především analogová řešení linearizace. Analogová linearizace se dá vyřešit vcelku jednoduše. Stačí zavést do obvodu vhodnou kladnou zpětnou vazbu.
Obr. 16
Zpětnovazební princip linearizace platinového odporového snímače [1]
„Princip spočívá v regulaci měřicího proudu nebo napájecího napětí. Vzhledem ke konkávní charakteristice měřicího odporu je nutno zajistit, aby proud i narůstal s teplotou tak, aby výstupní napětí Uv bylo lineárně závislé na teplotě, neboli platí
,
(20)
kde Ust je stabilizovaný zdroj napětí k potlačení počáteční hodnoty Rtz. Regulace proudu je možná buď zavedením zpětné vazby do stabilizovaného zdroje napětí Ust (vazba 1 na obr. 16b) nebo použitím řízeného záporného odporu R s (vazba 2). Záporný odpor se realizuje zavedením kladné zpětné vazby u operačního zesilovače. Linearizací lze dosáhnout odchylky menší než 0,1 °C v rozsahu teplot od -150 °C do 400 °C.“
[1 strana 49]
Pro linearizaci lze využít i integrovaného obvodu XTR103 a novějšího XTR105. 24
4 Návrh Při návrhu začnu od měřicích obvodů. Cílem je mít na výstupu dvě různá napětí. Jedno bude referenční (bod 1 na obr. 17). Druhé napětí budu měřit na snímači teploty (bod 2 na obr. 17). Referenční napětí nastavíme tak, aby bylo stejné jako napětí na snímači při 0 °C. Obě napětí budou mít společnou zem. Referenční napětí vytvořím za použití děliče napětí ve vhodném poměru z napájecího napětí. Protože nejlineárnější charakteristiky snímače dosáhneme za použití proudového zdroje, použiju druhý stabilizátor k vytvoření proudového zdroje. Proud ze zdroje nastavím na hodnotu 1 mA.
Obr. 17
Zapojení měřicích obvodů
Napájecí napětí (na obr. 17 - VCC) bude 12 V. Stabilizátor U1 jsem zvolil LM317, protože má malý klidový proud (100 μA). Výstupní napětí stabilizátoru je 1,25 V. Odpor R11 vypočítáme z Ohmova zákona.
(21)
Odpory RV3 jsou na uvedeném obrázku odpory vedení. R16 jsem zvolil 91 Ω a potenciometr 20 Ω, aby se dalo doladit referenční napětí na obě strany. R 9 vypočteme z Ohmova zákona. Proud, který má protékat děličem, je při zvolených hodnotách roven proudu protékajícímu snímačem. R12 nám tedy vyjde 12 kΩ. 25
Tato dvě napětí přivedeme na vstup přístrojového zesilovače. Přístrojový zesilovač jsem zvolil v diskrétním provedení od firmy Analog Devices. Konkrétní typ jsem zvolil AD621 (IC1 na obr. 18). Tento přístrojový zesilovač má maximální zesílení 100, při zkratování výstupů 1 a 8. Maximální změna odporu v rozsahu 0 °C až 60 °C je 23,242 Ω čemu odpovídá změna napětí na snímači ≈23 mV. Výstupní napětí převodníku při hodnotě 60 °C má být 10 V. Proto musí být celkové zesílení 430. Na výstup přístrojového zesilovače jsem pro dosažení tohoto zesílení zapojil ještě neinvertující zesilovač s nastavitelným zesílením (IC5 na obr. 18). Rezistory R4,5,7 = 1 kΩ a kondenzátory C5,6,7 = 15 μF, tvoří integrační článek, který svádí na zem frekvence od 10Hz. Požadované zesílení se ještě změní zapojením zpětné vazby,
která
bude
linearizovat
výstupní
charakteristiku
napětí.
Zesílení
neinvertujícího zesilovače je dáno vztahem:
.
(22)
Pro schéma z obr. 18 nahradíme R2 rezistory R9 + R12 a R1 nahradíme rezistorem R8.
Obr. 18
Zapojení zesilovačů
Celý převodník se bude napájet střídavým napětím o hodnotě 2 * 12 V. Toto napětí musíme usměrnit a stabilizovat. Pro napájení operačních zesilovačů je zapotřebí získat symetrické napětí ±12 V. Střídavé napětí usměrníme a dále stabilizujeme. Použil jsem dvě oddělená vinutí a napětí ±12 V vytvořil spojením výstupů stabilizátorů (obr. 19).
26
Obr. 19
Napájení převodníku
Pro další práci a úpravy v návrhu jsem použil simulační program Multisim 10.1 od firmy National Instruments. K dispozici je bezplatná demoverze tohoto programu na stránkách firmy.
27
5 Simulace Jak jsem již zmiňoval, pro simulaci jsem použil program Multisim 10.1. Cílem simulace je ověřit funkčnost návrhu, doladit hodnoty součástek a zjistit případné odchylky měřených hodnot od požadovaných. Jako první simulaci jsem testoval napájení převodníku z obr. 19. Simulací jsem ověřil funkčnost napájecích obvodů. Další simulací bylo testování zesilovače. Protože se mi nepodařilo nalézt knihovny přístrojového zesilovače AD621 do simulačního programu, vytvořil jsem si ideální přístrojový zesilovač pomocí tří operačních zesilovačů se zesílením 100. Schéma přístrojového zesilovače je na obr. 20. Zesílení přístrojového zesilovače je dáno vztahem:
.
(23)
Další simulací bylo ověření převodních charakteristik měřicích obvodů. Na základě simulace jsem vybral nejvhodnější měřicí obvod pro tuto práci. Simulace byla prováděna na třech typech měřicích obvodů. Byl použit můstek napájený zdrojem proudu a napětí. Jako třetí měřicí obvod jsem použil zapojení z obr. 17. Simulace byla prováděna
na
lineárním
proměnném
rezistoru,
jehož
hodnoty
odpovídaly
linearizovanému snímači PT100 v rozsahu teplot 0 °C až 60 °C. Výstupy z měřicích obvodů byly připojeny na zesilovač z obr. 18, kde byl vložen místo AD621 přístrojový zesilovač složený ze tří operačních zesilovačů.
Obr. 20 Přístrojový zesilovač
28
Při simulaci nejprve nastavíme potenciometrem v měřicím obvodu nulové výstupní napětí z celého zesilovače při hodnotě snímače 100 Ω, což odpovídá teplotě 0 °C. Potom nastavíme snímač na maximální hodnotu. V našem případě na hodnotu
123,25192
Ω
(60
°C)
a
na
výstupu
zesilovače
nastavíme
10V potenciometrem R12 z obr. 18. Nyní můžeme změřit převodní charakteristiku daného měřicího obvodu. Tento postup opakujeme pro všechny měřicí obvody. Z teoretických znalostí víme, že nejlineárnější charakteristiky bychom měli dosáhnout použitím měřicího obvodu se snímačem napájeným zdrojem proudu. Z můstkových metod by měl nejlépe dopadnout můstek napájený zdrojem proudu. Výsledky provedené simulace měřicích obvodů jsou uvedeny v tab. 5.
% R[Ω] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Proud. Mustek U[V] -0,0000003 1,001 2,002 3,002 4,002 5,03 6,003 7,002 8,002 9,01 10
Napeti mustek U[V] -0,000016 1,002 2,003 3,004 4,005 5,005 6,005 7,004 8,003 9,002 10
proud PT U[V] 0,000013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tab. 5 Výsledky simulace měřicích obvodů
Z výsledků simulace je vidět, že nejlineárnější průběh má opravdu měřicí obvod, kde je snímač napájen zdrojem proudu. Proto jsem tento obvod použil v mé práci „Převodník teplota - napětí“. Podle předpokladů dopadl nejhůře případ můstkového měřicího obvodu napájeného zdrojem napětí.
Teď, když má převodník téměř konečnou podobu, přidáme do obvodu zpětnou vazbu, abychom dosáhli lineárního průběhu výstupního napětí i za použití snímače PT100.
29
Obr. 21
Zapojení zesilovačů se zpětnou vazbou
Na obr. 21 je vidět zapojení zpětné vazby, která linearizuje výstupní průběh napětí. Testováním jsem určil hodnoty rezistoru R6 a potenciometru R10. Nejlepších hodnot jsem dosáhl za použití R6 = 180 kΩ a R10 = 1 kΩ. Při konečné simulaci bylo nutné pro dosažení výstupního napětí 10 V, nastavit zesílení neinvertujícího zesilovače na hodnotu 30 až 31. Hodnotu R8 jsem tedy zvolil 10 kΩ, R9 = 30 kΩ a potenciometr R12 = 1 kΩ. S těmito hodnotami součástek jsem prováděl konečnou simulaci celého převodníku za použití nelineárních vstupních hodnot, které odpovídaly hodnotám PT100 v rozsahu teplot od 0 °C do 60 °C. Jako měřicí obvod byl použit obvod z obr. 17, který je použit i v konečném hardwarovém řešení. Postup konečné simulace je následující. Nejprve nastavíme nulu na výstupu zesilovače
pomocí
potenciometru
v měřicím
obvodě
při
hodnotě
snímače
odpovídající 0 °C, což je 100 Ω. Dále nastavíme na výstupu zesilovače hodnotu 3,5 V potenciometrem, který upravuje zesílení neinvertujícího zesilovače při hodnotě snímače rovné 35% z maximální hodnoty. V našem případě to bude tedy 21 °C, čemuž odpovídá hodnota snímače 108,1855 Ω. Posledním nastavením je nastavení zpětné vazby. Potenciometrem ve zpětné vazbě nastavíme hodnotu výstupního napětí rovnu 10 V, při hodnotě snímače rovné 60 °C, což je rovno 123,2519 Ω. Tyto tři body opakujeme tak dlouho, dokud nedosáhneme shody ve všech třech bodech. Těmito třemi body jsme nastavili parametry počátečních podmínek, linearizace a zesílení neinvertujícího zesilovače tak, aby výstupní charakteristika byla lineární. Nyní již následuje proměření převodní charakteristiky vytvořeného zapojení. Charakteristiku jsem se rozhodl proměřit v 10-ti bodech, což se mi zdálo dostačující pro ověření funkčnosti zapojení. Protože ke konci teplotního rozsahu se již začala projevovat mírná odchylka od požadovaných hodnot, rozhodl jsem se pro jemnější 30
proměření právě na tomto konci rozsahu. Výsledky simulace jsou v následující tabulce.
T[°C]
Upož[V]
PT100[Ohm]
Uvýst[V]
0 6 12 18 24 30 36 42 48 51 54 57 60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 8,5 9 9,5 10
100 102,3439192 104,6836768 107,0192728 109,3507072 111,67798 114,0010912 116,3200408 118,6348288 119,7906622 120,9454552 122,0992078 123,25192
-0,00001 1 2 3 4 5 6 7 8 8,5 8,999 9,499 9,999
Tab. 6 Výsledky simulace celého převodníku
Z tabulky je vidět, že maximální odchylka od lineárního průběhu byla 0,001 V při hodnotách výstupního napětí od 9 do 10 V. U těchto hodnot je to chyba 0,01%. Tuto odchylku můžeme snížit ještě přesnějším nastavením hodnot při kalibraci, ale pro ověření funkčnosti převodníku dané měření zcela postačuje. Po ověření funkčnosti vytvořeného schématu pomocí simulace mohu přejít k návrhu desky plošných spojů.
31
6 Návrh DPS Desku plošných spojů jsem navrhoval v programu Eagle Layout Editor 5.6.0 od firmy CadSoft Computer, Inc. Na stránkách firmy lze stáhnout omezenou verzi tohoto programu, která pro můj účel zcela postačuje. Deska má být vyrobena ve firmě PragoBoard s.r.o. Cílem bylo vytvoření jednostrané desky plošných spojů s minimem drátových propojek. Použité součástky budou převážně typu SMD.
Obr. 22
Deska plošných spojů verze 1.0b
Obr. 23
Osazovací plánek
32
Nyní, když je návrh desky hotov, musí se převést do formátu, který vyžaduje firma PragoBoard. O export se postaral jeden vyučující, který je odborníkem na Eagle, protože mě ani mému vedoucímu se export do požadovaného formátu nepodařil. Tímto chci uvedenému vyučujícímu poděkovat. Soubory s podklady pro PragoBoard jsou přiloženy na CD. Podkladem pro zhotovení výrobku je objednávka s technickou specifikací, která musí obsahovat následující údaje pro každý typ DPS: název DPS typ desky jednostranná / oboustranná / n-vrstvá počet kusů způsob možné / požadované panelizace kvalita použitého materiálu tloušťka laminátu a plátované mědi rozměr výsledného DPS specifikace výsledného povrchu a doplňkových technologií specifikace způsobu opracování na výsledný rozměr seznam použitých vrtáků v pořadí, jak jsou použity ve vrtacím programu, nejlépe v souboru na disketě, s údajem, zda se jedná o průměry nástrojů nebo výsledných otvorů, včetně povolených průměrových tolerancí kontakt na firmu zákazníka, jméno a spojení na odpovědného pracovníka zda se podklady po výrobě vrací zákazníkovi či budou uloženy u výrobce pro opakovanou výrobu místo, osoba a způsob předání výrobků a podkladů
33
7 Postup a výsledky měření 7.1. Oživení Po návrhu, simulaci a hardwarové konstrukci přichází na řadu oživení. První test proběhl v domácím prostředí za použití 100 Ω odporu, který nahrazoval platinové čidlo PT100 při teplotě 0 °C. Jako napájení byly použity dva transformátory s výstupním napětím 12 V. Při tomto testování, byla nalezena chyba v návrhu desky. Na obr. 22 je již tato chyba odstraněna. Problém byl v napájecí části přípravku, kde byly spojeny země obou stabilizátorů. Odstranění chyby jsem provedl na již vyrobené desce přerušením daného spoje.
7.2. Kalibrace Po oživení výrobku přichází na řadu jeho kalibrace. Kalibraci jsem prováděl v laboratoři legální metrologie na katedře měření. Pro kalibraci byl použit laboratorní zdroj stejnosměrného napětí s regulovatelným výstupem. Pro napájení byly použity dvě oddělené větve z regulovaného zdroje s napětím o velikosti 15V. Ke kalibraci byla dále použita odporová dekáda s citlivostí 0,1 Ω, která nahrazovala platinové čidlo PT100. Kalibrace výrobku probíhá stejně jako kalibrace při simulaci. Nejprve nastavíme na odporové dekádě 100 Ω (hodnota odpovídající odporu čidla při teplotě 0 °C) a kalibruje nulu na výstupu zesilovače pomocí potenciometru v měřicím obvodě z obr. 17. Po nastavení nuly, nastavíme zesílení neinvertujícího zesilovače. Na odporové dekádě nastavíme hodnotu 108,2 Ω, která odpovídá hodnotě odporu čidla při teplotě 21 °C (35% z celkového rozsahu). Na výstupu nastavíme potenciometrem u neinvertujícího zesilovače napětí 3,5 V. Jako poslední krok kalibrace je nastavení parametrů linearizace. To provedeme tak, že na dekádě nastavíme 123,3 Ω (odpovídající hodnotě odporu čidla při teplotě 60 °C). Tyto tři kroky provádíme několikrát, dokud nedostaneme shody ve všech třech bodech.
34
7.3. Měření s odporovou dekádou Měření mělo za úkol základní ověření převodní správné funkčnosti výrobku před připojením snímače PT100 a měřením za pomocí kalibrátoru platinových čidel. Měření s odporovou dekádou probíhalo se stejným nastavením jako při kalibraci. Místo snímače PT100 byla použita odporová dekáda stejná jako v předchozím případě. Měření jsem prováděl v krocích po 3 °C, čemuž odpovídá krok výstupního napětí 0,5 V. V následující tabulce je uvedena teplota, požadované výstupní napětí, hodnota odporu snímače PT100 při dané teplotě, hodnota nastavená na dekádě a změřené napětí na výstupu převodníku.
T[°C] Upož[V] PT100[Ohm] Dekáda[Ohm] Uvýst[V] 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
100 101,1724798 102,3439192 103,5143182 104,6836768 105,851995 107,0192728 108,1855102 109,3507072 110,5148638 111,67798 112,8400558 114,0010912 115,1610862 116,3200408 117,477955 118,6348288 119,7906622 120,9454552 122,0992078 123,25192
100 101,2 102,3 103,5 104,7 105,9 107 108,2 109,4 110,5 111,7 112,8 114 115,2 116,3 117,5 118,6 119,8 120,9 122,1 123,3
-0,01 0,51 0,98 1,5 2,02 2,55 3,03 3,55 4,07 4,55 5,07 5,55 6,06 6,57 7,03 7,53 8 8,51 8,96 9,46 9,96
Tab. 7 Výsledky měření s odporovou dekádou
Z následující tabulky je patrné, že výsledný průběh převodní charakteristiky je lineární. K mírné odchylce od lineárního průběhu dochází až ke konci měřeného rozsahu. Graf převodní charakteristiky je v příloze.
35
7.4. Měření s PT100 Poslední měření, které jsem prováděl, bylo s připojeným snímačem PT100. Čidlo PT100 bylo umístěno v kalibrátoru platinových snímačů a signál vyveden vodiči k převodníku. V kalibrátoru je umístěn též platinový snímač pro zobrazení aktuální správné hodnoty teploty. Nastavení parametrů linearizace, zesílení a nuly zůstalo stejné jako v předchozím měření. Na kalibrátoru se nastaví požadovaná teplota. Potom musíme značnou dobu vyčkat, než se teplota ustálí na námi požadované hodnotě. V době ustálení změříme výstupní napětí na převodníku. Toto měření je značně časově náročné. Při měření po krocích 1 °C mi měření zabralo celý den. Následují tabulka s výsledky je ve zkrácené podobě. Krok je zde po 3 °C. Kompletní tabulka s výsledky je v příloze.
Uvýst[V]
0
0
0,07
0,003
3
0,5
3,04
0,498
6
1
5,99
0,999
9
1,5
9
1,503
12
2
12
2,001
15
2,5
15
2,503
18
3
18
3,004
21
3,5
21,02
3,505
24
4
24
4,006
27
4,5
27
4,504
30
5
30,02
5,004
33
5,5
33
5,501
36
6
36
5,989
39
6,5
39,06
6,503
42
7
42,03
6,981
45
7,5
45,02
7,472
48
8
48,1
7,984
51
8,5
51,01
8,442
54
9
54,01
8,914
57
9,5
57,05
9,384
60
10
60,05
9,829
0,05
odchylka[V]
teplota U[V] Tref[°C]
0 0
10
20
30
40
50
60
-0,05
-0,1
-0,15
-0,2
Tref[ C] Obr. 24 Závislost odchylky výstupního napětí převodníku na teplotě
Tab. 8 Výsledky měření s PT100
Z uvedených výsledků je patrné, že výstupní charakteristika je lineární v rozsahu teplot od 0 °C do 40 °C. V rozsahu teplot 40 °C až 60 °C dochází k mírné nelinearitě převodní charakteristiky daného převodníku.
36
8 Závěr Splnění této práce bylo dosaženo za pomoci znalostí z absolvovaných předmětů a nastudování literatury o snímačích teploty a operačních zesilovačích. Při navrhování převodníku a měření jsem použil především dosažené znalosti z absolvovaného předmětu Senzory a převodníky. V tomto předmětu jsme ve cvičeních měřili teplotu pomocí platinového snímače PT100 a pro výpočet jsme používali konstanty A = 3,91 * 10-3 K-1 a B = -5,78 * 10-7 K-2, u kterých jsem po prostudování dalších materiálů zjistil, že nejsou zcela přesné. Bohužel jsem na tento problém narazil až při psaní této práce a zpracovávání naměřených výsledků. Použití těchto konstant způsobí maximální chybu 0,03 °C ke konci měřeného teplotního rozsahu. Právě to může být jedním z důvodů nelinearity převodní charakteristiky v konečném rozsahu teplot od 40 do 60 °C. Tento problém lze odstranit překalibrováním převodníku. Při měření na hardwarovém převodníku docházelo ke kolísání výstupního napětí převodníku. V rámci měření jsem toto kolísání odstranil průměrováním hodnot na multimetru HP 34401A. Kolísání je zřejmě způsobeno výstupem ze stabilizátoru 78L12. Pro odstranění tohoto jevu by se musel použít stabilnější zdroj napětí pro referenční napětí v měřicím obvodě, než je výstup stabilizátoru 78L12. Zvýšením napájecího napětí převodníku by možná šlo též docílit snížení kmitání výstupu. Dané zapojení by se dalo modifikovat pro měření i s jinými základními hodnotami odporu měřicího snímače. Modifikace by vyžadovala výměnu rezistoru v měřicím obvodě, na kterém vzniká referenční napětí, a překalibrování převodníku. Další možnou úpravou by bylo vytvoření druhého referenčního napětí a přepínáním pomocí pinových propojek. Tato úprava by však vyžadovala možnost nastavovat parametry zpětné vazby a zesílení pro jednotlivá čidla, nebo by se musel převodník při každé změně čidla znovu překalibrovat. Další možností je vytvoření dalších obvodů pro nastavení parametrů zpětné vazby a zesílení a přepínání pomocí pinových propojek. Mnou zvolený způsob řešení není zcela nejpřesnější, za což může především referenční napětí v měřicím obvodě. Přesnějším a jednodušším řešením by bylo použití integrovaného obvodu XTR105.
37
9 Literatura [1]
Kreidl, M.: Měření teploty: senzory a měřicí obvody. BEN, Praha 2005
[2]
http://www.made-in-china.com/
[3]
http://www.ca800.com
[4]
http://www.e-pristroje.cz
[5]
Dostál, J.: Operační zesilovače. SNTL, Praha 1981
[6]
http://www.analog.com
[7]
http://www.ti.com/
38
