ok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2014 16 2 Simulátor termoelektrického článku typu K A simulator of thermocouple type K Sang Van Doan, Přemysl Janů {sangvan.doan, premysl.janu}@unob.cz Fakulta vojenských technologií Univerzity obrany v Brně Abstrakt: Článek prezentuje technologický návrh, zhotovení a ověření simulátoru termoelektrického článku typu K pro kalibraci měřícího systému vysokých teplot. Generování napětí úměrného teplotě je prováděno číslicově-analogovým převod níkem řízeným jednočipovým mikroprocesorem a následně sníženo na požadovanou hodnotu. Ověření správné funkce navrženého simulátoru představuje průběh relativní a absolutní chyby v požadovaném měřícím rozsahu. Abstract: The paper presents technological design, production and verifying of the thermocouple simulator type K for a measurement system of high temperatures calibration. Voltage generation proportional to a temperature is performed by digital-analogue converter controlled by microcontroller and subsequently reduced to required value. Correct function verification of the proposed simulator represents curve of relative and absolute error in a required measuring range.
VOL.16, NO.2, APIL 2014 Simulátor termoelektrického článku typu K Sang Van Doan, Přemysl Janů Fakulta vojenských technologií Univerzity obrany v Brně Email: {sangvan.doan, premysl.janu}@unob.cz Abstrakt Článek prezentuje technologický návrh, zhotovení a ověření simulátoru termoelektrického článku typu K pro kalibraci měřícího systému vysokých teplot. Generování napětí úměrného teplotě je prováděno číslicově-analogovým převodníkem řízeným jednočipovým mikroprocesorem a následně sníženo na požadovanou hodnotu. Ověření správné funkce navrženého simulátoru představuje průběh relativní a absolutní chyby v požadovaném měřícím rozsahu. 1 Úvod Termoelektrické články jsou nejpoužívanější senzory pro měření vysokých teplot v rozsahu např. - 270 C až 1372 C pro typ K [1],[3], [4]. Pro kalibraci systémů měření vysokých teplot s termočlánky je potřeba použít referenční zařízení. Pro tento účel může sloužit simulátor termočlánku. Technologický návrh, zhotovení a ověření správné funkce možného provedení takového simulátoru představuje tento příspěvek. Termoelektrický článek v závislosti na teplotě vytváří velice nízká napětí (řádově desítky mikrovoltů) [1], [2], [3]. Úkolem tedy bylo vytvořit generátor, který je schopen na výstupu poskytovat takováto napětí simulující chování skutečného termočlánku se zobrazením nastavovaných teplot na LCD. Generování napětí je řízeno jednočipovým mikroprocesorem a nastavování výstupního napětí odpovídajícího teplotě je zajišťováno šesti tlačítky. Výstupní napětí z digitálně analogového převodníku je následně sníženo vhodným zapojením pomocí operačního zesilovače, což tvoří analogovou část vytvořeného simulátoru. Eliminace chyb se provádí modifikací obslužného programu v jednočipovém mikroprocesoru. 2 Návrh modulu simulátoru termočlánku typu K Základním požadavkem navrhovaného simulátoru termočlánku bylo tedy generovat nízké napětí odpovídající teplotě a její okamžité zobrazování na LCD. Koncepci modulu reprezentuje obrázek 1. Modul simulátoru termočlánku lze rozdělit do pěti bloků. Prvním blokem je řídící mikroprocesor. Zde je použit mikroprocesor ATMEGA8 od výrobce ATMEL [5]. Tento mikroprocesor disponuje dostatečnými funkcemi a počtem vstupněvýstupních portů pro požadovaný návrh modulu simulátoru termočlánku. Druhou částí je blok sedmi tlačítek, z nichž je jedno tlačítko použité pro reset mikroprocesoru a zbylých šest tlačítek zajišťuje změnu výstupního napětí a zobrazení příslušných hodnot teploty na LCD. Z šesti ovládacích tlačítek první dvě tlačítka jsou použita pro postupné zvyšování a snižování výstupního napětí a zobrazení odpovídající teploty po jednotkách stupňů Celsia, druhý pár tlačítek pro postupné zvyšování a snižování po desítkách stupňů Celsia a třetí pár je pro postupné zvyšování a snižování po stovkách stupňů Celsia. Třetím blokem je LCD displej, který umožňuje zobrazit hodnoty nastavované teploty a komunikuje s mikroprocesorem v 4bitovém módu. Blok D/A převodník konvertuje digitální data na analogové napětí a je řízen mikroprocesorem pomocí sériové sběrnice SPI. Poslední a velice důležitou částí je analogový blok. Tento blok slouží k příslušnému snížení hodnot napětí na výstupu D/A převodníku, na hodnoty korespondující standardu výstupu z termočlánku typu K [4]. Pro návrh zdrojové části tohoto modulu byly vybrány dva způsoby: napájení baterií nebo akumulátorem 9 V nebo vnějším napájecím zdrojem v širokém rozsahu napětí 6 V až 36 V. Mikroprocesor, ostatní obvody a součástky pracují s napětím 5 V. Byly tedy použity dva DC/DC měniče [6]. Jeden DC/DC měnič umožňuje konvertovat vstupní napětí v rozsahu 6 V 36 V na výstupní napětí 5 V. Tento měnič slouží k napájení mikroprocesoru ATMEGA8 a D/A převodníku. Druhý DC/DC měnič poskytuje stabilní referenční napětí, a tedy konvertuje vstupní napětí 4,5 V 5,5 V na pevné výstupní napětí 5V. Pro vytvoření symetrického napájení operačního zesilovače, tedy záporné části napájecího napětí, byl použit invertor napájecího napětí ICL7660 [7]. Blokové schéma pro zdroj napájecího a referenčního napětí je znázorněno na obrázku 2. Obrázek 2: Blokové schéma pro zdroj napájecího a referenčního napětí Obrázek: 1 Blokové schéma simulátoru termočlánku Pro zobrazení hodnoty teplot byl zvolen LCD s 2 řádky a 8 znaky na řádek. LCD komunikuje s řídícím mikroprocesorem v 4bitovém módu se dvěma řídícími linkami. Na LCD jsou zobrazovány hodnoty teplot odpovídající napěťovým úrovním 82
VOL.16, NO.2, APIL 2014 na výstupu modulu. Pro nastavení kontrastu na LCD byl použit odporový trimr o hodnotě 1 kω. Spojení LCD s řídícím mikroprocesorem ukazuje obrázek 3. Obrázek 5: Schéma zapojení pro snížení výstupního napětí a zajištění záporných napěťových hodnot Obrázek 3: Schéma propojení LCD s mikroprocesorem AT- MEGA8 D/A převodník, který je použit v modulu simulátoru termočlánku, je 16-bitový DAC8830 od výrobce Texas Instruments [8]. Mikroprocesor ATMEGA8 komunikuje s D/A převodníkem pomocí sériové sběrnice SPI, kde mikroprocesor ATMEGA8 představuje master a D/A převodník slave. Zapojení D/A převodníku k mikroprocesoru ATMEGA8 je znázorněno na obrázku 4. Obrázek 4: Zapojení D/A převodníku k mikroprocesoru AT- MEGA8 přes rozhraní SPI D/A převodník DAC8830 pracuje s 16-bitovým převodem z digitální do analogové hodnoty. Cílem bylo generovat napětí, které odpovídá teplotě s krokem 1 C. Podle tabulky standardu [4] pro závislost napětí termočlánku na teplotě (termočlánek typu K) na 1 C připadá napětí 40 µv v rozsahu kladných teplot. V rozsahu záporných teplot dochází k poměrně velkým nelinearitám. Z těchto důvodů byla celá charakteristika generována v kladných hodnotách a následně byl navržen dělič a současně posunuto výstupní napětí do záporných hodnot o 6,458 mv (tj. hodnota napětí odpovídajícího teplotě -270 C). Pro zajištění této operace byl použit operační zesilovač OP07 [9]. Operační zesilovač OP07 má ultra nízký šum a nízký napěťový offset. Schéma zapojení této části je znázorněno na obrázku 5. Pro výběr hodnot odporů použitých rezistorů jsou použity vztahy (1) a (2). D V = OUTA VEFG (1) 16 2 11 9 9 V0 UT = VOUTA 1 VEF 11 + 10 (2) + 8 8 kde G je výstupní zisk D/A převodníku. V tomto případě byl zvolen G = 1. D je číslo vysílané z mikroprocesoru do D/A převodníku v intervalu 0-216. Pro D = 0, výstupní napětí D/A převodníku je 0 V. Pro D = 216, výstupní napětí je 5 V. Pro D = 0 VOUT = - 6,458 mv odpovídá teplotě T = -270 C VOUTA = 0V. V 9 9 6,458. 10 EF = 6, 458mV = Takže 8 8 VEF 9 6,458.10 = = 1,29.10 Dáme VEF = 5V 8 5 nebo 8 774x9. Pro D = 216 je dáno VOUT = 54,886 mv, které odpovídá teplotě T = 1372 C VOUTA = 5V. Dosazením do vztahu (2) se získá 11 1 54,886.10 = 5 1 + 6,458.10 11 + 10 774 10 81x 11. Z dosažených poměrů odporu 8 k odporu 9 a odporu 10 k odporu 11 lze vybrat vhodné hodnoty. ezistory, které byly vybrány pro realizaci modulu termočlánkového simulátoru, mají hodnoty odporu 8 = 680 kω, 9 = 1 kω, 10 = 68 kω a 11 = 1 kω. Termočlánkový simulátor může generovat 1642 hodnot napětí odpovídajících jednotlivým teplotám. Po výběru všech příslušných součástek byla navržena deska samotného modulu a deska pro ovládací část s tlačítky v programu AES. 3D vizualizaci navržených desek plošných spojů reprezentuje obrázek 6. 83
VOL.16, NO.2, APIL 2014 pro ověření správné funkce zhotoveného modulu simulátoru termočlánku je znázorněno na obrázku 8. Jako etalon pro měření výstupního napětí byl použit přesný DC milivoltmetr. Obrázek 8: Blokové schéma pro ověření a měření parametrů vytvořeného simulátoru termočlánku Obrázek 6: 3D vizualizace modulu simulátoru termočlánku a tlačítek Průběhy vyjadřující závislosti relativních chyb simulátoru na požadované teplotě v příslušných rozsazích jsou znázorněny na obrázku 9 a 10. 3 Program pro řízení modulu Hlavní funkcí tohoto programu je řízení D/A převodníku pro generování napětí odpovídající teplotě po sériové sběrnici SPI. V paměti mikrokontroléru jsou uloženy uspořádané dvojice [požadovaná teplota, číslo] pro celý rozsah teplot -270 1372 C s krokem 1 C. Pak podle hodnoty zadané teploty se vybere odpovídající číslo, které se odešle do D/A převodníku a generuje se příslušná napěťová hodnota, která je dále analogově zpracována. 4 Ověření správné činnosti modulu Obrázek 9: Závislost relativní chyby simulátoru na požadované teplotě v rozsahu -270 1372 C Pro ověření programu byla použita simulační aplikace Proteus. Na obrázku 7 je znázorněno simulační schéma navrhovaného modulu v aplikaci Proteus. Obrázek 10: Závislost relativní chyby simulátoru na požadované teplotě v rozsahu 0 1372 C Obrázek 7: Schéma zapojení modulu simulátoru termočlánku v simulační aplikaci Proteus Po provedení simulace správné činnosti řídícího programu a osazení navržených desek plošných spojů byla ověřena funkce celého modulu. Jako indikátor správné činnosti byla zvolena závislost relativní chyby na požadované hodnotě teploty. Byla vyhodnocena relativní chyba nejdříve v celém rozsahu teplot, které termočlánek typu K umožňuje měřit (-270 1372 C). Jelikož se termočlánky v převážné většině používají pro teploty kladných hodnot, byla také vyhodnocena relativní chyba pouze v rozsahu 0 1372 C. Blokové schéma V laboratorních podmínkách, ve kterých byl simulátor termočlánku typu K ověřován, se jevil nejpřesnější v oblasti od 450-1000 C, což lze vidět na výše uvedených grafech. V této oblasti dosahoval relativní chyby výrazně menší než 1 %. Jelikož se předpokládá aplikace termočlánku typu K pro měření teploty výstupních plynů proudových motorů, kde se běžně pohybují provozní teploty kolem 650 C, tak tento simulátor pro ověřování systémů vyhodnocování této teploty vyhovuje. V rozsahu ověřovaných teplot 0 450 C dosahoval navržený simulátor maximální relativní chyby 2 %. V rozsahu vyšších teplot od 1000 1372 C, což je maximální hodnota, kterou tento typ termočlánku umožňuje technologicky měřit, dosahoval navržený simulátor maximální relativní chyby téměř 3,5 %. Vůbec největší chyby dosahoval v rozsahu záporných teplot. Tato chyba je téměř konstantní v rozsahu od -270 0 C a to 8 %. Pro tuto oblast teplot ale termočlánek není určený. 84
VOL.16, NO.2, APIL 2014 Zhotovený modul se zobrazovací jednotkou a ovládací skupinou tlačítek reprezentuje obrázek 11. Obrázek 11: Fotografie zhotoveného modulu simulátoru termočlánku 5 Závěr Článek představuje analýzu návrhu simulátoru termoelektrického článku typu K, dále přesný popis tohoto návrhu a realizace na desce plošných spojů. V popisu návrhu jsou také provedeny důležité výpočty pro volbu nejvhodnějších elektronických součástek ke zhotovení plošného spoje. Nejvýznamnější částí příspěvku je ověření správné funkce tohoto termočlánkového simulátoru a prezentace výsledků ověření prostřednictvím závislosti relativních chyb simulátoru na požadované teplotě. Simulátor termočlánku byl ověřován v celém rozsahu teplot, které termočlánek typu K umožňuje měřit. Je to teplotní rozsah od -270 C do 1372 C. V rozsahu záporných teplot dosahoval simulátor docela velkých relativních chyb. Maximální relativní chyba byla 8 %. Termočlánek typu K se příliš nepoužívá pro aplikace v systémech, které umožňují měřit záporné teploty, čili tato poměrně velká relativní chyba není kritická. Nejpříznivější přesnosti dosahoval simulátor v rozsahu teplot 450 1000 C, kdy maximální relativní chyba nabývala hodnot výrazně nižších, než 1 %. Předpokládá se, že tento simulátor termočlánku může být využit pro kalibraci měřícího systému teploty výstupních plynů leteckých proudových motorů, kdy se teplota pohybuje přesně v tomto rozsahu. Z tohoto důvodu se zhotovený simulátor termočlánku jeví jako vhodný pro tuto aplikaci. Pro menší kladné teploty v rozsahu od 0 C do 450 C vykazoval také docela slušnou přesnost. elativní chyba nepřesahovala 2 %. Poměrně významnou části práce bylo také programování mikroprocesoru a výpočet hodnot odporů pro snížení výstupního napětí v analogovém bloku. Hodnoty napětí odpovídající nastavovaným teplotám, byly uloženy v paměti mikrokontroléru v podobě čísel. Podle vybrané hodnoty teploty se dané číslo vysílalo na digitálně-analogový převodník prostřednictvím sériové sběrnice SPI a potom jeho výstupní analogová hodnota se dále zpracovávala na odpovídající úroveň. Hodnoty uložené v paměti mikrokontroléru se několikrát upravovaly, až docílily co nejlepších hodnot. Docílené optimální hodnoty jsou prezentovány průběhy relativních chyb simulátoru. Pro zkrácení doby optimalizace by bylo cílem další práce navrhnout automatizační algoritmus optimalizace hodnot relativních chyb. Pro snížení relativních chyb se dále nabízí modifikace analogové části pomocí regulovatelných součástek (rezistorů) v obvodu operačního zesilovače. Předpoklad je použití číslicových potenciometrů, které by byly opět řízeny použitým jednočipovým mikroprocesorem. Tento modul termočlánkového simulátoru může být také ještě rozšířen pro kalibraci více typů termočlánků (např. typ N, E, atd.). Šest ovládacích tlačítek může být nahrazeno klávesnicí pro univerzální použití s mnohem více funkčními režimy. Z hlediska realizace uvedeného simulátoru lze říci, že je navržen za použití poměrně moderní součástkové základny, ale pro budoucí práci je možné provést analýzu trhu a modifikovat modul podle aktuálně nejnovějších součástek. Dedikace Článek byl vytvořen s podporou Projektu pro rozvoj organizace PO K207 Univerzity obrany, Brno. Literatura [1] KEIDL, Marcel. Měření teploty: senzory a měřicí obvody. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2005, 239 s. Senzory neelektrických veličin. ISBN 80-730-0145-4. [2] NEMUT, Martin. Termočlánkový simulátor: Thermocouple simulator. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 1 elektronický optický disk [CD-OM / DVD]. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně. Vedoucí práce Ing. Stanislav Klusáček. [3] Termická analýza - teorie. [online]. [cit. 2013-05-03]. Dostupné z: http://www.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/labor/fm_te rmicka_analyza/teorie.htm [4] Thermocouple Database [online]. [cit. 2013-05-03]. Dostupné z: http://srdata.nist.gov/its90/main/ [5] ATMEL. 8-bit with 8K Bytes In-System Programmable Flash Atmega8. [6] TACO POWE. DC/DC Convertors TS 1 Seires, 1A. [7] MAXIM. Switched-Capacitor Voltage Converters ICL7660. [8] TEXAS INSTUMENTS. 16-Bit, Ultra-Low Power, Voltage-Output Digital-to-Analog Converters DAC8830-EP. 2007. [9] ANALOG DEVICES. Ultralow offset voltage operational amplifier OP07. 85