Преобразователь температура ток

Программируемый измерительный преобразователь температуры, постоянного тока и напряжения P30U

P30U преобразователь предназначен для преобразования температуры, сопротивления. стандартные сигналы напряжения и тока в стандартное напряжение постоянного тока или сигнал постоянного тока.

Выходной сигнал гальванически изолированы от входного сигнала и питания.

P30U имеет программируемые параметры измерения и различные вспомогательные функции. Программирование параметров может быть реализован о с помощью кнопок или RS-485 интерфейс и LPConfig программного обеспечения.

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

• Программируемые входы

ВХОДЫ, ВЫХОДЫ, ДИАПАЗОНЫ СИГНАЛОВ

Похожие темы

научной работы на тему "ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕЗ ОПОРНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ". Научная статья по специальности "Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук"

УДК 621.317.39+681.586.6+681.2.08

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕЗ ОПОРНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

М.Д. Белоусов, А.Л. Шестаков

Преобразователи температуры на базе термосопротивления (преобразователи термосопротивления) широко применяются для измерения температуры благодаря высокой точности измерения. Типичная схема термопреобразователя приведена в книгах [1,2]. Для измерения используется зависимость металлического сопротивления от температуры. Базовая схема измерения состоит из последовательно включенных источника опорного напряжения, резистора термосопротивления, подверженного действию измеряемой температуры и опорного сопротивления, значение которого известно заранее. В данной работе рассматривается преобразователь термосопротивлений с более простой схемой без опорного сопротивления и алгоритм обработки результатов измерений.

1. Схема измерения

Структурная схема типичного преобразователя температуры, собранного на современных электронных компонентах изображена на рис. 1. Здесь МК - микроконтроллер, ИН - источник напряжения, АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, Ron - опорное сопротивление, Rm] - термочувствительное сопротивление (находится в щупе), ЯрД -термочувствительное сопротивление 2 (находится в блоке электроники).

Рис. 1. Структурная схема преобразователя термосопротивления

ИН генерирует опорное напряжение U, которое вызывает ток i через контур ИН, Ron, R„u R^-Токи, протекающие через АЦП не учитываются, поскольку входное сопротивление АЦП на несколько порядков больше сопротивления резисторов в измеряемой цепи. В качестве Ron используется ВЫСОКОТОЧНЫЙ резистор, в качестве /<„I, Rr42 используются платиновые термосопротивления, R„i измеряет искомую температуру технологического процесса. Как показывает практика, невозможно не учитывать зависимость значений Ron от температуры самого Ron. Поэтому приходится либо отдельно термостабилизировать Ron, что и делается в прецизионных термопреобразователях, либо измерять температуру R0„ и учитывать ее в дальнейших расчетах. R^ измеряет температуру модуля электроники для корректировки показаний, вызванных ее изменением.

Зная напряжение URon на Ron, URT4h 1/Ктч2, можно найти R„u R^:

_ URon _ Rt4 1 _

-^оп ^гч1 ^гч2

а затем, используя индивидуальные или серийные коэффициенты калибровки, рассчитать искомые температуры.

Перед эксплуатацией электроника термопреобразователя нуждается в отдельной калибровке в зависимости от собственной температуры, что дополнительно удорожает стоимость изделия.

Целью данной работы является исследование предлагаемой более простой схемы реализации термопреобразователя и алгоритм обработки данных, позволяющих удешевить средство измерения без ухудшения базовых характеристик.

2. Предлагаемая реализация схемы измерения

2.1. Функциональная схема

преобразователя термосопротивления

Предлагаемый вариант структурной схемы преобразователя температуры приведен на рис. 2. В данном варианте в схеме отсутствует резистор Rom а резистор R^a помещен, так же, как и /<„i в щуп термометра. Температуры обоих термосопротивлений совпадают и равны измеряемой температуре. В такой схеме роль опорного сопротивления выполняет одно из термосопротивлений, а изменения «опорного» сопротивления от температуры уже учтены в калибровке. Очевидно, что характеристики зависимости сопротивления от температуры у обоих термосопротивлений должны быть отличны друг от друга.

2.2. Алгоритм обработки информации

В качестве функции, от которой зависит температура, предлагается взять отношение значений напряжений на термосопротивлениях:

где / - измеряемая температура, ДО - некоторая функция. Пренебрегая значениями входного тока АЦП, можно записать:

При этом Х(і) не является функцией тока /, протекающего через резисторы. Из выражения (3) следует, что для максимальной чувствительности термометра необходимо выполнение неравенства (4):

«хн 1 /&#39; ¿^тч2э (4)

где ¿-некоторая константа.

Рис. 2. Структурная схема преобразователя термосопротивления

Типичными параметрами платинового элемента согласно [3], [4] являются: для класса А: -200. +650 °С,

Д; = ±(0,15 °С + 0,002|ф, (5)

для класса В: -200. +850 °С

А? = ±(0,3 °С + 0,005|ф, (6)

где. - значение измеряемой температуры, °С; А? -значение допускаемой погрешности при температуре /, °С.

Рассмотрим варианты термозависимых элементов для выбора наиболее подходящей пары Температурные зависимости различных термосопротивлений из статьи [5] приведены на рис. 3.

Можно видеть, что максимально различный вид функции зависимости сопротивления от тем-

пературы от платины имеет термистор. Но термистор имеет гораздо меньший по сравнению с платиной температурный диапазон, это исключает его применение в поставленной задаче. Приведенные на рис. 3 зависимости показывают, что наиболее отличающиеся друг от друга характеристики имеют платина и никель. Поэтому именно они используются для решения данной задачи.

Характеристики для терморезисторов из платины и никеля, производства фирмы Advanced Thermal Products [3], приведены ниже.

Для платины в температурном диапазоне -200. +600 °С зависимость сопротивления от температуры определяется выражением:

Щ =RbQ. + At + Bt2 +a3(í-100)), í<0 °С;

= Rb( + At + Bt2), t>0 °С,

где Л = 3,9083-ИГ3 “С"1, В = -5,775-10

7 °С“2, = —4,183-10“12 °С-3.

£-100 0 100 200 300 400 500 600 700

Рис. 3. Зависимости сопротивления различных чувствительных элементов от температуры

Для никеля, в температурном диапазоне -100. +250 °С зависимость сопротивления от температуры определяется выражением:

Погрешности терморезисторов [4] для никеля: класс 1/2 DIN:

(±0,2+ 0,0140Ы, t<0°С;

[±0,2 + 0,0035 |í|, t >0 °С; класс DIN 43760:

[+0,8 + 0,028|í|, í<0°C;

[±0,8 + 0,007 |í|, í>0°C,

где t - значение измеряемой температуры, °C; At -значение допускаемой погрешности при температуре t, °С.

Вестник ЮУрГУ, № 3, 2008

Основой построения математической модели являются зависимости выражений (7), (8). Примем, что в дальнейшем к коэффициентам уравнения (7) добавляем индекс «п» (платина), а к коэффициентам уравнения (8) добавляем индекс «н» (никель).

Выражение (3), используя (7), (8), запишем в виде:

l + AHt + Bj2+Dji+Fnt6

1 + Ant + BJ2 - 100Cni3 + Cni4 &#39;

График функции ДО представлен на рис. 4.

температура, С

Рис. 4. Зависимость отношений сопротивлений никель/платина от температуры

Поскольку функции (7), (8) (в заданном диапазоне температур никелевого сопротивления -100. +250 °С определены, непрерывны, ограниченны и не равны нулю, то функция отношения этих полиномов X=ДО в заданном диапазоне температур также определена, непрерывна и ограничена. Согласно рис. 3 эта функция монотонна, следовательно (по теореме о существовании обратной функции) дляХв диапазоне 0,864-1,490 существует обратная функция / = Т(Х), которая определена во всем диапазоне X, определена, непрерывна, ограничена и монотонна.

Аналитического решения функции I = Т(Х), обратной к функции (12), не существует, но для решения прикладной задачи требуемое вычисление температуры в зависимости от параметра X достаточно представить в виде алгоритма для программирования.

Левую и правую части уравнения (12) умножим на знаменатель дроби и перенесем все в левую часть. После преобразований получим следующее уравнение:

Нормирующие преобразователи температуры фирмы «КонтрАвт»

Д.В. Громов, Главный инженер,

С.Л. Шашкин, Начальник Сектора технического маркетинга,

С.В. Клюев, Ведущий инженер

НПФ КонтрАвт

Роль и место нормирующих преобразователей в современных контрольно-измерительных и управляющих системах

В структуре как локальных, так и распределенных систем измерения, контроля и управления при всем их многообразии всегда присутствуют два обязательных базисных уровня:

Уровень 1: Технологический процесс. Объект автоматизации. Датчики и исполнительные устройства.

Уровень 2: Управление. Контроллеры. Регуляторы. Измерители. Наличие и состав других уровней в значительной степени зависит от масштаба и назначения систем. В рамках данной статьи эти уровни не рассматриваются.

Итак, базисом любой автоматизации является технологический процесс с его многообразием параметров. Собственно измерение технологических параметров и управление ими в соответствии с требованиями технологических регламентов является основной задачей автоматизации.

На первом уровн е находятся все первичные датчики и органы управления, необходимые для измерения и для изменения параметров. Состав датчиков и органов управления, их характеристики определяются, прежде всего, требованиями технологического процесса, поэтому для разных технологических процессов они неодинаковы.

На втором уровне находятся различные контрольно-измерительные приборы, регуляторы, программируемые контроллеры. Несмотря на разнообразие технологических процессов, технические средства на втором уровне в значительной степени унифицированы.

Таким образом, между первым и вторым уровнями происходит интенсивный обмен данными: измеренные данные о параметрах и состояниях процесса и оборудования передаются в одном направлении, а сигналы управления – в обратном. Обобщенно это именуется СБОРОМ и ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ о параметрах и состояниях процесса и технологических переменных. Самый простой подход к СБОРУ и ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ заключается в том, чтобы передавать сигналы непосредственно с датчиков на первом уровне к вторичным измерительным и управляющим приборам на втором уровне. Но такой подход часто оказывается не самым лучшим по целому ряду причин. Сформулируем обстоятельства, которые препятствуют применению такого подхода.;

Во-первых, как правило, большинство датчиков и исполнительных механизмов, расположенных на технологической установке, удалены на значительные расстояния от вторичных средств контроля и управления. Именно удаленность датчиков от вторичных приборов порождает ряд негативных факторов:

• в промышленных условиях длинные кабельные линии, как антенны, собирают «весь электромагнитный мусор», в результате электромагнитные помехи искажают слабый передаваемый сигнал;
• сами длинные кабельные линии вносят искажение в схему измерения первичным датчиком и в передаваемый сигнал, поскольку представляют собой дополнительные неконтролируемые распределенные сопротивления, емкости и индуктивности;
• удаленные датчики находятся под разными потенциалами даже в том случае, когда считаются заземленными, поэтому объединение сигналов от таких разнопотенциальных датчиков в одной измерительной системе имеет, как правило, негативные последствия;
• стоимость длинных кабельных линий может составлять значительную долю стоимости всей системы.

Во-вторых, разнообразие типов сигналов от первичных датчиков вступает в противоречие с принципом унификации сигналов на втором уровне средств измерения, контроля и управления. Унификация позволяет использовать более дешевые многоканальные системы измерения (многоканальные АЦП, которые, как правило, имеют только групповую гальваническую изоляцию), а также исключить дополнительную обра- ботку сигналов, которая требуется при работе непосредственно с первичными датчиками. Таким образом, унификация сигналов равнозначна простоте, дешевизне и эффективности решений на втором уровне.

Поэтому часто более предпочтительным решением является введение между первичным датчиком и вторичным прибором так называемого нормирующего преобразователя сигнала в унифицированные сигналы. Если говорить более широко, унифицированные сигналы применяются не только для связи с первичными датчиками, но и для связи между собой других устройств промышленной автоматики: регистраторов, регуляторов, контроллеров и исполнительных устройств. Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011-80. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивлений источников и приемников этих сигналов. И хотя в ряду унифицированных сигналов есть сигналы напряжения 0…1, 0…10 В и сигналы тока 0…5, 0…20, 4…20 мА, самым распространенным сигналом в современных системах является ток 4…20 мА.

Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:

• на передачу токовых сигналов не оказывает влияние сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов (а значит, и к стоимости) снижаются;
• токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
• обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
• токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя – минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.

Итак, занимая промежуточное положение между указанными ранее двумя базисными уровнями в структуре системы, нормирующие преобразователи сигналов:

• реализуют метод измерения электрического параметра с первичного датчика;
• усиливают слабые сигналы первичных датчиков;
• линеаризуют при необходимости нелинейные характеристики первичных датчиков;
• осуществляют термокомпенсацию, если первичный датчик подвержен сильному влиянию температуры, как, например, в случае с термопарами (компенсация влияния «холодных» спаев) и емкостными датчиками влажности;
• осуществляют преобразование в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА (или в иные унифицированные сигналы);
• ослабляют влияние электромагнитных помех;
• ослабляют погрешности, связанные с влиянием сопротивления соединительных линий и с влиянием нестабильности источника питания датчика;
• позволяют экономить финансовые ресурсы за счет снижения стоимости соединительных линий, а также за счет применения более дешевых многоканальных измерительных систем на втором уровне;
• позволяют унифицировать сигналы, используемые для передачи данных и обрабатываемые вторичными средствами измерения.

Представленный перечень задач нельзя считать полным. Приведем еще две задачи, которые не связаны с применением первичных датчиков, но также предполагают использование нормирующих преобразователей.

Несмотря на общее стремление к унификации сигналов на втором уровне, контрольно-измерительные и управляющие средства, а также исполнительные устройства могут использовать хоть и унифицированные, но разные сигналы. Например, регулятор имеет токовый выход 4..20 мА, а исполнительное устройство управляется сигналом 0…10 В. Или датчик уровня имеет выходной сигнал 0…5 мА, а регулятор воспринимает только 4…20 мА. Особенно ярко такое разнообразие унифицированных сигналов проявляется при использовании устаревшего оборудования. Таким образом, нормирующие преобразователи призваны еще преобразовывать одни унифицированные сигналы в другие.

До сих пор мы говорили о датчиках со слабыми сигналами. Но есть задачи, когда нужно измерять, напротив, большие сигналы, например, сетевое напряжение или ток нагрузки в силовых цепях. Здесь также применяются нормирующие преобразователи.

Приведенные соображения делают применение нормирующих преобразователей сигналов весьма привлекательным.

Основные характеристики нормирующих преобразователей

Перечислим характеристики и параметры, по которым следует оценивать и сравнивать между собой нормирующие преобразователи.

• основная погрешность преобразования

Погрешность на уровне 0,1 % является для современных нормирующих измерительных преобразователей стандартом де факто, хотя на рынке широко представлены преобразователи (особенно отечественного производства) с погрешностями 0,25 и 0,5 %.

• стабильность метрологических характеристик при изменении температуры эксплуатации, сопротивлений нагрузки, которая характеризуется соответствующими дополнительными погрешностями
• типы и диапазоны входных и выходных сигналов

Эти свойства диктуются прежде всего областью применения (назначением) преобразователя, сами же типы и диапазоны преобразования обычно стандартизированы.

• подавление помех с частотой 50 Гц общего и нормального вида, а также устойчивость к электромагнитным воздействиями (микро- и наносекундные импульсы, статическое электричество и проч.)

Этот параметр, который характеризует способность преобразователя работать в сложных промышленных условиях.

• наличие гальванической изоляции и напряжение гальванической изоляции

Гальваническая изоляция, с одной стороны, позволяет работать с датчиками, находящимися под разными потенциалами, а с другой, служит защитой измерительных систем от электромагнитных воздействий, вызванных разрядами молний, сваркой и проч.

• выполняемые функции (индикация, сигнализация, обнаружение аварийных ситуаций и проч.), возможность изменять функции пользователем путем программирования
• параметры электропитания и их влияние на точность преобразования
• конструктивное исполнение

В дополнение к указанным параметрам следует особо упомянуть исполнение преобразователей для применения во взрывоопасных условиях.

Конструктивные исполнения нормирующих преобразователей сигналов

Анализируя задачи, которые призваны решать нормирующие преобразователи, становится понятным, что нормирующие преобразова- тели желательно размещать как можно ближе к первичным датчикам. Идеальным можно считать решение, когда датчик и преобразователь размещены в едином конструктиве. Анализ современных датчиков показывает, что большинство производителей так и делают. Практически все датчики давления, веса, расхода, влажности, уровня, концентрации газа и т.п. имеют встроенный нормирующий преобразователь. Датчики температуры имеют встроенный преобразователь реже, но и в этом сегменте датчиков общая тенденция сохраняется. Во всех этих случаях нормирующий преобразователь реализует метод измерения первичного датчика, выполняет нелинейные преобразования, термокомпенсацию, усиление сигнала. В результате связь со вторым уровнем осуществляется уже унифицированным сигналом..

По-видимому, единственное ограничение, которое может препятствовать размещению преобразователя в едином конструктиве с датчиком, связано только особыми условиями эксплуатации, недопустимыми для электронных устройств. Прежде всего, это такие факторы как температура, химически активные среды, взрывоопасные среды, вибрация, рентгеновское излучение и проч.

Очень распространенным является конструктивное исполнение, рассчитанное на монтаж на стандартный DIN-рельс 35 мм. В этом случае преобразователь и первичный датчик разнесены, но расстояние между ними желательно сделать по-прежнему минимальным. Такое конструктивное решение позволяет, с одной стороны, размещать их за пределами зон с жесткими условиями эксплуатации, а с другой – располагать набор преобразователей в единой защитной оболочке.

Следует также упомянуть преобразователи, выполненные в виде модулей и рассчитанные на монтаж на коммуникационных платах.

Нормирующие преобразователи сигналов НПФ КонтрАвт

В настоящее время Научно-производственная фирма «КонтрАвт» выпускает следующие типы нормирующих преобразователей для работы с термопреобразователями сопротивления и термоэлектрическими преобразователями:

Для термопреобразователей сопротивления