traductor de temperatura cu termorezistenta- cristi trandafir

26
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE Traductoarele de temperatură cu termorezistenţă îşi bazează funcţionarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcină electrică spontană ca rezultat al modificării bruşte a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informaţii legate de rezistivitate, inversul conductibilităţii, rezultând dezvoltarea traductoarelor de temperatură cu termorezistenţă. Fiecare metal are o rezistivitate specifică ce poate fi determinată experimental. Această rezistenţă (R) este direct proporţională cu lungimea firului (l) şi invers proporţională cu aria secţiunii transversale (S). În cazul unui conductor omogen formula este: R= (1) unde =constanta de proporţionalitate sau rezistivitatea materialului. Elementele sensibile rezistive îşi bazează funcţionarea pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-şi modifica rezistenţa electrica în funcţie de temperatura mediului de lucru în care sunt introduse. Variaţiile de rezistenţă electrică sunt preluate de către un adaptor, care le converteşte în semnal electric de ieşire. Traductoarele de temperatură cu termorezistenţă sunt realizate din metale a căror rezistenţă creşte cu temperatura. Pentru o variaţie mică de temperatură rezistivitatea creşte liniar cu temperatura: t = 0 [1+(t-t 0 )] (2) unde t = rezistivitatea la temperatura t; 0 = rezistivitatea la temperatura t 0 ; 1

Upload: cristian-trandafir

Post on 12-Aug-2015

509 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

un referat despre traductoare, foarte dragut

TRANSCRIPT

Page 1: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE

Traductoarele de temperatură cu termorezistenţă îşi bazează funcţionarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcină electrică spontană ca rezultat al modificării bruşte a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informaţii legate de rezistivitate, inversul conductibilităţii, rezultând dezvoltarea traductoarelor de temperatură cu termorezistenţă. Fiecare metal are o rezistivitate specifică ce poate fi determinată experimental. Această rezistenţă (R) este direct proporţională cu lungimea firului (l) şi invers proporţională cu aria secţiunii transversale (S). În cazul unui conductor omogen formula este:

R= (1)

unde =constanta de proporţionalitate sau rezistivitatea materialului.Elementele sensibile rezistive îşi bazează funcţionarea pe proprietatea unor

materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-şi modifica rezistenţa electrica în funcţie de temperatura mediului de lucru în care sunt introduse. Variaţiile de rezistenţă electrică sunt preluate de către un adaptor, care le converteşte în semnal electric de ieşire.

Traductoarele de temperatură cu termorezistenţă sunt realizate din metale a căror rezistenţă creşte cu temperatura. Pentru o variaţie mică de temperatură rezistivitatea creşte liniar cu temperatura:

t=0[1+(t-t0)] (2)unde t = rezistivitatea la temperatura t;

0 = rezistivitatea la temperatura t0; =coeficient de temperatură al termorezistenţei (C-1).Măsurarea temperaturii este esenţială în industrie. Această sarcină revine

traductoarelor de temperatură cu termorezistenţe care sunt disponibile în configuraţii variate, atât în medii normale (de laborator), cât şi în medii cu pericol ridicat de explozie. Combinând ecuaţiile (1) şi (2), în condiţiile în care t 0 este temperatura la 0C şi punând rezultatul sub forma y=mx+b, rezultă clar că rezistenţa variază liniar cu temperatura:

=1+t (3)

Cele mai răspândite termorezistenţe în aplicaţiile industriale se obţin prin bobinarea antiinductivă, pe un suport izolant, rezistent la temperatură; elementul sensibil astfel obţinut se introduce în teci de protecţie, prevăzute cu dispozitive de prindere şi cutii de borne. Pentru fabricarea termorezistenţelor se foloseşte ca suport izolant textolitul, mica sau ceramica. Pe suportul respectiv se bobinează neinductiv un fir metalic. Metalele utilizate permit prelucrarea la un diametru foarte mic şi o bună stabilitate în timp sub influenţa temperaturii ridicate şi agenţilor

1

Page 2: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

chimici. Teaca de protecţie este destinată pentru a proteja elementul sensibil şi firele conductoare de legătură de acţiunea dăunătoare a mediului. Se poate executa din diferite materiale. Materialul tecilor de protecţie este condiţionat pe lângă domeniul de temperatură şi natura fluidului a cărui temperatură o măsoară. Comportarea în timp a tecilor de protecţie este influenţată puternic de factorii locali activi.

Pentru exprimarea şi compararea proprietăţilor termice ale materialelor folosite la confecţionarea elementelor sensibile se utilizează coeficientul de temperatură 0

100 , definit pe intervalul 0C…100C prin relaţia:

0100

sau raportul W100 al rezistenţelor:

W100=

unde R0,R100 reprezintă rezistenţele firului la 0C, respectiv la 100C.S-a observat experimental că 0

100 este cu atât mai mare cu cât puritatea metalului utilizat este mai ridicată, crescând de asemenea odată cu înlăturare tensiunilor mecanice ale firului rezistiv.

Alte caracteristici care permit compararea termorezistenţelor între ele sunt următoarele:

materialul din care este confecţionat elementul sensibil(platină, cupru, nichel, mai rar wolfram si molibden);

valoarea rezistenţei la 0C (R0) şi eroarea sa tolerată (se construiesc termorezistenţe de 1000.1%, 1000.2%, 500.1%, 500.2% , mai rar 460.1% şi 530.1%);

constanta de timp (se disting termorezistenţe cu constantă de timp mică T15s, medie 15sT90s şi mare T90s);

intervalul de măsurare, în funcţie de care există termorezistenţe de joasă temperatură (-200C…+650C/+850C);

gradul de protecţie mecanică, climatică, antiexplozivă, anticorosivă; clasa de precizie delimitată prin eroarea tolerată admisă raportului W100

(clasa întâi 0,0005, clasa a doua 0,001, clasa a doua 0,002).Teoretic orice metal poate fi folosit la măsurarea temperaturii. Metalul ales

trebuie să aibă un grad înalt de sensibilitate şi abilitatea de a reduce efectele corosive. Materialul care îndeplineşte aceste cerinţe cel mai bine este platina şi astfel ea a devenit elementul sensibil ales în termorezistenţe. Printre caracteristicile sale se numără de asemenea stabilitatea chimică, disponibilitate în formă pură şi proprietăţile electrice care sunt foarte bine redate.

Pentru proprietăţile sale(punct de topire ridicat , 1772C, rezistenţa la medii oxidante, reproductibilitatea foarte bună a valorii rezistenţei electrice pentru orice temperatură din domeniul de utilizare ), platina este metalul cel mai utilizat în

2

Page 3: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

realizarea termorezistenţelor pentru aplicaţii industriale. Se realizează termorezistenţe etalon din platină pentru reproducerea scării de temperatură.

Alte materiale folosite sunt: Cuprul permite realizarea unei bune reproductibilităţi deoarece se poate obţine cu puritate înaintată pe cale electrolitică, termorezistenţele tehnice se utilizează în domeniul -50C…+180C, întrucât peste +180C apare fenomenul de oxidare, producând alterarea ireversibilă a proprietăţilor de reproductibilitate.

Nichelul are o bună sensibilitate şi liniaritate, dar termorezistenţele tehnice se utilizează în domeniul -60C…+180C datorită apariţiei fenomenului de oxidare la temperaturi ridicate.

Wolframul prezintă o bună liniaritate şi o rezistenţă, astfel că se confecţionează termorezistenţe din fire de diametru mic (10…15μm), utilizate pe domeniul 0C…+600C; wolframul este folosit cu predilecţie fără teacă de protecţie, în medii gazoase cu viteze mari de curgere, sub formă de elemente sensibile cu fire calde.

În mod uzual pe acelaşi suport izolant se realizează unu sau două elemente sensibile; pentru protecţia la agresivitatea mediului de lucru, tecile de protecţie pentru termorezistenţe se confecţionează din:

cupru (indicate pentru măsurarea temperaturilor joase), oţel de construcţie OLT 45 (recomandate pentru temperaturi pozitive în

medii neutre), oţel inoxidabil (indicate la temperaturi pozitive în medii oxidante sau

reducătoare).În funcţie de forma şi dimensiunile tecii de protecţie, ca şi de restricţiile

mediului în care se face măsurarea, se poate face o clasificare a termorezistenţelor în:

termorezistenţe subminiatură, termorezistenţe miniatură, termorezistenţe rapide, termorezistenţe normale, termorezistenţe cu cot, termorezistenţe pentru presiuni înalte, termorezistenţe multiteacă, termorezistenţe pentru suprafeţe plane.

Structura generală a traductorului este următoarea:

3

Page 4: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

Unde: ES este elementul sensibil, CC este circuitul de condiţionare, CAN este Convertorul Analog Numeric, SAE este sursa auxiliară de energie, ICA este interfaţa de comunicare si afişare.

CAPITOLUL 2. ELEMENTUL SENSIBIL

Elementul sensibil ales este platina Pt100. Termorezistenţele de platină sunt făcute din platină de clasă IEC/DIN sau platină cu clasă de referinţă. Diferenţa constă în puritatea platinei folosite. Din clasa IEC/DIN standard face parte platina pură care e intenţionat contaminată cu alte particule de platină cu un anumit grad de impuritate. Platina din clasa de referinţă are puritate a de 99,99%. Ambele probe vor măsura 100 la 0C, dar la 100C platina din clasa DIN va arăta 139,02.

Comitetele internaţionale au stabilit curbele de dezvoltare standard pentru traductoarele cu termorezistenţă. S-au stabilit de asemenea coeficienţii de temperatură între 0C şi 100C. Rezolvând ecuaţia (3):

=(R100-R0)/ R0t (4)Pentru curba europeană (IEC/DIN): =0.00385 (C-1)Pentru platina din clasa de referinţă: =0.003926 (C-1)Relaţia dintre rezistenţă şi temperatură poate fi aproximată de ecuaţia lui

Callendar-Van Dusen, care poate fi simplificată şi adusă la următoarea formă:Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] (5)

RtR0(1+At+Bt2) (6)Callendar-Van Dusen a rezolvat problema ţinând cont de două puncte suplimentare: punctul de fierbere a apei (100C) şi punctul triplu al zincului (419.58C).

Coeficienţii A,B,C depind de firul de platină şi de puritatea lui. În conformitate cu IEC 751-2 (ITS 90) se cunosc:

A=3.9083*10-3(C-1)B=-5.775*10-7(C-2)

C=-4.183*10-12(C-4)Relaţiile de mai sus se folosesc în operaţiile de etalonare efectuate în

laboratoarele metrologice autorizate; pentru aplicaţiile industriale se utilizează caracteristica statică tabelată, care precizează valoarea rezistenţei termorezistenţei, din C în C sau din 10C în 10C, pe domeniul maxim de utilizare a acesteia.

În mod uzual domeniul de lucru al termorezistenţelor de platină este de -200C+650C, iar în construcţii speciale poate fi extins până la 850C.

Spre temperaturi înalte apare fenomenul de volatilizare, care este contracarat prin folosirea unei sârme din platină cu diametru mare (diametrul firului este tipic

4

Page 5: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

0.05mm, dar poate ajunge până la 0.5mm atunci când se doreşte extensia limitei superioare a domeniului de utilizare).

Folosirea termorezistenţelor din platină fără teacă de protecţie, impusă de necesitatea obţinerii unei constante de timp foarte mici, trebuie făcută cu precauţie mai ales în medii gazoase, deoarece în contact cu amestecurile combustibile platina devine catalizator accelerând procesul de ardere, consecinţa fiind eronarea temperaturii măsurate.

Deoarece de la cutia de borne până la adaptor rezistenţa termorezistenţei este adusă prin intermediul unui cablu, care introduce suplimentar o rezistenţă de linie, este indicat ca valoarea nominală R0 să fie cât mai mare; aşa se explică utilizarea predilectă a termorezistenţelor cu R0=100, existând chiar realizări industriale de 500 şi 1000. Tendinţa de standardizare pe plan mondial din domeniul sistemelor şi echipamentelor de automatizare se răsfrânge şi asupra termorezistenţelor (de exemplu, pentru cazul termorezistenţelor de platină destinate aplicaţiilor industriale, marile firme utilizează cu predilecţie Pt 100 cu W100=1.385).

Datorită diametrului mic al firului rezistiv puterea disipată de o termorezistenţă este redusă; pentru a nu exista pericolul încălzirii prin efect Joule, curentul admis printr-o termorezistenţă nu depăşeşte 1mA pentru cele cu sârmă de 0.05mm respectiv 10mA pentru cele cu diametrul sârmei de 0.1...0.5mm.

Când discutăm despre traductoare de temperatură cu termorezistenţe trebuie luate în considerare următoarele aspecte:

autoîncălzirea sau efectul Joule. Temperatura indicata de senzor este un pic mai mare datorita acestuia. Totodată, autoîncălzirea depinde puternic de mediul in care este imersata termorezistenţa;

precizia măsurării. Există două seturi de toleranţe: clasa A (-200+650oC) - se aplica doar termorezistenţelor in conexiune pe trei sau patru fire şi clasa B (-200+850oC);

stabilitatea o proprietate a senzorilor de a menţine constantă ieşirea când avem la intrare o tensiune constantă. Modificările fizice sau chimice pot duce la apariţia unor curenţi de calibrare. Proporţiile acestor curenţi specificate de producători sunt tipic de 0.05oC/an ;

repetabilitatea. Este proprietatea unui senzor de a da acelaşi rezultat la ieşire, la efectuarea repetată a măsurării în aceleaşi condiţii;

răspunsul în timp. Este capacitatea senzorului de a reacţiona la variaţia temperaturii şi acest răspuns în timp depinde de masa senzorului şi a materialului testat. Specificaţiile termorezistenţei conţin şi constantele de timp ale acesteia definita ca perioada de timp care îi trebuie termorezistenţei să atingă valoarea de 2/3 din valoarea de echilibru atunci când termorezistenţa este supusa unei trepte de temperatura;

configuraţia instalaţiei electrice. În funcţie de modul de conectare a surselor şi a ieşirii traductorului se disting 3 variante de conexiune: pe 4 fire, pe 3 fire (deviată din cea de 4 fire cu observaţia că e posibilă o

5

Page 6: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

legătură comună între alimentare şi ieşirea traductorului) şi pe 2 fire (specifice traductoarelor cu ieşirea în curent unificat. Cele două fire de conectare sunt folosite atât pentru alimentare cât şi pentru obţinerea semnalului de ieşire. În acest caz există două surse de curent: una cu ieşire constantă şi cealaltă cu ieşire comandată de circuitul de intrare CI.)

În următorul tabel sunt valorile din catalog ale termorezistenţei, valorile rezistenţei cu caracteristica ideală diferenţa dintre acestea două şi eroarea de neliniaritate a termorezistenţei Pt100.

toC Rm Rl R (i)%-50 80,31 80,31 0 0-45 82,29 82,26 0,026 0,067-40 84,27 84,22 0,051 0,130-35 86,25 86,17 0,077 0,197-30 88,22 88,13 0,092 0,235-25 90,19 90,08 0,108 0,276-20 92,16 92,04 0,123 0,315-15 94,12 94 0,129 0,33-10 96,09 95,95 0,144 0,368-5 98,04 97,90 0,140 0,3580 100 99,85 0,145 0,3715 101,95 101,81 0,140 0,35810 103,90 103,76 0,136 0,34815 105,85 105,71 0,131 0,33520 107,79 107,67 0,117 0,29925 109,73 109,63 0,103 0,26330 111,67 111,58 0,088 0,22535 113,61 113,54 0,074 0,18940 115,54 115,49 0,049 0,12545 117,47 117,44 0,025 0,06650 119,40 119,40 0 0

Unde: t = temperatura măsurată, Rm = rezistenţa măsurată, Rl = rezistenţa liniară,

R=Rm-Rl;

i = , pentru i =1:21, unde i este eroarea parţială;

t = , unde t= eroarea totală;

Rmax=0,145 Rmin = 80,31 Rmax =119.4t=i max=0,371%, cu i < t , pentru i i max

Valorile lui Rl au fost calculate după formula:

6

Page 7: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

Rl=119.4+0.3791(t-50) ()Se observă că ne încadrăm destul de bine în eroarea de neliniaritate impusă de

0.5%, adică 0,371 < 0,5.

CAPITOLUL 3. CIRCUITUL DE CONDIŢIONARE

Termorezistenţele fac parte din categoria elementelor sensibile parametrice necesită energie auxiliară în procesul de măsurare a rezistenţei electrice astfel că adaptoarele destinate acestora sunt de tipul convertor rezistenţă semnal unificat de ieşire. Pentru realizarea adaptoarelor se au în vedere o serie de particularităţi:

variaţia redusă a rezistenţei termorezistenţei în special pe domenii mici ca şi necesităţile impuse de precizia de măsurare, implică utilizarea de metode de punte în intrare, alimentate în c.c. şi lucrând în regim echilibrat/dezechilibrat;

distanţa relativ ridicată între elementul sensibil şi adaptor impune controlul riguros al rezistenţelor de linie prin utilizarea în intrare după caz a conexiunii elementului sensibil cu 2, 3 sau 4 conductoare;

neliniaritatea caracteristicii statice a elementului sensibil, ca şi a punţii de măsurare, în cazul punţilor lucrând în regim dezechilibrat, impune utilizarea de circuite de liniarizare în structura adaptorului;

separarea galvanică a semnalului unificat de ieşire din adaptor în raport cu elementul sensibil şi/sau cu sursele de alimentare, impusă de condiţiile concrete în care se utilizează traductorul.

Punţile de măsurare utilizate la intrarea adaptoarelor sunt de regulă punţi Wheastone rezistive alimentate în c.c., unul din braţe constituindu-l elementul sensibil; de asemenea tot în cadrul acestora sunt incluse anumite elemente de reglaj pentru echilibrarea iniţială, deplasarea punctului de zero etc. iar în anumite situaţii, aşa cum se va preciza în continuare la cele lucrând în regim dezechilibrat se preferă structuri de punţi modificate în vederea obţinerii unei dependenţe liniare cu variaţia elementului sensibil.

Vom conecta termorezistenţa la puntea de măsurare conform figurii următoare:

La conexiunea pe două fire pot apărea erori destul de mari. În acest caz trece un curent prin senzor de la sursa de alimentare, firele de legătura folosite sunt comune pentru alimentare şi măsurare. Odată cu creşterea temperaturii, creşte şi rezistenţa. Această creştere a rezistenţei determină creşterea tensiunii (U=I*R). Rezistenţa care este cauza creşterii tensiunii

7

Page 8: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

este rezistenţa totală a senzorului plus rezistenţa introdusă de firele de legătură. Cât timp rezistenţa firelor rămâne constantă, nu va fi afectată măsurarea temperaturii. Rezistenţa firelor se modifică odată cu variaţia temperaturii, totuşi aşa cum condiţiile de mediu se schimbă, aşa se modifică şi rezistenţa firelor, apărând erori. Dacă firele sunt foarte lungi, sursa de erori poate fi semnificativă. Conexiunea pe două fire e folosită numai pentru fire scurte sau pentru elemente cu rezistenta de 1000.

La conexiunea pe trei fire un fir este comun, unul este folosit pentru alimentarea cu curent, iar al treilea este folosit pentru măsurarea potenţialului la bornele termorezistenţei. În cazul conexiunii rezistentei in punte există firele RL1, RL2 şi RL3. RL1 şi RL3 sunt folosite la alimentarea cu curent, în timp ce RL1 şi RL2 sunt folosite pentru măsurarea potenţialului. Rezistenţa R e egală cu rezistenţa senzorului, Rt, la o temperatură dată (de obicei mijlocul scării de temperatură) pentru a asigura echilibrarea punţii. În acest caz, nici un curent nu trece prin firul central. Când creşte temperatura senzorului, creşte şi rezistenţa senzorului. Astfel puntea se dezechilibrează. Va trece un curent prin firul central care va indica o temperatură de offset.

Am folosit pentru traductorul de temperatură cu termorezistenţă conexiunea pe 3 fire.

La conexiunea pe patru fire poate fi eliminată eroarea cauzată de rezistenţa firelor de legătură. Prin doua fire trece un curent constant de la o sursă de alimentare, iar între celelalte doua fire se măsoară tensiunea care cade pe termorezistenţă. Cu un curent constant, variaţia tensiunii este doar în funcţie de variaţia rezistenţei. Acest tip de conexiune este oarecum mai scump faţă de celelalte două configuraţii, dar este soluţia ideală când se cere un grad înalt de precizie.

Punţi de c.c. în regim echilibrat. Pentru situaţia funcţionării în regim echilibrat a punţii rezultă la conexiunea cu 3 conductoare:

R=R2+(r2-r1)astfel că, prin alegerea convenabilă a conductoarelor, se poate asigura

egalitatea r1r2, fiind posibilă compensarea rezistenţei firelor de legătură (se are în vedere că, traseul conductoarelor fiind acelaşi, influenţa temperaturii mediului se manifestă identic asupra acestora). Această conexiune cea mai utilizată în aplicaţiile industriale denumită şi configuraţie standard, este recomandată pentru

8

Page 9: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

trasee până la 15m, pentru care variaţiile de rezistenţă ale conductorului suplimentar r3 nu influenţează asupra tensiunii din diagonala de alimentare a punţii.

Industrial, punţile de c.c. echilibrate se întâlnesc în adaptoarele realizate pe principiul compensatorului automat denumite punţi de c.c. cu echilibrare automată.

Punţi de c.c. în regim dezechilibrat. O categorie foarte importantă de adaptoare folosesc în intrare punţi de c.c. lucrând în regim dezechilibrat, denumite punţi de c.c. dezechilibrate cu un singur braţ activ. La o astfel de punte interesează în mod deosebit liniaritatea şi sensibilitatea caracteristicii de transfer (tensiunea de dezechilibru în funcţie de variaţia de rezistenţă a elementului sensibil).

În structura punţilor de măsurare la intrarea adaptoarelor sunt prevăzute, în majoritatea cazurilor, elementele suplimentare de reglaj. La dimensionarea elementelor auxiliare se au în vedere efectele asupra tensiunii de dezechilibru U d, diferenţele existente între coeficienţii de variaţie cu temperatura ai elementelor sensibile şi ai elementelor de echilibrare, modificările produse de aceste elemente asupra tensiunii de mod comun din ieşirea punţii, ca şi influenţa temperaturii în noua structură de punte asupra tensiunii de mod comun.

Atunci când variaţia rezistenţei elementului sensibil pe domeniul de măsurare este importantă se poate adopta o structură de punte care asigură o variaţie a liniară a ieşirii cu variaţia de rezistenţă.

Am ales următoarea structură de punte de dezechilibru cu un braţ activ având tensiunea de ieşire liniară cu variaţia de rezistenţă a elementului sensibil.

Amplificatorul K este un amplificator operaţional neinversor ce are rolul de a ajusta tensiunea de dezechilibru de la ieşirea punţii. Prin dimensionarea rezistenţelor R1 şi R2 se poate modifica amplificarea.

R1 sau R2 pot fi potenţiometre.Circuitul AD534.

9

Page 10: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

Cipul AD534 este un multiplicator analogic în patru canale având o înaltă precizie . Eroarea maximă de multiplicare este de 0.25% şi e garantată pentru AD534L, fără nici o legătură externă. Oferă o bună rejecţie, coeficienţi scăzuţi de temperatură şi stabilitate îndelungată, chiar şi în condiţii nefavorabile de utilizare (datorită tensiunii de stabilizare a diodelor Zener folosite).Este primul multiplicator total diferenţiat, având şi cea de-a treia stare logică de HZ (high impedance) pe toate intrările, inclusiv pe intrarea Z, atribut ce îi

sporeşte flexibilitatea şi îi oferă o modalitate mai uşoară de folosire. Factorul de echilibru este în jurul valorii standard de 10V; cu ajutorul unei rezistenţe externe acesta poate fi redus la valori de 3V.Spectrul larg al aplicaţiilor şi disponibilitatea mai multor grade comandă acest multiplicator analogic (fiind prima operaţie realizată de toate tipurile de AD534). AD534J (1% eroare maximă), AD534K (0.5% eroare maximă) şi AD534L (0.25% eroare maximă) sunt special folosite pentru operaţii pe scara de temperatură de la 0oC la +70oC. AD534S (1% eroare maximă) şi AD534T (1% eroare maximă) sunt folosite pentru temperaturi de la -55oC la 125oC.

Precizia calibrării şi intrările diferenţiale Z furnizează un grad înalt de flexibilitate. Funcţiile standard MDSSR (multiplication, division, squaring, square-rooting) sunt uşor de implementat. Semnalele pot fi însumate la ieşire , cu sau fără câştig şi cu sau fără sens pozitiv sau negativ.

Funcţia generală de transfer este dată de relaţia:

, unde

A = amplificarea în buclă deschisă, de valoare mare (tipic 70dB)X,Y,Z = tensiuni de intrare (pe scară largă =SF, valoarea de vârf =1.25SF)SF = factorul de scală, având valoarea de 10V, dar putând ajunge până la 3V. În cele mai multe cazuri A este privită ca infinită, iar SF=10V.Din înmulţirea

unui termen infinit cu un alt termen, pentru a obţine un termen finit rezultă că:

=0

(X1-X2)(Y1-Y2)=10(Z1-Z2) şi deoarece:

Ui = ,expresie dedusă la

cursul de Senzori şi traductoare.Din modul de conectare a

multiplicatorului rezultă că:X1 = 0V X2 = Ue

Y1 = β*Ui Y2 = 0

10

Page 11: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

Z1 = Ue Z2 = Ui

(0-Ue)(β*Ui-0)=10V*(Ue-Ui) Ue(10V+ β*Ui)=10V*Ui

Ue =

Ue =

prin îndeplinirea condiţiei KE=20V se obţine:

Ue =

Se observă că tensiunea de ieşire este direct proporţională cu variaţia rezistenţei termorezistenţei, şi deoarece pe intervalul stabilit caracteristica termorezistenţei este suficient de liniară şi caracteristica tensiunii de la ieşirea circuitului de condiţionare este suficient de liniară.

Puntea se stabilizează pentru valoarea temperaturii 0oC corespunzătoare rezistenţei 100 Ω. Din valoarea lui E şi factorul de amplificare K intervalul de variaţie al tensiunii de ieşire Ue este -0,5V0,5V.

CAPITOLUL 4.CONVERTORUL ANALOG NUMERIC

Convertoarele analog numerice sunt structuri monolitice care primesc la intrare o tensiune standardizată şi oferă la ieşire echivalentul numeric al acesteia corespunzător unui cod precizat. Caracteristice CAN-urilor sunt două operaţii esenţiale:

cuantificarea (cuantizarea sau discretizarea în valoare), adică operaţia prin care intervalul maxim de variaţie a tensiunii de la intrare e împărţit în intervale egale elementare denumite cuante sau intervale de cuantizare, fiecărui interval atribuindu-i-se un număr în ordinea crescătoare a numerelor naturale.

kUi(k+1) , unde =cuanta.Atribuirea numărului k pentru mărimea cuantizată se face în raport cu mijlocul

intervalului de clasă k în care se află tensiunea de intrare U i. Cuantizarea ideală este pentru =0.

codificarea (codarea), adică alocarea de simboluri convenţional alese mărimii discretizare în valoare.

, unde ai=0 sau 1; b =baza de numeraţie

Vom folosi cipul TC14433A produs de firma Microchip Technology Incorporated., a cărui diagramă bloc funcţională este următoarea:

11

Page 12: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

Descriere generalăCipul TC14433 este un convertor analog numeric cu ieşire BCD pe 3-1/2

digiţi o structură monolitică de putere scăzută şi înaltă performanţă de tip CMOS. La ieşire sunt puse succesiv valorile fiecărui digit din valoarea de convertit în funcţie de valoarea unor ieşiri adiacente. El combină atât circuite analogice, cât şi digitale pe o singură interfaţă de comunicaţie(IC), ceea ce reduce numărul componentelor externe. Acest convertor analog numeric furnizează polaritatea automată şi corecţie de zero cu ajutorul a două rezistenţe externe şi a două condensatoare. Întreaga scară de tensiune a IC se întinde de la 199.9 mV la 1.199V. cipul TC14433 putând opera peste limita domeniului său de funcţionare folosind surse auxiliare de tensiune(baterii de 5V).

Cipul TC14433A a îmbunătăţit performanţele standardului TC14433. măsurarea semnalelor pozitive, cât şi a celor negative e garantată să aibă acelaşi mod de citire în cadrul unei numărări pentru TC14433A. Consumul de putere variază între 940mW şi 1,45W în funcţie de varianta constructivă. Precizia sa este de 0.05% la citire, când numără 1. Poate realiza 25 conversii/secundă. Are ZIN>1000M şi tensiunea de referinţă pozitivă unică, autopolaritate şi autocorecţie de zero. Poate folosi un semnal de ceas inclus sau unul extern. E disponibil în 24 de pini varianta DIP şi CerDIP, 28 pini varianta SOIC şi PLCC.

Descrierea pinilor

12

Page 13: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

În cadrul cipurilor cu 28 pini sunt nefolosiţi 4 pini: 1,8,15,22, având simbolul NC.

Pinul 1:-simbol: VAG, -funcţie: masă analogică, având o impedanţă mare. Acest pin determină tensiunea de referinţă necunoscută de la intrare VX şi tensiunea de referinţă VREF.

Pinul 2:-simbol VREF, -funcţie: asigură tensiunea de referinţă. Pe scară largă, ieşirea e egală cu tensiunea aplicată la VREF. Deci, pe scară largă 1.999V necesită referinţă de 2V şi 199.9mV necesită o referinţă de 200mV. Funcţia lui VREF ca sistem este şi de reset. Când se trece la VEE, sistemul se resetează pentru a începe ciclul de conversie.

Pinul 3:-simbol VX, -funcţie: tensiunea de intrare necunoscută VX e măsurată ca procent din tensiunea de referinţă VREF, în conversie A/D procentuală.

Pinii 4-5-6:-simbol R1, R1/C1, C1 -funcţie: E folosit pentru componente externe utilizate la funcţia de integrare în conversia duală. Valoarea tipică este de 0.1F pentru condensatoare de capacitate C1. R1 cu 470kW(rezistiv) pentru 2V pe scară largă. R1 cu 27kW(rezistiv) pentru 200mV pe scară largă. Frecvenţa ceasului este de 66kHz, adică un timp de conversie de 250ms.

Pinul 7-8:-simbol CO1, CO2, -funcţie: Sunt folosiţi pentru conectarea condensatorului cu corecţie de offset. Valoarea recomandată este de 0.1F.

Pinul 9:-simbol DU, -funcţie: Pin de intrare update. Când DU e conectat la ieşirea EOC, este afişată încheierea fiecărei conversii. Noile date vor fi afişate la ieşirile corespunzătoare în timpul ciclului de conversie (dacă e primit un impuls pozitiv pe pinul DU, prioritar ciclului de numărare inversă). Când acest pin este comandat printr-o sursă externă, tensiunea de referinţă este VSS.

Pinii 10-11-simbol CLK1, CLK0 -funcţie: Intrare de ceas. TC14433 are propriul său sistem oscilant (ceas). Conectând o rezistenţă între CLK1 şi CLK0 se setează frecvenţa ceasului. Un cristal sau un circuit oscilant OC poate fi inserat în locul rezistenţei pentru a îmbunătăţi CLK1, intrarea de ceas, ce poate fi comandată cu un ceas extern, care are nevoie numai de drivere de ieşire standard CMOS. Acest pin are legătură cu intrare externă a ceasului VEE. O rezistenţă ce poate debita 300kW produce o frecvenţă de ceas în jur de 66kHz.

Pinul 12: -simbol VEE, -funcţie: Sursă de referinţă negativă. A se nota că în circuitul de ieşire curentul se reîntoarce prin VSS. Valoarea standard este de 0.8mA.

Pinul 13: -simbol VSS, -funcţie: Sursă de referinţă negativă oferită de circuitul de ieşire. Acest pin setează nivelul de tensiune joasă pentru pinii de ieşire(BCD, Digit Selects, EOC, OR). Când se conectează la masa analogică, tensiunea de ieşire

13

Page 14: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

este VDD. Dacă se conectează la VEE, ieşirea oscilează de la VEE la VDD. Intervalul recomandat pentru VSS este între VDD -3V şi VEE.

Pinul 14: -simbol EOC, -funcţie: end of conversion. Această ieşire generează un semnal la sfârşitul fiecărui ciclu de conversie egal cu o jumătate din perioada ceasului sistemului.

Pinul 15: -simbol OR, -funcţie: pinul de over range(depăşirea domeniului). În mod normal acest pin este setat pe high. Când VX depăşeşte VREF, pinul OR este pe low.

Pinii 16..19: -simbol DS4..1, -funcţie: Pinul de selecţie a cifrei. Acesta este pe high când cifra respectivă e selectată. După semnalul EOC se continuă cu încă o jumătate de digit(un MSD). Cifrele rămase se modifică în intervalul cuprins între MSD şi LSD.

Pinii 20..23: -simbol Q0..Q3, -funcţie: pentru diagrama de selecţie a cifrelor în timp, in funcţie de semnalul activ acestea au semnificaţia: ieşire de date BCD în timpul selecţiei realizate de DS2, DS3, DS4. Cât timp DS1 este activ avem jumătatea de digit dată de Q3 low pentru 1 şi high pentru 0, semn dat de Q2 1=pozitiv şi 0=negativ, pinul Q2 e disponibil, iar Q0 este indicator de depăşire de domeniu.

Pinul 24: -simbol VDD, -funcţie: sursă de referinţă pozitivă.Descrierea circuituluiTC14433 CMOS IC are un număr minim de componente externe. Acest IC are

un circuit logic digital obişnuit CMOS, ca şi un circuit analogic cu CMOS. El furnizează utilizatorului funcţii digitale (ca numărătoarele, multiplexoarele) şi funcţii analogice (ca amplificatoarele operaţionale şi comparatoare) pe un singur cip. Printre caracteristicile sistemului se numără şi: semnalul de zero (de referinţă), impedanţe mari de intrare şi polaritate automată. Consumul scăzut de putere este un alt avantaj. Funcţia de corecţie de zero a sistemului compensează tensiunea de offset din amplificatoarele interne şi din comparatoare. În sistemul raţional, citirea

14

Page 15: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

ieşirii este raportul dintre tensiunea necunoscută şi tensiunea de referinţă (raport egal cu 1 înseamnă un maxim de numărare de 1999).

Un ciclu de conversie are aproximativ 16000 perioade de ceas. Fiecare ciclu de conversie poate fi împărţit în 6 segmente (ca în figura 7).

Segmentul 1:Condensatorul de offset C0,

care compensată tensiunile de offset de la intrările buffer-ului şi amplificatoarelor integratoare sunt încărcate în timpul acestei perioade. Totuşi capacitatea integratorului este mică. Acestui segment îi revin 4000 de perioade de ceas.

Segmentul 2:În timpul acestui segment ieşirea integratorului descreşte cu tensiunea reţinută

de comparator. Acum, un număr echivalent cu tensiunea de offset a intrării în comparator este reţinut pentru a fi folosit în procesul de corecţie de zero. Timpul care revine acestui segment este variabil, fiind mai mic de 800 perioade de ceas.

Segmentul 3:Identic cu segmentul 1.Segmentul 4: Este o rampă de urcare rapidă a

ciclului cu tensiunea de intrare necunoscută (VX) ca tensiune de intrare în integrator. Figura alăturată arată configuraţia echivalentă a secţiunii analogice a cipului TC14433. Configuraţia actuală a secţiunii analogice depinde de semnul tensiunii de intrare din timpul ciclului de conversie precedent.

Segmentul 5:Este o rampă de coborâre rapidă cu tensiunea de referinţă ca intrare în

integrator. Segmentul 5 al ciclului de conversie are o durată egală cu numerele memorate în timpul segmentului 2. Are ca rezultat sistemul de zero automat.

Segmentul 6:Este o extensie a segmentului 5. Durata pentru această porţiune este de 4000

perioade de ceas. Rezultatul ciclului conversiei analog-numerice este determinat în această porţiune a ciclului de conversie.

Funcţionarea CAN-ului şi circuitul de afişare.

15

Page 16: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

Această schemă este schema funcţionării unui voltmetru digital. La intrare are tensiunea de la ieşirea circuitului de condiţionare. Acest circuit poate afişa valoarea maximă 1,999, dar deoarece tensiunea de intrare este cuprinsă între 0,5 V la afişarea MSB semnalul Q3 va indica totdeauna valoarea 0, de aceea nu îl mai luam în considerare pentru afişarea jumătăţii de digit. Valoarea semnalului Q2 o vom folosi pentru a afişa semnul tensiunii. La activarea semnalului DS2 se va selecta primul circuit de decodificare şi va fi afişată cifra cea mai semnificativă. În acelaşi mod se desfăşoară procesul şi la activarea semnalelor DS3 şi DS4.

Circuitul CD4543B este un decodificator BCD / afişor cu 7 segmente folosit pentru controlul circuitelor de tip LCD(liquid cristal display) dar poate fi folosit şi la controlul circuitelor de tip LED, cât şi displayuri fluorescente, cu descărcare de gaz sau incandescente. Are 4 intrări BCD (pinii 2,3,4,5) şi 7 ieşiri pentru afişorul cu 7 segmente (pinii 9:15). Are de asemenea o intrare LD cu rolul de a nu permite semnalului de la intrare să fie convertit.

Pentru a scoate la ieşire o valoare BCD se face o demultiplexare a semnalelor conform diagramei de mai jos unde blocurile sunt registre universale ce pot

16

Page 17: Traductor de Temperatura Cu Termorezistenta- cristi trandafir

îndeplinii funcţiile LOAD, CLEAR asincron şi HOLD. Din REG1 se păstrează doar bitul Q2 corespunzător semnului valorii BCD.

Bibliografie:

1. G Ionescu ş.a. Traductoare pentru automatizări industriale.2. Documentaţie de la firma Texas Instruments (www.ti.com)3. Documentaţie de la firma Analog Devices (www.analog.com)4. Documentaţie de la firma Microchip (www.microchip.com)5. Documentaţie de la firma Omega (www.omega.com)

17