Κεφάλαιο 4 Μετρολογικές Διατάξεις Μέτρησης Θερμοκρασίας. 4.1. Μετρολογικός Ενισχυτής τάσεων θερμοζεύγους Κ και η δοκιμή (testing). Οι ενδείξεις (τάσεις εξόδου) των θερμοζευγών τύπου Κ είναι δύσκολο να μετρηθούν λόγω της πολύ μικρής τάξης μεγέθους που έχουν (40,44 μv/ C). Προκειμένου λοιπόν να τις μετρήσουμε, τις ενισχύουμε μέσω του ολοκληρωμένου κυκλώματος AD 595 που είναι κατάλληλο για θερμοζεύγη αυτού του τύπου. Αναλυτικά τεχνικά χαρακτηριστικά γι αυτό το ολοκληρωμένο δίνονται παρακάτω. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα AD 595 ενισχύει την έξοδο του θερμοζεύγους κατά 250 φορές περίπου, δίνοντας έτσι την δυνατότητα μέτρησης της θερμοκρασίας με ακρίβεια. Η τελική κλίμακα θερμοζεύγους - ενισχυτή γίνεται 10 mv/ C. Αν για παράδειγμα η ένδειξη του οργάνου μέτρησης που έχει προσαρμοστεί στην έξοδο του ολοκληρωμένου είναι 250 mv, τότε αυτόματα αυτό μεταφράζεται σε 25 C στο σημείο που βρίσκεται η κεφαλή του θερμοζεύγους. Συγκεκριμένα, από την σειρά ολοκληρωμένων ενισχυτών AD 595 επιλέχθηκε το AD 595 CD με το οποίο πετυχαίνουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις (το σφάλμα είναι 1 C). Η ακριβής συνδεσμολογία που απαιτείται για το κύκλωμα μέτρησης φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 4.1. 37
+ 5 V Vout 10 mv / C o θερμοζεύγος τύπου Κ αλουμίνιο (μπλέ) χρώμιο (καφέ) AD595 V COM. Σχήμα 4.1 : Κύκλωμα μέτρησης τάσεων εξόδου θερμοζεύγους τύπου Κ. Ο ενισχυτής AD 595 είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα του οποίου το λειτουργικό διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2 : Ενισχυτής AD 595. Ο ενισχυτής αυτός είναι ειδικά κατασκευασμένος για να χρησιμοποιείται με θερμοζεύγη τύπου Κ. Αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του είναι τα ακόλουθα : 1. Παρουσιάζει συνάρτηση μεταφοράς τάσης V out =(Tάση τύπου Κ + 11 μv) x 247,3=40,44μV / C Υπενθυμίζουμε ότι Tάση τύπου Κ =40,44μV / C. Τα 11μV που υπάρχουν στον τύπο της V out ισοδυναμούν με μια μικρή απόκλιση που εμφανίζεται στην έξοδο. Έτσι, στους 0 C έχουμε : V out =11μV x 247,3=2,7mV 38
2. H περιοχή θερμοκρασιών λειτουργίας είναι από 0 C έως 50 C με την μεγαλύτερη ακρίβεια να παρουσιάζεται στους 25 C. Η ακρίβεια αυτή διαφέρει ανάλογα με τη σειρά ενισχυτών που επιλέγουμε : - η σειρά AD 595 A στους 25 C παρουσιάζει σφάλμα 3 C - η σειρά AD 595 C επίσης στους 25 C, έχει σφάλμα 1 C 3. Η κατανάλωση ισχύος του ενισχυτή δεν υπερβαίνει το 1mW. Το ρεύμα τροφοδοσίας του χωρίς φορτίο είναι περίπου 160μA. Το ρεύμα εξόδου του στο φορτίο είναι 5mA. Σχήμα 4.3 : Απλή τροφοδότηση ενισχυτή AD 595. 4. Η τροφοδότηση του με τάση μπορεί να γίνει με δύο τρόπους : - απλή τροφοδότηση (V + =+5 έως +30 V και V - =0V). O ενισχυτής έτσι είναι σε θέση να συνεργαστεί με το θερμοζεύγος τύπου Κ για θερμοκρασίες από 0 C έως 300 C. Το διάγραμμα συνδέσεων δίνεται στο σχήμα 4.3. - διπλή τροφοδότηση (V + =+5 έως +30 V και V - =0 έως -15 V). Ο ενισχυτής έτσι, είναι σε θέση να λειτουργεί σε όλη την περιοχή θερμοκρασιών του θερμοζεύγους τύπου Κ, δηλαδή από -200 C έως +1250 C. Το αντίστοιχο διάγραμμα συνδέσεων δίνεται στο σχήμα 4.4. 39
Σχήμα 4.4 : Διπλή τροφοδότηση ενισχυτή AD 595. 5. Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα για τον ενισχυτή AD 595 να λειτουργήσει σαν θερμόμετρο χώρου πάντα βέβαια σε θερμοκρασίες από 0 C έως +50 C. Η λειτουργία αυτή επιτυγχάνεται αν βραχυκυκλωθούν οι ακροδέκτες εισόδου +ΙΝ και -ΙΝ που έχουν τους αριθμούς 1 και 14 αντίστοιχα στο διάγραμμα συνδέσεων του σχήματος 4.5. Σχήμα 4.5 : Λειτουργία του ενισχυτή AD 595 ως θερμόμετρο χώρου. Ο πίνακας 4.1 μας δίνει, για θερμοκρασίες από 0 C έως +300 C στην κεφαλή του θερμοζεύγους τύπου Κ, τις τάσεις εξόδου του ίδιου καθώς και του αντίστοιχου ολοκληρωμένου ενισχυτή AD 595. Οι τιμές του πίνακα έχουν βρεθεί λαμβάνοντας ως θερμοκρασία αναφοράς τους 25 C και όχι τους 0 C όπως συνήθως γίνεται σε παρόμοιους πίνακες. Αυτό σημαίνει πως δεν χρειάζεται αντιστάθμιση κάθε φορά που μέσω του πίνακα βρίσκεται η θερμοκρασία από την τιμή της τάσης εξόδου του θερμοζεύγους - ενισχυτή. 40
Θερμοκρασία θερμοζεύγους ( C) Τύπου Κ Τάση (mv) AD 595 Έξοδος (mv) 0 0 2,7 10 0,397 101 20 0,798 200 25 1,000 250 30 1,203 300 40 1,611 401 50 2,022 503 60 2,436 605 80 3,266 810 100 4,095 1015 120 4,919 1219 140 5,733 1420 160 6,539 1620 180 7,338 1817 200 8,137 2015 220 8,938 2213 240 9,745 2413 260 10,560 2614 280 11,381 2817 300 12,207 3022 Πίνακας 4.1 : Αντιστοιχία Θερμοκρασίας - τάσης Η γραμμική χαρακτηριστική της τάσης σε σχέση με την θερμοκρασία φαίνεται καθαρά στο σχήμα 4.6. 41
1600 Έξοδος AD595 (mv) 1400 1200 1000 800 600 400 200 20 40 60 80 100 120 140 160 o T( C) Σχήμα 4.6 Καμπύλη τάσης-θερμοκρασίας για θερμοζεύγη τύπου Κ. H γραμμικότητα του διαγράμματος θερμοκρασίας τάσης (βλ. σχήμα 4.6), έχει επαληθευτεί με ένα απλό πείραμα το οποίο δίνεται στο σχήμα 4.7. Συγκεκριμένα, το θερμοζεύγος τύπου Κ συνδέθηκε με το ολοκληρωμένο AD 595 CD και στην συνέχεια τοποθετήθηκε η κεφαλή του μέσα σε δοχείο με λάδι μηχανής. Στο ίδιο δοχείο υπήρχε η κεφαλή - αισθητήριο ενός ειδικού οργάνου μέτρησης θερμοκρασίας (ειδικό θερμόμετρο). Όσο ζεσταινόταν το δοχείο με το λάδι ανεβάζοντας την θερμοκρασία του τελευταίου, γινόταν ταυτόχρονη καταγραφή των ενδείξεων του ειδικού θερμομέτρου και του πολυμέτρου που είχε συνδεθεί στην έξοδο του AD 595 CD. H διαδικασία αυτή επαναλήφθηκε τρεις φορές σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος για το ολοκληρωμένο, 25 C, 40 C και 50 C. Για να γίνει δυνατό κάτι τέτοιο τοποθετήθηκε ο ενισχυτής μέσα σε ένα χάρτινο κουτί, επενδυμένο με μόνωση, όπου γινόταν τακτικά εισαγωγή θερμού αέρα. Έτσι, μέσω ενός δεύτερου θερμομέτρου η θερμοκρασία χώρου έμενε σταθερή στην επιθυμητή κάθε φορά τιμή. Οι μετρήσεις που καταγράφηκαν κατά την διάρκεια του πειράματος δίνονται στον πίνακα 4.2. Οι πολύ μικρές διαφορές που υπάρχουν μεταξύ των τιμών του πίνακα 4.2 και των αντίστοιχων του πίνακα 4.1, δικαιολογούνται από τις ατέλειες των οργάνων και στην ουσία επαληθεύουν την γραμμική χαρακτηριστική του σχήματος 4.6. 42
4.7 Πείραμα επαλήθευσης χαρακτηριστικής θερμοκρασίας-τάσης. Τέλος, μελετήθηκε η αδράνεια των θερμοζευγών με την θερμοκρασία και διαπιστώθηκε ότι είναι ελάχιστη. Συγκεκριμένα, καθόλη την διάρκεια των μετρήσεων οι ενδείξεις του ενισχυτή συμβαδίζουν χρονικά με αυτές του θερμομέτρου ενώ επιχειρήθηκε και το εξής : Ενώ η κεφαλή του θερμοζεύγους βρισκόταν στον αέρα (25 C) βυθίστηκε απότομα στο καυτό λάδι (100 C). Η ένδειξη 1000mV στην έξοδο του ενισχυτή έγινε ορατή σε ελάχιστο χρόνο ( 1sec). Το διαπιστωμένο γεγονός της ελάχιστης αδράνειας των θερμοζευγών σε συνδυασμό με την αργή σχετικά εξέλιξη των θερμικών φαινομένων στον κινητήρα, μας εξασφαλίζει ότι τα αισθητήρια που υπάρχουν τόσο στον στάτη όσο και στον δρομέα παρακολουθούν και μας μεταδίδουν αξιόπιστα τις μεταβολές της θερμοκρασίας στον χρόνο. 43
Θερμοκρασία κεφαλής θερμοστοιχείου Θερμοκρασία ΑD 595 CD ( C) ( C) 25 40 50 Τάση εξόδου AD 595 CD (mv) 25 250 250 253 40 400 405 402 50 508 500 505 60 610 608 605 70 710 712 708 80 810 810 806 90 912 911 910 100 1015 1014 1015 110 1117 1120 1119 120 1220 1220 1219 130 1315 1319 1317 140 1417 1417 1420 150 1515 1517 1516 Πίνακας 4.2 : Τιμές του πειράματος επαλήθευσης 4.2. Μετατροπέας /V θερμοαντίστασης για μετρήσεις με στοιχεία PT100. Σε κάθε περίπτωση η μέτρηση της τιμής των θερμικών αντιστάσεων μπορεί να γίνει πολύ απλά με ένα ωμόμετρο. Κρίθηκε όμως απαραίτητο, η πληροφορία που ανακτάται από τα Pt 100 για την θερμοκρασία να μετασχηματιστεί από ωμική αντίσταση σε τάση. Έτσι, σε μελλοντική φάση θα υπάρχει η δυνατότητα για περαιτέρω επεξεργασία της πληροφορίας αυτής όπως συνοπτικά περιγράφτηκε στην εισαγωγή. Ο βασικός άξονας - ιδέα για να γίνει η μετατροπή από αντίσταση σε τάση φαίνεται αρκετά παραστατικά στο σχήμα 4.8. 44
PT100. Σχήμα 4.8 : Διέλευση σταθερού ρεύματος από θερμική αντίσταση Η αρχή λειτουργίας της διάταξης είναι απλή : Αν μία πηγή σταθερού ρεύματος εφαρμοστεί σε μία θερμική αντίσταση, τότε στα άκρα της τελευταίας εμφανίζεται πτώση τάσης ανάλογη της τιμής της, δηλαδή τελικά ανάλογη της θερμοκρασίας που ανιχνεύει η κεφαλή - αισθητήρας. Αυτή η πτώση τάσης είναι η τελική πληροφορία που εξάγεται από την διάταξη. Έτσι, για τις ανάγκες της διπλωματικής αυτής σχεδιάστηκε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που λειτουργεί σαν πηγή σταθερού ρεύματος. Η σχεδίαση του τελικού κυκλώματος έγινε σε δύο στάδια τα οποία αναλύονται στις παραγράφους 4.2.1 και 4.2.2. 4.2.1 Πηγή Ρεύματος Το βασικό ηλεκτρονικό κύκλωμα που υλοποιεί τον αρχικό στόχο, ο οποίος είναι η διέλευση σταθερού ρεύματος από μία μεταβλητή αντίσταση (Pt 100) δίνεται στο σχήμα 4.9. Vo 1 f + 5 V 3 Vo Vcc 2 3 - + 11 LM324 1 BC177 4 2 Pt100 Σχήμα 4.9 : Κύκλωμα πηγής σταθερού ρεύματος Η αρχή λειτουργίας του κυκλώματος (βλ. σχήμα 4.9) συνοψίζεται στα εξής: 45
1 Οι αντιστάσεις 1 και 2 σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης. Έτσι, ο λόγος 1 2 προσδιορίζει τον αντίστοιχο λόγο τάσεων V 0 /V cc, άρα και την τιμή της πτώσης τάσης V 0 επί της αντίστασης 1. Η τιμή αυτή μεταφέρεται μέσω του τελεστικού ενισχυτή LM 324 αυτούσια και εφαρμόζεται πάνω στην αντίσταση 3 η οποία είναι η κρίσιμη αντίσταση του κυκλώματος. Από τιμή της εξαρτάται το ρεύμα του τρανζίστορ BC 177 το οποίο και παραμένει σταθερό ανεξάρτητα από την τιμή της μεταβλητής θερμικής αντίστασης (Pt 100) που περιλαμβάνει ο κλάδος. Ο μόνος παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει την σταθερότητα του ρεύματος είναι η τιμή της τάσεως V 0. Η τελευταία ακόμη και με το σταθεροποιημένο τροφοδοτικό (V cc ) που χρησιμοποιείται, είναι δυνατό να μεταβάλλεται έστω και ελάχιστα, λόγω πιθανών διαταραχών της τάσεως του δικτύου. Για να αποσυνδεθούν οι πιθανές αυτές διαταραχές από το ζητούμενο σταθερό ρεύμα στον τελικό κλάδο της θερμικής αντίστασης σχεδιάστηκε ένα κύκλωμα με σκοπό να παράγει την απόλυτα σταθερή τάση αναφοράς V 0 που απαιτείται σε κάθε περίπτωση. Λεπτομέρειες για το κύκλωμα αυτό δίνονται στην παράγραφο 4.2.2. Στην συνέχεια παρουσιάζεται συνοπτικά το βασικότερο δομικό υλικό του κυκλώματος σταθερού ρεύματος που είναι ο τελεστικός ενισχυτής LM 324. Ο ενισχυτής αυτός είναι ένας από τους 4 συνολικά όμοιους που περιλαμβάνει το αντίστοιχο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Αυτό φαίνεται στο σχήμα 4.10. Σχήμα 4.10 : Τελεστικός ενισχυτής LM 324. 4.2.2. Πηγή Τάσης Αναφοράς 46
Το ηλεκτρονικό κύκλωμα που παράγει την σταθερή τάση αναφοράς V 0 η οποία απαιτείται για να λειτουργήσει αξιόπιστα η πηγή σταθερού ρεύματος της προηγούμενης παραγράφου, δίνεται στο σχήμα 4.11. Vcc 9 + 5 V 10 5 V V * LM324 0 3 2 + - 4 11 1 BC238 6 LM 431A V * 7 8. Σχήμα 4.11 : Κύκλωμα πηγής τάσης αναφοράς Η τάση V * που εφαρμόζεται στην θετική είσοδο του ενισχυτή LM 324, 5 εξαρτάται μόνο από τον λόγο ενώ είναι ανεξάρτητη από τις τυχόν 6 7 διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας V cc. Περισσότερες λεπτομέρειες δίνονται στην συνέχεια. Μέσω του ενισχυτή η τάση V * μεταφέρεται στον κόμβο που βρίσκεται ακριβώς πάνω από την αντίσταση 8. Από την τιμή της αντίστασης αυτής εξαρτάται πλέον το ρεύμα στον κλάδο του τρανζίστορ BC 238. Το ρεύμα αυτό διέρχεται επίσης από την αντίσταση 10 όπου και προκαλεί μία πτώση τάσης V 0. Αυτή αποτελεί στην ουσία την τάση αναφοράς που παράγει το κύκλωμα και η οποία δεν εξαρτάται πλέον από την σταθερότητα της τροφοδοσίας V cc, αλλά από τις τιμές των επιμέρους στοιχείων του 5 κυκλώματος και κυρίως από τον λόγο. Έτσι, είναι εύκολο να ρυθμίζεται η 6 7 τάση αναφοράς V 0 στην επιθυμητή κάθε φορά τιμή, μεταβάλλοντας την αντίσταση 5. Στην συνέχεια παρατίθενται τα πλήρη τεχνικά χαρακτηριστικά του ολοκληρωμένου LM 431 A που είναι το βασικότερο στοιχείο του κυκλώματος που μόλις παρουσιάστηκε περιληπτικά. 47
Το ολοκληρωμένο LM 431 A λέγεται ρυθμιζόμενος σταθεροποιητής τάσης Zener. Υπάρχει σε δύο τύπους τα διαγράμματα συνδέσεων των οποίων δίνονται στα σχήματα 4.12 και 4.13. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε ο τύπος του σχήματος 4.12. Σχήμα 4.12 : συσκευασία με πλαστικό κάλυμμα 3 ακροδεκτών Σχήμα 4.13 : Επιφανειακής στήριξης 8 ακροδεκτών Το ισοδύναμο κύκλωμα του LM 431 A φαίνεται στο σχήμα 4.14 ενώ το συμβολικό του στο σχήμα 4.15. Σχ.4.14 Ισοδύναμο κύκλωμα 48
V ref Vz I z. Σχ.4.15:Συμβολικό κύκλωμα Αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του είναι: 1. Η τάση V EF κυμαίνεται μεταξύ των 2,44 V και 2,55 V με τυπική τιμή τα 2,495 V. Η απόκλιση της από την τιμή αυτή λόγω θερμοκρασίας (εκτός επιτρεπόμενης περιοχής), είναι ελάχιστη και δίνεται από τον θερμοκρασιακό συντελεστή : 50 ppm/ C. 2. Η τάση εξόδου V z έχει ελάχιστη τιμή ίση με την V EF ενώ μέγιστη ίση με 36 V. Η ρύθμιση μεταξύ των δύο αυτών τιμών γίνεται με δύο αντιστάσεις που λειτουργούν σαν διαιρέτης τάσης. Σε κάθε περίπτωση η τάση εξόδου V z που προκύπτει, είναι σχεδόν απόλυτα σταθεροποιημένη έναντι των διακυμάνσεων της τροφοδοσίας V cc. 3. Η τιμή του ρεύματος Ι z κυμαίνεται μεταξύ των 1mA και 100mA. 4. Η μέγιστη δυναμική σύνθετη αντίσταση εξόδου είναι r z U 075, 5. Η μέγιστη επιτρεπόμενη εσωτερική κατανάλωση ισχύος στους 25 C είναι 0,78 W. Με την αύξηση της θερμοκρασίας πέρα από τους 25 C η επιτρεπόμενη κατανάλωση πρέπει να μειώνεται με ρυθμό 6,2 mw/ C. 6. Η χρονική αδράνεια που εμφανίζει είναι ελάχιστη. 7. Διαθέτει θερμοκρασιακή αντιστάθμιση για περιπτώσεις που λειτουργεί σε μη επιτρεπτές θερμοκρασίες. 8. Περιοχή θερμοκρασιών αποθήκευσης : από -65 C έως +150 C. 9. Περιοχή θερμοκρασιών λειτουργίας : Εμπορικό LM 431 AC : από 0 C έως +70 C. Βιομηχανικό LM431 AI : από -40 C έως +85 C. 10. Θερμοκρασία συγκόλλησης άκρων (για χρόνο 10 sec) : 265 C. 4.2.3 Τελική Διάταξη Μέτρησης Θερμοκρασίας. 49
Το τελικό κύκλωμα που σχεδιάστηκε με βάση τα δύο που παρουσιάστηκαν (πηγή σταθερού ρεύματος και πηγή τάσης αναφοράς), δίνεται στο σχήμα 4.16. Οι τιμές των αντιστάσεων στο αριστερό μέρος της διάταξης (πηγή τάσης αναφοράς), επιλέχθηκαν έτσι ώστε να έχουμε σταθερή τάση V 0 =2V στους κρίσιμους κόμβους Α και Β του κυκλώματος. Έτσι, με την αντίσταση των 100 Ω στον εκπομπό του τρανζίστορ BC 177 πετυχαίνουμε σταθερό ρεύμα 20 ma στον τελικό κλάδο της μεταβλητής θερμικής αντίστασης Pt 100. Τώρα πλέον η μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία θα προκαλεί ισοδύναμη μεταβολή της πτώσης τάσης στα άκρα της, η οποία είναι εύκολο να μετρηθεί με ένα όργανο μέτρησης. Η δίοδος IN 4007 που διακρίνεται δεξιά στο κύκλωμα δεν επιτελεί κάποια ουσιαστική λειτουργία αλλά απλά προστατεύει το τρανζίστορ BC 177 σε περίπτωση υπέρτασης στον κόμβο της θερμικής αντίστασης Pt 100. Tελικά, η ρύθμιση της τιμής του σταθερού ρεύματος στον κλάδο του τρανζίστορ BC 177 γίνεται ως εξής: Αυξάνοντας την τιμή της μεταβλητής αντίστασης που συνδέεται με το ολοκληρωμένο LM 431 A έχουμε μείωση της τιμής του ρεύματος ενώ αντίστοιχα μειώνοντας την τιμή της αντίστασης, έχουμε αύξηση της τιμής του ρεύματος. Η τροφοδοσία V cc του κυκλώματος γίνεται από DC ένα σταθεροποιημένο τροφοδοτικό 9V που δίνει ρεύμα έως 0,5A. 50
9 V 10 μf 2 KΩ 12 KΩ + 7 0.1 μf 680 Ω 5 LM 431A 6 Trimer 2 KΩ 9 A f 100 Ω Vcc 470 Ω 1 Vcc 470 Ω B + - BC238 LM324 51 Ω LM324 2.2 MΩ 2 680 Ω 8 22 nf. Σχήμα 4.16 Τελικό κύκλωμα μέτρησης πτώσης τάσης σε θερμικές αντιστάσεις τύπου PT100. 3 1N4007 BC177 4 PT100. + - 51