5. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY

Transkript

1 . MĚŘENÍ TEPLOTY TEMOČLÁNKY Úkol měření Ověření funkce dvoudrátového převodníku XT pro měření teploty termoelektrickými články (termočlánky) a kompenzace studeného konce polovodičovým přechodem PN.. Ověřte nezávislost výstupu (regulovaného proudu) obvodu XT na napájecím napětí v rozsahu daném specifikací obvodu (.V až 4V). 2. Ověřte nezávislost výstupu (regulovaného proudu) obvodu XT 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 XT 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 XT po ohřátí na cílovou teplotu.. Zaznamenejte rovněž závislost odporového snímače KTY-8- 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 XT. 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"). opředně polarizovaný PN přechod má při normální teplotě úbytek (prahové napětí) asi.v a tato hodnota se snižuje asi o 2.mV/K. Pro kontrolu přesnosti této kompenzace lze hliníkový blok vyhřívat a jeho teplotu měřit vloženým teplotním senzorem. Obvod XT je umístěn v přípravku umožňujícím výměnu aplikačních odporů. Senzor KTY-8- je v podstatě odporový snímač tvořený N-dotovaným křemíkem (neobsahuje však žádný PN přechod). Chová se tedy podobně jako kovový teploměr (Pt), avšak s vyšší citlivostí (asi %/K), zároveň s omezením max. teploty do asi C. Postup měření voudrátový převodník XT... Prostudujte funkci obvodu XT a postup návrhu aplikačních odporů...2. Na předloženém regulovaném zdroji nastavujte napájecí napětí proudové smyčky a zaznamenejte výstupní signál (proud) obvodu XT. V rámci dovoleného rozsahu by měl být proud nezávislý na napájecím napětí...3. Na odporové dekádě postupně od nuly zvyšujte velikost odporu (typicky po Ohmech) a zaznamenejte jaký nejvyšší odpor ještě neovlivní výsledek. Hodnota se bude lišit podle napájecího napětí.

2 ..4. Při výchozí teplotě (oba konce termočlánku na pokojové teplotě) zaznamenejte napětí termočlánku (mělo by být µv) a výstupní proud XT. Zaznamenejte změnu napětí termočlánku a proudu XT 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 XT by měl zůstat (téměř) na původní hodnotě dané teplotou horkého spoje.... Nyní vložte horký spoj termočlánku do kalibrační pícky Omega a zahřejte ho na relativně vysokou teplotu např. C. Zjistěte jak se změní napětí termočlánku a jak se změní proud XT. 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 XT správně převádí rozsah teplot C- C na výstupní proud 4-2mA (standardní průmyslová proudová smyčka).... Spolu s termočlánkem ohřívejte rovněž senzor KTY-8- a zaznamenejte jeho převodní charakteristiku. Pozn.: u obou senzorů (TČ a KTY) se ujistěte, že jsou zasunuty až na dno vyhřívané kalibrační pícky. Převodník XT voudrátový převodník XT firmy Burr-Brown (USA) je určen k připojení na proudovou smyčku 4 až 2 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 T), termistorů a tenzometrických můstků. Obvod obsahuje přesný přístrojový zesilovač, napětím řízený zdroj proudu a dvojitou proudovou referenci. Blokové schéma obvodu je na obr..2. Proudová smyčka je napájena ze zdroje napětí U, obvod odebírá celkový proud I (4 až 2 ma). Výstupem je pak proud I (případně úbytek napětí U 2 na zatěžovacím odporu L ). Proud I je tvořen součtem proudů a) z proudových referencí 2 x ma, b) proudem U/I převodníku s rozsahem 2 až 8 ma, řízeného vstupním rozdílovým napětím u 2 u. Pro celkový výstupní proud platí vztah kde S je vnější zpětnovazební odpor. Pro napětí u, u 2 platí omezení V I u 4 4 ma +, + 2 u S u 2 u < + 4 V < u, u2 < u7 7 + ( u ) V 2

3 Proudové zdroje I ma lze využít k napájení odporových senzorů nebo k posunutí rozsahu převodníku. Obr..2 Blokové schéma obvodu XT Použití obvodu XT k měření teploty termočlánkem - příklad návrhu Požadovaný rozsah navrhovaného teploměru je (t min... t max ) (... C). K měření teploty t použijeme termočlánek typu K. Jeho citlivost (teplotní součinitel) α je v rozsahu teplot... C přibližně rovna α & 42 µv/k a) Kompenzace teploty srovnávacího spoje Teplota srovnávacího spoje t S [ C] se měří diodovým teploměrem (přechod BE bipolárního tranzistoru). Tato dioda je napájena proudovou referencí ma (výstup převodníku viz obr..3). Teplotní součinitel napětí diody je roven přibližně Pro celkové napětí na diodě platí vztah α T & 2, mv/k U &, V - 2, mv/k (2 C - ts ) 3

4 Obr..3 Kompenzace teploty srovnávacího spoje Ke správné funkci kompenzace je třeba tuto citlivost upravit odporovým děličem, (zanedbáváme nelinearitu termočlánku i proud tekoucí odporovým děličem) tak, aby platilo T + T Aby odpor děliče byl mnohem větší než odpor diody, volíme např. 2,2 kω. Pro odpor pak platí α. α α 3 2, ,. K & K α K 4 Ω 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 4 napájeného druhou proudovou referencí ma (výstup ). V našem případě platí t min C. Pro měřenou teplotu t C a teplotu srovnávacího spoje t S 2 C bude napětí termočlánku U T 2 α K µv µv a napětí diody U (2 C), V. Aby I 4 ma, musí platit, že U, a tedy U T U ( 2 C) + 4I 4 + 4

5 Obr..4 Nastavení počátku rozsahu Po dosazení vychází, , , Ω c) Návrh zpětnovazebního odporu S Velikost S (obr..) určíme z požadovaného rozsahu tak, aby I (t max ) 2 ma. Obr.. K návrhu zpětnovazebního odporu S

6 Pro t max C bude U α K ( tmax 2 C) U (2 C) + 4I 4 + 2,2 mv Pro požadovaný výstupní proud musí platit 2 ma 4 ma +, + 4 S.9,. 3 a z toho S 4, Ω d) Výpočet zatěžovacího odporu L Při zvoleném rozsahu teploměru... C bude proudová výstupní citlivost I 2 ma - 4 ma C - C 2,7 µ A/K Hodnotu L volíme s výhodou tak, aby výstupní napěťová citlivost např. mv/ C. Musí tedy platit U I L L L byla celé číslo, L C mv. Ω 37, Ω ma K Výstupní napěťový zdvih U L max U L min, V ovšem nevyužívá plně rozsah obvodu, čímž se zvyšuje celková chyba. Při zvýšení hodnoty L na desetinásobek (a tedy výstupní citlivosti 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 úbytek napětí spolehlivě vyšší než hodnota U 7-8 2,7 V požadovaná výrobcem pro správnou funkci obvodu.