5. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY

Transkript

1 5. MĚŘENÍ TEPLOTY TEMOČLÁNKY Úkol měření 1. Ověření funkce dvoudrátového převodníku XT 11 pro měření teploty termoelektrickými články (termočlánky). 2. Použití měřicího modulu Janascard AD232 s izotermální svorkovnicí a sériovým přenosem údajů do počítače typu PC. 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 XT11. 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 XT11. Pro kontrolu přesnosti této kompenzace lze blok vyhřívat a jeho teplotu měřit zabudovaným teplotním senzorem. Obvod XT 11 je umístěn v přípravku umožňujícím výměnu aplikačních odporů. Třetí termočlánek je připojen ke kompenzační krabici. Výstupní napětí se měří voltmetrem. Postup měření 1. Prostudujte funkci obvodu XT 11 a postup návrhu aplikačních odporů. 2. Měření vlivu teploty srovnávacího spoje Při vypnuté pícce (tj. měřicí spoj na teplotě okolí) se ohřívá srovnávací spoj v Al bloku. espektujte setrvačnost bloku, stačí ohřívat několik minut. Teplotu bloku měří termistorový teploměr, současně se měří multimetrem HP napětí termočlánku na vstupních svorkách pro termočlánek. Teplotu srovnávacího spoje lze určit samozřejmě také z údaje multimetru HP, příp. také z napětí na přechodu U BE. Dále se měří výstup z XT 11, tj. napěťový spád na L. Zjistěte poměr relativní změny výstupního napětí U L k relativní změně napětí na svorkách termočlánku. Při správném návrhu by měly být změny U L minimální. 3. Vliv odporu přívodů Změří se závislost údaje XT11 na odporu přívodů v sérii s L při určité teplotě srovnávacího konce, např. během chladnutí Al bloku. Do série se zdrojem napájecího napětí zapojte dekádu. Při změně odporu až do 2 Ω by se napětí na L nemělo podstatně měnit. 4. Měření teploty uvnitř pícky Měří se obvodem XT11 a zároveň měřicím modulem Janascard AD232. Současně se multimetrem zjišťuje napětí na L. Napájejte pícku z regulačního transformátoru (asi 11 V). espektujte setrvačnost pícky a ohřev včas vypněte. 23

2 Obr. 5.1 Převodník XT 11 Dvoudrátový převodník XT 11 firmy Burr-Brown (USA) je určen k připojení na proudovou smyčku 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 TD), termistorů a tenzometrických můstků. Obvod obsahuje přesný přístrojový zesilovač, napětím řízený zdroj proudu a dvojitou proudovou referenci. Blokové schéma obvodu je na obr Proudová smyčka je napájena ze zdroje napětí U, obvod odebírá celkový proud I (4 až 2 ma). Výstupem je pak úbytek napětí U 2 na zatěžovacím odporu L. Proud I se skládá ze dvou částí: a) z proudových referencí 2 x 1 ma, b) z U/I převodníku s rozsahem 2 až 18 ma, řízeného vstupním rozdílovým napětím u 2 u 1. Pro celkový výstupní proud platí vztah kde S je vnější zpětnovazební odpor. Pro napětí u 1, u 2 I platí omezení V u 4 4 ma u S u 2 u1 < V < u1, u2 < u7 7 + ( u ) 6 V 1 24

3 Proudové zdroje I 1 ma lze využít k napájení odporových senzorů nebo k posunutí rozsahu převodníku. Obr. 5.2 Použití obvodu XT 11 k měření teploty termočlánkem - příklad návrhu Požadovaný rozsah navrhovaného teploměru je (t min... t max ) (... 6 C). K měření teploty t použijeme termočlánek typu K. Jeho citlivost (teplotní součinitel) α je v rozsahu teplot...1 C přibližně rovna α 42 µv/k 1. Kompenzace teploty srovnávacího spoje Teplota srovnávacího spoje t S [ C] se měří diodovým teploměrem (přechod BE bipolárního tranzistoru). Tato dioda je napájena proudovou referencí 1 ma (výstup 11 převodníku). Teplotní součinitel napětí diody je roven přibližně Pro celkové napětí na diodě platí vztah α D U T D 2.1 mv/k U D.6 V mv/k (25 C - ts) 25

4 Obr. 5.3 Ke správné funkci kompenzace je třeba tuto citlivost upravit odporovým děličem 5, 6 (zanedbáváme nelinearitu termočlánku i proud tekoucí odporovým děličem) tak, aby platilo U 6 T U T Aby odpor děliče byl mnohem větší než odpor diody, volíme např. 5 2, 2 kω. Pro odpor 6 pak platí D α K α K α K α D Ω 2. 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 4 napájeného druhou proudovou referencí 1 ma (výstup 1). V našem případě platí t min C. Pro měřenou teplotu t C a teplotu srovnávacího spoje t S 25 C bude napětí termočlánku U T 25 α K µv 15 µv a napětí diody U D (25 C).6 V. Aby I 4 ma, musí platit, že U 1, a tedy 6 U T U D ( 25 C) + 4I

5 Obr. 5.4 Po dosazení vychází Ω Návrh zpětnovazebního odporu S Velikost S (obr. 5.5) určíme z požadovaného rozsahu tak, aby I (t max ) 2 ma. Obr

6 Pro t max 6 C bude 6 U 1 α K ( tmax 25 C) U D (25 C) + 4I mv Pro požadovaný výstupní proud musí platit 2 ma 4 ma S a z toho S Ω Výpočet zatěžovacího odporu L Při zvoleném rozsahu teploměru... 6 C bude proudová výstupní citlivost I t 2 ma - 4 ma 6 C - C 26.7 µ A/K Hodnotu L volíme s výhodou tak, aby výstupní napěťová citlivost např. 1 mv/ C. Musí tedy platit U t I L L t U L byla celé číslo, t L 5 C 1 mv 5 Ω Ω 16 ma K 16 Výstupní napěťový zdvih U L max U L min.5 V ovšem nevyužívá plně rozsah obvodu, čímž se zvyšuje celková chyba. Při zvýšení hodnoty L na desetinásobek (a tedy výstupní citlivosti 1 mv/ C) by ovšem bylo nutno proudovou smyčku napájet ze zdroje napětí např. U 2 V, aby i při maximálním proudu I 2 ma zůstával na převodník XT 11 úbytek napětí spolehlivě vyšší než hodnota U V požadovaná výrobcem pro správnou funkci obvodu. Modul Janascard AD Základní popis Modul AD232 je modul integračního AD převodníku napájeného a komunikujícího po sériové lince S232. 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. 28

7 2. Technické údaje - napájení a komunikace po S232 - rozlišení ± 18 bitů - rozsahy: ± 5 V, ±.5 V - 4 diferenciální vstupy - nelinearita typ. ±.15 %, max. ±.6 % z rozsahu - šum typ. 15 mvef - přesnost (.2 % z údaje +.8 % z rozsahu) na rozsahu.5 V, (.5 % z údaje +.8 % z rozsahu) na rozsahu 5 V - teplotní drift typ. 3 ppm/k - doba integrace vst. napětí 2 ms, doba převodu 65 ms - vstupní odpor 1.1 MΩ 3. Popis činnosti Jádrem modulu AD232 je integrační AD převodník MAX 132 se vstupním rozsahem ±.5 V a rozlišením ±18 bitů (tj. 19 bitů včetně znaménka). Vzhledem k vlastnímu šumu AD 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 2 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 diferenciální vstupy. Teplota izotermální svorkovnice je měřena obvodem LM334 (převodník absolutní teplota/proud). Korekce na teplotu studeného konce termočlánku se pak provádí softwarově. 4. Popis ovládacího programu AD232.EXE Veškeré funkce je možno vyvolávat myší, nebo kurzorovými a horkými klávesami. Funkce menu je možno vyvolat kliknutím myši, klávesou F1 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 - ežim spouštění: -- Trvale (maximální rychlostí) -- Jednorázově - jeden odměr na stisknutí klávesy F2. -- Periodicky: je možno zadat interval mezi odměry od 5 ms do 1 s s krokem 5 ms. eálný čas je odvozen od přerušení časovače v PC. Při volbě vzorkovací 29

8 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 2) 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 AD převodníku (tj. 2 µv na rozsahu.5 V a 2 µv na rozsahu 5 V) je zobrazován pro počet průměrů > 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 3 ms pro ustálení vstupního C filtru. - ozsah: zde je možno zvolit pro každý aktivní vstup jeden ze dvou rozsahů.5 V nebo 5 V nezávisle pro každý vstup Disk Tato položka menu umožňuje aktivovat zápis měřených hodnot na disk. Je-li zápis na disk aktivován, je možno zvolit jméno souboru, do kterého budou naměřená data uložena a počet ukládaných hodnot v intervalu Pokud je perioda vzorkování krátká, je vhodné aktivovat volbu Buffer v paměti - naměřená data jsou ukládána do paměti a teprve po odebrání všech vzorků jsou uložena na disk. Formát ukládaných dat je následující: Počet hodnot n vzorkovací perioda kanál [mat teplota ]... kanál 115 [mat 15 teplota 15].. kanál n [mat n teplota n]... kanál n15 [mat n15 teplota n15] 3

9 První řádek obsahuje počet naměřených hodnot n a vzorkovací periodu. Na každém dalším řádku jsou uvedeny hodnoty pro jeden odměr pro všechny aktivní kanály. Je-li zvolena funkce Polynom nebo Teplota, ukládá se měřené napětí i výsledek zvolené funkce Kalibrace - Autokalibrace: interní okalibrování AD převodníku, tj. odměr nulové hodnoty vstupního napětí. Tato hodnota je uložena do paměti a při každém měření vstupního napětí je odečítána. V dialogovém okně vyvolaném touto volbou je možno volit Interní autokalibraci, tj. převodník se sám periodicky kalibruje v minutových intervalech, nebo autokalibraci vypnout, což je vhodné např. při ukládání hodnot na disk, kdy není vhodné přerušovat měření autokalibrací, popřípadě vyvolat autokalibraci povelem Ihned. - ekalibrace: překalibrování AD převodníku externím normálem (kalibrátor nebo zdroj napětí měřený přesným voltmetrem) 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. ozlišení při měření teploty je.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. 5. Chybová hlášení Přetečení rozsahu převodníku je indikováno znaky při kladném přetečení, eventuálně při záporném přetečení. Přetečení nastává při překročení rozsahu asi o 5 %. Pokud se při spouštění programu objeví zpráva "File not found", není v aktuálním adresáři soubor kad232.kal s kalibračními konstantami. Kompenzační krabice Omega CJ Přesnost kompenzace teploty srovnávacího spoje:.25 C při 25 C.5 C pro 15 až 35 C.75 C od 1 C do 5 C Napájení: lithiová baterie 3.6 V Poznámka: Po měření vypnout! 31