Rtd датчик температуры

Прецизионный интерфейс для резистивного температурного датчика (РТД)

National Semiconductor - одна из ведущих компаний по производству инновационных аналоговых приборов, в частности, операционных усилителей. Среди их широкого спектра можно выделить прецизионные операционные усилители, пример применения которых мы рассмотрим ниже.

Резистивные температурные детекторы - это температурные датчики, основанные на температурной зависимости сопротивления металла. Такие детекторы широко используются в измерениях температуры и в контрольно-измерительной аппаратуре. В их основе лежит использование легко доступного 100-омного платинового РТД (ПРТД). Функция зависимости сопротивления ПРТД от температуры для температур выше 0°С, имеет вид:

R_RTD = (100 + 0.39083T - 0.00005775T2) W

T - температура

В данной статье рассматривается электрическая схема, которая минимизирует ошибку (погрешность), вносимую элементами преобразования сигнала (см. схему рис. 1).

Выбор компонентов

Прецизионный усилитель LMP2011 - усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и почти нулевым напряжением смещения. LM4140A-2.500 - источник опорного напряжения с погрешностью мене чем 0,05 % и температурным дрейфом менее чем 10 PPM/°C. С помощью данных компонентов и нескольких прецизионных резисторов изготавливается очень точный и стабильный термометр.

Схема на рис.1 показывает преимущество четырехпроводного ПРТД, который является наиболее выгодным по точности. Четырехпроводный ПРТД обеспечивает кельвиновское соединение силовых и сенсорных выводов. Два провода (W1 и W4 на рис. 1) - силовые выводы, которые подсоединяют к детектору источник постоянного тока. Два других вывода (W2 и W3) - сенсорные выводы, подводящие напряжение от РТД к усилителю. Такое расположение отделяет источник постоянного тока, питающий РТД, от измерительной цепи. Падение напряжения на выводах W1 и W4 исключается из измерения напряжения на РТД.

Приведем пример погрешности, вносимой подводимыми проводами. Если для соединения прибора с резистивным элементом используется 10-ти футовый медный провод 24 сортамента, тогда сопротивление провода равно 2 x 10 ft x 0.0257 W /ft = 0.514 W. Изменение сопротивления РТД на 0°C составляет 0.39 W /°C и подводимый провод вносит ошибку равную 0.514 W /0.39 W /°C = 1.31°C. При увеличении температуры возрастает и ошибка. Например, изменение сопротивления ПРДТ на 400°C равно 0.35 W /°C и подводимый провод дает погрешность в 0.514 W /0.35 W /°C = 1.46°C.

Варианты питания РТД

Схемы, изображенные на рисунках 2 и 3 показывают два варианта питания ПРТД. Схема на рис. 2 состоит из источника постоянного напряжения и последовательно соединенного резистора для установки определенного тока, через РТД, при определенной температуре. В этом примере ток установлен в 1 мА при 0°C (2.5В/(100 W + 2400 W ) = 0.001 A). Этим исключается сопротивление выводов W1 и W4. Напряжение на сенсорных выводах W2 и W3 в этом случае равно V_PRTD = VR x ((R_PRTD + 2400 W )/R_PRTD ).

Схема на рисунке 3 использует источник постоянного тока. До тех пор пока сумма падений напряжений на выводах, ПРТД и резисторе R8 не превысит максимальный размах напряжения усилителя А1, через ПРТД будет течь ток в 1 мА. Падение напряжения на сенсорных выводах W2 и W3 равно V_PRTD = 0.001 x R_PRTD .

Рисунок 4 показывает разницу результатов этих двух методов. Кривая 1 - напряжение V_PRTD при использовании источника постоянного тока, кривая 2 - напряжение V_PRTD при использовании источника постоянного напряжения. Как видно схема питания от источника постоянного напряжения вносит дополнительную нелинейность из-за делителя напряжения.

Питание от источника постоянного тока

Источник постоянного тока состоит из прецизионного усилителя LMP2011, резистора R8, источника опорного напряжения 2.5V LM4140. Значение постоянного тока вычисляется по формуле: I_RTD = V_REF /R8. Для значений используемых в схеме рис.1, I_RTD = 2.5В/2500 W = 1 mA. В общем случае, ток в 1 mA достаточно мал для минимизации погрешности от самонагрева ПРТД. Величина тока протекающего через РТД является компромиссом между увеличением чувствительности температурного датчика и уменьшением погрешности из-за самонагрева, вызванного протеканием тока через РТД. В техническом описании на РТД обычно содержится информация о величине самонагрева в зависимости от различных условий. Изменяя значение резистора R8, можно регулировать значение постоянного тока. Резистор R8 непосредственно влияет на точность источника тока, поэтому он должен быть более точным, чем желаемая точность измерений температуры и температурно-стабильным.

Наиболее удачным является использование в качестве резистора R8 набора тонкопленочных резисторов заключенных в одном корпусе. Так точное значение сопротивления в 2.5 кОм можно достичь параллельным соединением четырех резисторов в 10 кОм.

Усилитель сигнала

Усилители А2, А3 и А4 составляют измерительный усилитель. В данном примере, рассмотрим температурный диапазон от 0°C до 700°C, который соответствует диапазону сопротивлений от 100 W до 345.28 W. При токе в 1 mA, напряжение на сенсорных выводах колеблется от 0.10 В до 0.34528 В. Источник опорного напряжения LM4140A-2.500 так же используется в качестве опорного для АЦП и сигнал ПРТД масштабируется в диапазоне до 2.5В. Коэффициент усиления измерительного усилителя равен 2.500/0.34528 = 7.2405. Полный коэффициент усиления измерительного усилителя задается уравнением AV = (1+2R5 / R7) (R1 / R2), при условии, что R3 = R1, R4 = R2, и R6 = R5. Т.к. требуемый коэффициент усиления относительно мал, то для его реализации достаточно одного каскада, при этом коэффициент усиления может регулироваться значением резистора R7. Такой коэффициент усиления ведет к тому, что остальные резисторы должны быть равными. Резисторы R1, R2, R3, R4, R5, и R6 должны иметь номиналы как можно ближе друг к другу. С помощью набора тонкопленочных резисторов легко можно добиться соответствующего равенства резисторов, точность номиналов которых может быть до 0.01%.

Значение резистора R7 определяется выражением: 7.2405 = (1+2х10 кОм/R7)(10 кОм/10 кОм), откуда R7 = 3.2049 KОм

Рассмотренная схема является завершенным решением преобразования сигнала для 100-омного ПРТД. Такую же схему можно использовать и при применении других резистивных преобразователей, устанавливая необходимый ток источника и коэффициент усиления инструментального усилителя.

Применяя другие типы РТД номиналы компонентов можно изменять для достижения желаемого результата.

Материал подготовлен специалистами компании Rainbow Technologies. Дополнительную информацию вы найдете на сайте: www.amplifiers.national.com .

Литература:

1. National Edge Technical Journal, December 2004 edition, «A precision interface for a Resistance Temperature Detector (RTD), Walter Bacharowski, Staff Applications Engineer.

Двухканальный модуль аналогового ввода сигналов термопар

Модуль предназначен для измерения температуры с помощью термопар и измерения напряжения постоянного тока.

Для исполнения AIM72401 термопары типа: J – 0,06%, K –0,07%, L – 0,07%, N – 0,1%, T – 0,15%, E – 0,06%, R – 0,1%, S – 0,1%, B – 0,15%.

Для исполнения AIM72402 термопары типа: J – 0,15%, K –0,15%, L – 0,15%, N – 0,2%, T – 0,3%, E – 0,15%, R – 0,2%, S – 0,2%, B – 0,25%.

Для исполнения AIM72401: для диапазона ±20 мВ не более 0,1%; для диапазона ±50 мВ не более 0,05%; для диапазона ±100 мВ не более 0,05%; для диапазона ±200 мВ не более 0,05%.

Для исполнения AIM72402. для диапазона ±20 мВ не более 0,2%; для диапазона ±50 мВ не более 0,1%; для диапазона ±100 мВ не более 0,1%; для диапазона ±200 мВ не более 0,1%.

Подключение одного термометра сопротивления к двум различным вторичным приборам одновременно

Датчики термосопротивления широко применяются для измерения температуры жидкостей, газов и твердых тел благодаря своей высокой точности, надежности, простоте установки и эксплуатации. Но при попытке передать сигнал с одного датчика термосопротивления одновременно на два вторичных прибора, например, программный ПИД-регулятор и безбумажный регистратор, добиться достоверных показаний не удастся.

Датчик термосопротивления (RTD) не может быть подключен параллельно или последовательно к входам двух вторичных приборов одновременно. Это связано с тем, что любой вторичный прибор генерирует опорный ток "возбуждения" для датчика термосопротивления. Подключение одного термодатчика к двум входам одновременно приведет к "смешиванию" опорных токов и искажению показаний.

Для подключения термодатчика к двум к двум входам одновременно есть несколько способов. Но в любом случае потребуется дополнительное оборудование для размножения сигнал RTD.

Датчик термосопротивления с двойным чувствительным элементом.

Для передачи информации о значении измеренной температуры на два разных вторичных устройства можно использовать термодатчик с двумя независимыми чувствительными элементами в одном корпусе. Выход первого чувствительного элемента соединяется с входом первого вторичного прибора (например, терморегулятора), выход второго чувствительного элемента соединяется с входом второго прибора (например, самописца).

Естественно реализация данного метода потребует замены установленного датчика температуры на другой имеющий два чувствительных элемента, например, Элемер ТС-1088/8.

Ретрансляция сигнала.

Многие вторичные приборы имеют, например, аналоговый выход 4-20 мА, который может быть настроен таким образом, чтобы "повторять" значение сигнала температуры на входе прибора. То есть первый прибор, к которому подключен непосредственно датчик термосопротивления преобразует стандартизированный сигнал RTD в унифицированный выходной сигнал 4-20 мА. На вход второго вторичного прибора приходит уже сигнал 4-20 мА, который в соответствии с заданной шкалой преобразуется в значение температуры. Необходимо помнить, что для передачи сигнала 4-20 мА входа/выхода приборов должны быть соответствующего типа: пассивные или активные.

Например, работа схемы будет возможна, если выход первого прибора будет активным, а вход второго прибора пассивным. При пассивном выходе первого прибора вход второго прибора должен быть активным. Если выход первого прибора и вход второго прибора пассивные, то необходим дополнительный источник питания постоянного тока для питания этого токового контура. Подключение активного выхода к активному входу может привести к повреждению приборов.

Реализация данного метода требует наличия соответствующих входов и выходов у вторичных приборов, а также правильного задания шкалы для входного и выходного сигналов 4-20 мА.

Датчик температуры с нормирующим преобразователем 4-20 мА.

Выходной сигнал датчика термосопротивления может быть сразу преобразован из RTD в аналоговый сигнал 4-20 мА с помощью нормирующего преобразователя, в том числе встроенного непосредственно в головку самого датчика температуры. В этом случае вторичные приборы подключаются последовательно с выходом нормирующего преобразователя образуя так называемую токовую петлю. Подобное подключение, как правило, без проблем работает с высококачественными аналоговыми входами с хорошей гальванической изоляцией. В некоторых случаях при подобном подключении могут возникнуть проблемы, например, при использовании низкоомных, неизолированных аналоговых входов.

При объединении приборов в токовую петлю необходимо помнить, что в цепи должен быть только один источник напряжения, включая активный выход нормирующего преобразователя или активный вход одного из вторичных приборов.

Для преобразования сигнала RTD в унифицированный выходной сигнал можно использовать, например, нормирующие преобразователи НПТ-1, НПТ-2, НПТ-3 или НПТ-3.Ех фирмы Овен.

Сплиттер или размножитель сигнала.

Сплиттер или так называемый размножителя сигнала "размножает" один сигнал RTD в два независимых изолированных сигнала напряжения или тока. Гальваническая изоляция выходов друг от друга и от входа гарантирует, что не возникнет проблем с взаимным влиянием приборов друг на друга при подключении одного датчика к двум и более различным устройствам. Получается своего рода рассмотренный выше вариант с нормирующим преобразователем, но лишенный негативного взаимного влияния приборов друг на друга.

В качестве размножителя можно применить сплиттер модели APD 1393 RTD с двумя изолированными выходами.

Цифровой обмен данными.

Данный способ передачи сигнала от одного датчика на несколько вторичных приборов является еще одним вариантом ретрансляции сигнала с одного прибора на другие. Устройство, такое как контроллер, панельный компьютер или PLC, к которому подключен датчик термосопротивления, преобразует значение сигнала датчика в цифровой сигнал, например, Modbus, и передает его на другое устройство в цифровом виде. Используя цифровые коммуникации возможно распространять данные о температуре на большое количество устройств - от самых простых индикаторов Овен СМИ2, до других контроллеров и PLC. Этот вариант естественно требует более высоких капитальных затрат, чем предыдущие аналоговые решения. Но данный метод обеспечивает наиболее точную передачу сигнала с меньшей погрешностью, особенно если речь идет о более чем двух вторичных приборах (точках вывода информации).