No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

6.6

Tøívodièové pøipojení odporového teplomìru

Pro buzení senzorù založených na zmìnì odporu vlivem mìøené velièiny jsou èasto užívány zdroje proudu. Je-li ovšem místo mìøení a vyhodnocení vzdáleno, úbytky napìtí na pøívodech mohou zpùsobit chyby, které již nelze tolerovat. Obvyklým øešením je použití ètyøvodièového pøipojení, kdy je dvìma vodièi pøivádìn napájecí proud a dalšími dvìma je snímán napìový úbytek na pøímo odporovém senzoru R(T). Je-li tento úbytek zpracován obvodem s vysokým vstupním odporem, ke zmínìné chybì nedojde. Nepøíjemné na tom však je, že pøidaná vedení nejsou zadarmo. Stejného efektu, ale s použitím jen tøí vodièù, lze docílit využitím zapojení z obr. 6.6.1. Klíèovou roli v nìm hraje IO1 (REF200), obsahující dva nezávislé proudové zdroje 100 µA (A, B) a proudové zrcadlo (M). V tomto pøípadì jsou zdroje zapojeny paralelnì pro vytvoøení proudu 200 µA pro buzení platinového teplomìru 1000 W. Pro kompenzaci úbytku na pøívodním vodièi pøipojeném k neinvertujícímu vstupu pøístrojového (mìøicího) zesilovaèe PZ1 je zrcadlem vytvoøen kompenzaèní proud stejné velikosti procházející druhým pøívodem. Úbytky napìtí na vedeních mají ve vstupní smyèce opaèný smìr, a proto se vyruší. Rezistorem ROFFSET se nastaví pøi zvolené vztažné teplotì nulové výstupní napìtí a na výstupu pak bude napìtí úmìrné zesílení pøístrojového zesilovaèe G, napájecímu proudu 200 µA a zmìnì odporu senzoru DR(T) vùèi hodnotì pøi vztažné teplotì. Zdroj informací: Lit. 6.6.1 Lit. 6.6.2

RTD excitation using current reference. Burr-Brown IC Applications Handbook 1994, str. 395. Sdìlovací technika 1995 è. 12, str. 548.

VWtQ Qt

,1$

52))6(7

57

3= 8V

—$ +

0 $ /

% /

&20

8 *D57

Obr. 6.6.1

18

—$

,1

+

,2 5()

8

287

±8V

Tøívodièové pøipojení proudovì napájeného odporového teplomìru JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

3

A

6.7

Pøevodník signálu pro platinový odporový teplomìr

Díky výhodným chemickým vlastnostem, dlouhodobé èasové stabilitì a vysoké teplotì tání jsou platinové odporové teplomìry jedním z nejpopulárnìjších senzorù teploty v rozsahu sahajícím od –200 do +850 °C. Protože však mìronosnou velièinou je odpor senzoru, je tøeba tuto, pro další zpracování nepraktickou velièinu, pøevést na elektrické napìtí èi proud v nìkterém unifikovaném rozsahu, napø. 0 až 10 V pro potøebný rozsah mìøené teploty. Pøi tomto pøevodu se vìtšinou øeší i nelinearita závislosti odpor/teplota. Tak je tomu i v zapojení na obr. 6.7.1. Platinový 100W senzor (Pt100) RPt je napájen konstantním proudem asi 3 mA z napìtím øízeného zdroje proudu tvoøeného operaèním zesilovaèem OZ1A a pøístrojovým diferenciálním zesilovaèem OZ2. Hodnota proudu je urèena 2,5V napìovou referencí LT1009 a odporem snímacího rezistoru RS. Vzhledem k napájení stálým proudem, je napìtí na senzoru úmìrné teplotì s odchylkou od linearity, která v rozsahu popisovaného pøevodníku 0 až 400 °C èiní nìkolik stupòù Celsia. Napìtí na senzoru je odeèteno od vztažné hodnoty získané z dìlièe napájeného rovnìž z referenèního zdroje a obsahujícího trimr RN, umožòující nastavení nulového výstupního napìtí pøevodníku pøi teplotì 0 °C. Rozdíl obou napìtí úmìrný teplotì zesiluje diferenciální zesilovaè OZ3, na který navazuje výstupní neinvertující zesilovaè OZ1B umožòující pomocí trimru RZ 2 kW ve zpìtné vazbì nastavení požadovaného rozsahu výstupního napìtí 0 až 10 V pro rozsah teploty 0 až 400 °C. Pokud by zùstalo jen pøi pouhém zesílení, byla by v tomto rozsahu vlivem nelinearity senzoru, jak již bylo zmínìno, chyba nìkolik stupòù Celsia. Trimr RL na výstupu OZ3 slouží k odebrání èásti výstupního napìtí právì pro úèely linearizace, kompenzující konkávní charakter závislosti odporu senzoru na teplotì pøivedením jeho èásti na øídicí vstup proudového zdroje tak, aby došlo ke zvyšování proudu senzorem pøi rostoucí teplotì. Tento zásah umožní kompenzovat chybu nelinearity senzoru až na ±0,05 °C. Pøi kalibraci obvodu je vhodné nahradit senzor pøesnou dekádou. Nejprve se na ní nastaví odpor 100 W odpovídající teplotì 0 °C a trimrem NULA se nastaví nulové výstupní napìtí. Poté se dekáda pøestaví na 153,58 W odpovídajících 140 °C a trimrem ZESÍLENÍ se nastaví výstupní napìtí 3,5 V. Tøetím krokem je nastavení odporu 247,04 W » 400 °C pøi kterém se trimrem LINEARITA nastaví výstup 10 V. Tyto kroky je tøeba opakovat nìkolikrát, až je dosaženo shody ve všech tøech bodech. Pokud použitý senzor má odpor lišící se ponìkud od R0 = 100 W, opravíme úmìrnì i další nastavovací hodnoty. Tvar køivky teplotní závislosti daný èistotou materiálu je prakticky stálý. Zatímco zapojení na obr. 6.7.1 øeší problémy mìøení teploty platinovým odporovým senzorem výluènì analogovou technikou, obvod, jehož schéma je na obr. 6.7.2 se s problémem nelinearity senzoru i mùstkového zapojení vypoøádává digitálnì pomocí mikropoèítaèe. Mùstek se senzorem je tentokráte napájen konstantním napìtím 5 V získaným z pøesného referenèního zdroje LT1027 s malým teplotním driftem 2 . 10–6/°C. Diferenciální výstup mùstku je dále zpracován pøístrojovým zesilovaèem OZ 1 LT1101 se zesílením 10 a neinvertujícím zesilovaèem OZ 2 LT1006, které jsou oba vhodné pro práci s jediným napájecím napìtím. Trimrem NULA se vynuluje výstupní napìtí vyvážením mùstku pøi náhradì senzoru tentokráte Pt1000, rezistorem 1000W dekády, trimrem NAST. se nastaví výstup OZ2

A

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

3

19

napø. na 4 V pøi náhradì odporem 2470,4 W (400 °C). Takto nastavený výstup pøichází na vstup 12bitového sériového A/D pøevodníku LT1290, jehož výstup je, jak je již jen symbolicky naznaèeno, spojen s mikropoèítaèem, kterým je zajištìna i korekce nelinearity. Program sestavený pro mikropoèítaè 68HC05 byl uveden v Lit. 6.7.2. Zdroj informací: Lit. 6.7.1 Lit. 6.7.2 Lit. 6.7.3 Lit. 6.7.4

Williams, J.: Signal Conditioning for Platinum Temperature Transducers. Design Notes 45. Linear Technology, bøezen 1991. Williams, J: Bridge Circuits Marrying Gain and Balance. Aplication Note 43, Linear Technology. Prùmysové platinové odporové senzory teploty. ÈSN IEC 751 (25 8340). Sdìlovací technika 1997 è. 10, str. 12. 9

N

9

N

/7 Q

56 N M

2=

/7 $ 

9

53W 

Pøevodník pro platinový mìøicí odpor Pt100 s analogovou linearizací

/7

9Då 9ƒ& Dåƒ& /7 $  /7 “ƒ& YêVWXS 2= 2=% 5/ N 5= N N ]HVtOHQt OLQHDULWD

QXOD 51 9

N

Obr. 6.7.1

0

0

2=$

/7 9

9

N

N

51 QXOD 0

N

53W 

—

9

2=

VpULRYêYêVWXS

/7 2=

/7 $ 

—

N

20

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

/7& 5= 0

0

Pøevodník pro mìøicí odpor Pt1000 s A/D pøevodníkem ZAPOJENÍ

3

0& +&

85()





Obr. 6.7.2

N

N



9

QDVW ƒ&

A

6.8

Jednoduchý pøevodník pro platinový mìøicí odpor Pt100

V uvedeném zapojení na obr. 6.8.1 je platinová teplotní mìrka Pt100 napájena konstantním proudem. Výhodou zapojení proti obvyklému zpùsobu s Wheatstoneovým mùstkem napájeným proudovì podle obr. 6.8.2 tkví v tom, že ke zpracování není nutný rozdílový zesilovaè, na jehož vstupech jsou v tomto pøípadì velká stejnosmìrná souhlasná napìtí, což vede k chybám. Problém v tomto pøípadì jsou i s tolerancí užitých souèástek. Zapojení na obr. 6.8.1 tímto problémem netrpí, pøestože mìøicí odpor není pøipojen na skuteènou zem, ale na virtuální – invertující vstup OZ2. Funkce zdroje proudu je zajištìna, pokud je proud malý (£ 20 mA), což je nutné i kvùli ohøevu mìrky k protékajícím proudem. Teplotní závislost výstupního napìtí vzniká v dùsledku zapojení Pt100 ve zpìtné vazbì OZ2. Pro uvedený zpùsob platí následující vztahy: U1 = UM = RM . I1

(1)

je-li konstantní U1, je takový i I1 a platí: 87 = -80 

57 50

(2)

a 8$ = -

51 5  80 - 1  87  5 5

(3)

Dosazením z (1) a (2) do (3) získáme

8$ = -

51 5  8 - 1 5 5

» 8 ¢5  ªª -  7 50 ½

± 5  5 - 5   50 ²² = 8  51  7  5  5   50 Õ

(4)

Pøi zanedbání nelinearity platí pro RT RT = R0 + k . (T – T0),

(5)

kde R0 = 100 W a K = 0,385 W/°C a po dosazení do (4)

8 $ = 8 

5  5 - 5   50 - N  7  5 51  N  7 + 8  51     5   50 5  5   5 0

Prvý èlen urèuje závislost výstupu na teplotì, z druhého vyplývá, že jeho velikost lze pro zvolenou poèáteèní teplotu volit pomocí R1. Napìtí U1 a tedy i proud I1 je vhodné volit do 5 mA, aby ohøev èidla protékajícím proudem byl zanedbatelný. Velikost pomìru 51 5

A

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

3

21

urèuje požadovaný rozsah teplot. Pro hodnoty uvedené v obr. 6.8.1 je výstupní napìtí ve [V] pro teplotu ve [°C] dáno pøi napìtí U1 [V] vztahem: UA = 0,385 . U1 . T

(7)

Pøi nastavování se mìøicí odpor nahradí pøesným odporem 100 W, který odpovídá teplotì 0 °C a pomocí R1 nastavíme nulové výstupní napìtí. Dále nastavíme U1 tak, aby pøi dosažení známé teploty mìøeného prostøedí bylo na výstupu napìtí žádané úrovnì. Hodnotu R3 volíme rovnou hodnotì odporu paralelnì spojených R1, R2, RN pro zmenšení chyby v dùsledku klidových vstupních proudù OZ2. Zdroj informací: Lit. 6.8.1 Lit. 6.8.2 8&&

Jilg, H. P. – Schöner, H. P.: Einfache Temperaturmessung mit Pt100, Elektronik 1986 è. 8, str. 97, 98 Sdìlovací technika 1991 è. 5, str. 193. 89

VWDELOL]iWRU QDS Wt

,7

3 8

5

2=

N M 50 M

80

N 57

M , 5

2= 87

Obr. 6.8.1

51

M

2=

8$

5 M

Jednoduché zapojení pro mìøení teploty s Pt100 8&& 57 8

8%

8 ,0 8 8$

8 50

Obr. 6.8.2

22

Bìžné zapojení mùstku napájeného konstantním proudem JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

3

A