Archiwum - SENSORY 5

Archiwum - SENSORY 5

Termopary
Statystycznie w automatyce przemyslowej  najczesciej mierzone sa temperatury . W typowych  instalacjach przemyslowych jako czujniki temperatury sa najczesciej  stosowane termopary i rezystancyjne czujniki ( glownie platynowe ale nie tylko ) okreslane angielskojezycznym skrotem RTD ( Resistance Temperature Detector, glownie platynowe PT100, PT500 i PT1000, liczba oznacza opornosc sensora w temperaturze 0C ).
Obie grupy sensorow maja swoje zalety i wady. Termopary maja mala czulosc, wymagaja kompensacji "zimnego konca" oraz w wiekszosci sa nieliniowe. Pokrywaja jednak wielki zakres temperatur i sa dosc tanie i szybkie. RTD sa prawie liniowe i latwo jest je dalej linearyzowac ale rowniez maja mala-srednia czulosc. Maja lepsza dokladnosc niz termopary.
Stosowane moga byc takze termistory oraz sensory polprzewodnikowe: diody, tranzystory i dedykowane uklady scalone. W tym wypadku jedynym problemem jest odpowiednia dla warunkow przemyslowych  obudowa do sensora i dopuszczalny zakres temperatury. Znane sa takze pirometry a w tym  laserowe.
Termistory maja duza czulosc ale sa nieliniowe i maja maly zakres mierzonych temperatur. Interface dla nich do mikrokontrollera z wbudowanym przetwornikiem A/D to jeden rezystor. Scalone sensory maja duza czulosc, sa liniowe i wygodne aplikacyjnie ale maja niestety maly zakres temperatur roboczych. 

Popularne sa termopary bazujace na stopach niklu:
Typ K – NiCr-NiAl.  Zakres temperatur od –200 do +1200 C. Prawie liniowa a czułosc wynosi 40-41µV/°C. Najpopularniejsza.
Typ J oraz L – Fe-CuNi.  Zakres mierzonych temperatur –40 °C do +750 C. Czułosc wynosi 55µV/°C.
Typ E – NiCr-CuNi.  Zakres  temperatur  od –200 do +900 Wysoka czułosc 68µV/C .
Typ N – NiCrSi-NiSi. Zakres temperatury w powietrzu do +1200 C. Czułosc wynosi 39µV/°C.
Typ T – Cu-CuNi . Zakres temperatur od –200 °C do +350 C. Czułosc 30µV/°C.

Wysokotemperaturowe termopary platynowo - rodowe maja mala czulosc rzedu 10 µV/C
Typ B  (Pt/Rh 70%/30% – Pt/Rh 94%/6%)  Zakres 50-1800 C.
Typ R  (Pt/Rh 87%/13% – Pt) Zakres do 1600 C.
Typ S  (Pt/Rh 90%/10% – Pt) Zakres do 1600 C.

Superwysokotemperaturowe termopary wolframowo - renowe ( typy C,D,G ) uzywane sa do temperatur az 2300C a chwilowo 2760C. 
Sa tez jednorazowego uzytku wysokotemperaturowe termopary z izolacja tlenkowo - ceramiczna na drutach do zanurzania w plynnym metalu czy innym medium.
Do pomiaru wysokich temperatur w piecach, reaktorach i metalurgi termopary sa niezastapione.
Spotyka sie tez inne niestypizowane miedzynarodowo termopary.
Kolory izolacji drutow termopar przypisane sa roznymi normami (!) do typu termopary moga byc mylace.
O ile sama termopara jest niedroga to wlasciwie obudowana ma juz istotna cene.

Termopara mimo iz generuje male napiecie jest zrodlem istotnej mocy poniewaz jej opornosc wewnetrzna jest mala. W domowych piecykach gazowych termopara w systemie bezpiecznstwa umieszczona w plomieniu dyzurnej "swieczki" daje prad ca 200-300mA przy napieciu ca 12mV wystarczajace do podtrzymania zasilania cewki czulego elektrozaworu gazu do glownego palnika.  Moc jest natomiast oczywiscie wielokrotnie za  mala do uruchomienia elektrozaworu gazu. Gdy zgasnie swieczka to zawor gazu zostanie po czasie zamkniety i gaz nie zostanie podany do glownego palnika. Podanie gazu przy zgaszonej swieczce jest zabronione i moze prowadzic do eksplozji !

Im dluzsze i ciensze sa druty termopary tym wieksza jest jej opornosc wewnetrzna. Poniewaz opornosc jest mala to dla zaklocen o czestotliwosci sieciowej 50Hz bardziej istotne jest zaklocajace pole magnetyczne a nie elektryczne.

Wzmacniacz - kondycjoner sygnalu z termopary musi miec:
- Bardzo maly napieciowy dryft temperaturowy z uwagi na maly sygnal z termopary
- Linearyzacje dla niektorych termopar lub linearyzacje programowa.
- Kompensacje temperatury zimnego konca.
- Monitoring stanu termopary Maly prad monitorujacy ( rzedu 1 uA ) powoduje przy przerwie w obwodzie termopary  falszywa detekcje najwiekszej lub najmniejszej temperatury, zaleznie od biegunowosci pradu monitorujacego. Obiekt regulacji nawet bez dodatkowej funkcjonalnosci a takze alarmu i monitoringu pozostanie nieuszkodzony ale wymagania kontrolowanego procesu sa porzucone. W systemach izolowanych kontrolowany jest tez stan izolacji ( jest to osobny temat ). W przypadku interface wielowejsciowego informacja jest nieselektywna i operator musi zbadac ktora termopara ma uszkodzona izolacje.

W obwodzie skladajacym sie z dwoch antyszeregowo polaczonych identycznych  termopar powstaje napiecie elektryczne wedlug  wzoru
U = ( Sb - Sa ) x ( T2 -  T1 ) , gdzie Sa i Sb to wspolczynniki Seebecka dla danych metali.
Jedna termopara moze sluzyc do wlasciwego pomiaru a druga jest termpara temperatury odniesienia. Temperature termopary odniesienie mozemy fizycznie stabilizowac ( cold end czyli zimny koniec czyli woda z lodem o temperaturze 0C ) lub ja mierzyc aby dodac do wyniku pomiaru.
Niemniej terompara odniesienia nie jest w ogole potrzebna.

Rysunek pochodzi z Application Note 225 "IC Temperature Sensor Provides Thermocouple Cold-Junction Compensation", National Semiconductor
Rzecz sie objasnia gdy pamietamy ze powstajace napiecie termoelektryczne jest proporcjonalne do roznicy wspolczynnikow  Seebecka dla poszczegolnych metali. Sensor temperatury odniesienia w przypadku uzycia termopary odniesienia mierzy jej temperature a gdy jej nie ma to mierzy sie temperature przylacza roznych (!) metali  drutow termopary do "miedzi" Cu systemu elektronicznego.
Temperature odniesienia mierzy sie sensorem: termistorem, dioda, tranzystorem lub roznicowa para tranzystorow lub dedykowanym ukladem scalonym jak LM335 na rysunku.

Jesli sensorem temperatury odniesienia jest dioda o wspolczynniku temperaturowym ca -2mV/C to chcac uzyskac sygnal o takim wspolczynniku temperaturowym jak termopara trzeba jej sygnal podzielic dzielnikiem rezystorowym i odjac od niego napiecie offsetu. Sygnal ten mozna podac do termopary lub termopar od strony drutu "GND" lub do wejscia ujemnego indywidualnego kanalu wzmacniacza.
Gdy termopara ma ta sama temperature jak otoczenie i  zlacze odniesienia to system ma pokazywac ta temperature. Sprawdzenie wiec systemu w spoczynku jest proste.

Napiecie niezrowowazenia roznicowej pary tranzystorow bipolarnych jest proporcjonalne do ich temperatury i wynosi
Vos= (kt/q) x ln (Ic1/Ic2) , gdzie Ic1 i Ic2 to prady kolektorow tranzystorow pary.  Napiecie jest proporcjonalne do temperatury w skali Kelvina i chcac przejsc na skale Celsjusza trzeba odjac offset odpowiadajacy temperaturze 273K.
We wzmacniaczach operacyjnych niezrownowazenie i bedacy pochodna tego dryft temperaturowy jest wysoce nieporzadane. Niemniej mozna sobie wyobrazic intencjonalne spowodowane wyznaczone dokladne niezrownowazenie  na przyklad dla termopary K dajace dryft  K 40uV/K, wynoszace dla temperatury 0C, 40uV/K*273K= 10.92mV czemu odpowieda stosunek pradow kolektorow tranzystorow pary roznicowej 0.637 raza.

Rysunek pochodzi z Application Note 222 "Super Matched Bipolar Transistor Pair Sets New Standards for Drift and Noise", National Semiconductor.
Mankamenterm scalonego rozwiazania wzmacniacza z pomiarem temperatury uzywajacego tej idei byloby dopasowanie tylko do konkretnego typu termopary i koniecznosc radykalnego ograniczenia mocy strat i samopodgrzewania wzmacniacza.  Napiecie niezrownowazenia mogloby byc programowane zewnetrznym rezystorem a poniewaz wzmacniacz moze byc dosc wolny moglby pobierac znikoma moc. 
Oczywiscie uklad musi byc umieszczony w miejscu gdzie nastepuje polaczenie materialu drutow termopar z "miedzia" systemu.
Super trnzystory LM194 sa niedostepne. Pary tranzystorow w krajowych ukladach scalonych  LM1111 i LM1101 maja dryft temperaturowy napiecia niezrownowazenia okolo 1uV/C ( po zrownowazeniu jeszcze spada ) i rowniez sa uzyteczne.

Na wykresie pokazano blad nieliniowosci termopar typu E, J, K i T. W bledzie dla termopary T dominuje czynnik  kwadratowy w tym zakresie temperatur. Sa dostepne dla termopar wielomiany linearyzacyjne ale w praktyce programowa linearyzacje przeprowadza sie metoda liniowo-odcinkowa poniewaz procesory wykonuja mnozenie niewydajnie.  Nieliniowosc mozna takze skorygowac prostym ukladem analogowym metoda liniowo-odcinkowa z rezystorami i diodami oraz wzmacniaczem operacyjnym

Jesli termopara jest umieszczona na przyklad w piecu lukowym czy w wannie elektrolitycznej  ( 200 wanien jest polaczone szeregowo i zasilone napieciem 800Vdc ) to podsystem dla niej musi byc bezwzglednie izolowany !  Generalnie wejscia izolowane sa drogie.  Temat izolacji omowiono w innym miejscu.

Do wzmacniacza termopary mozna stosowac wiekowy juz uklad LM725 / MAA725 ( z 1968 roku, ewoluowal on do wspolczesnego ukladu OP07 )  ktory o zrownowazonym zewnetrznie niezrownowazeniu ma dryft rzedu 0.5uV/C Jesli jest zasilany nieduzym napieciem celem ograniczenia szkodliwej  traconej we wzmacniaczu mocy to jego dryft jest bardzo maly.  Pobor mocy ukladu LM725 rosnie z kwadratem napiecia zasilania. Po wlaczeniu zasilania termperatura ukladu  ustala sie ze stala czasowa  1 minuty. Plyniecie wyniku pomiaru po wlaczeniu zasilania pozwala ocenic stabilnosc systemu.  Przy zasilaniu +/-15V uklad pobiera az 80mW mocy i podgrzewa sie o ca 18C. Ruch powietrza powoduje zmiany temperatury ukladu. Przy zasilaniu +/-5V LM725 pobiera mniej  niz 10mW mocy.
Zakres napiec wyjsciowych OPA przy malym napieciu zasilania jest maly i trzeba czasem sygnal dalej wzmocnic.

Mozna stosowac na wejsciu wzmacniacza osmiowejsciowy multiplexer/y CMOS CD4051 do osmiu lub wiecej termopar.  Z uwagi na zjawisko aliasingu jesli wzmacniacz nie jest jednoczesnie filtrem to sygnal z termopar musi byc bardzo "czysty" a wzmacniacz niskoszumny. Gdy w "wolnym" systemie wzmacniacz jest jednoczesnie filtrem przeciwzakloceniowym to czas ustalania napiecia wyjsciowego po przelaczeniu wejscia moze byc wzglednie duzy. Natychmiast po pomiarze kanalu n multiplexer przelaczamy na kanal n+1 i pomiar wykonujemy po czasie ustalenia wzmacniacza . System dziala z przeplotem. W miedzyczasie przetwonik A/D systemu moze byc angazowany do grupy innych sensorow niz termopary. Sygnal mozna tez filtrowac programowo.
Jesli do jednego  z wejsc systemu termopar podamy zerowy sygnal  odniesienia to mozna przeprowadzic programowa operacje Auto-Zero. Program jest jednak niebanalny z uwagi na szumy z kanalu odniesienia i koniecznosc ich filtracji.
Znakomicie zaklocenia tlumia podwojnie calkiujace przetworniki A/D.  Uklad ICL7109 musi byc jednak niestety poprzedzony wzmacniaczem w przypadku termopar.

Schematy ukladow do termopar omowiono w konkretnych urzadzeniach i nie ma potrzeby powtarzania informacji..