Pętla prądowa 4 20 ma

Transkrypt

1 LABORATORIM: SIECI SENSOROWE Ćwiczenie nr Pętla prądowa 0 ma Opracowanie Dr hab. inż. Jerzy Wtorek Katedra Inżynierii Biomedycznej Gdańsk 009

2 Część pierwsza. Cel i program ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów ze standardami analogowymi przesyłania informacji. Jako pierwsze, w pomiarach na odległość stosowane były techniki analogowe. Wśród technik analogowych wyróżnia się tzw. metodę prądową. Zgodnie z teorią obwodów układ zastępczy każdego układu elektronicznego można przedstawić w postaci źródła napięciowego (Thevenina) lub prądowego (Nortona). Mimo, że układy są ekwiwalentne to w praktycznych sytuacjach mają różne właściwości, np. odporność na zakłócenia. W sytuacjach przemysłowych występuje wiele źródeł zakłócających i stąd nie można pominąć ich wpływu na dokładność pomiarów. W najprostszym przypadku można przyjąć, że zakłócenia będą indukować się w wyniku sprzężenia pojemnościowego linii przesyłającej sygnał z otoczeniem. Podobne pojemnościowe sprzężenie występuje także pomiędzy przewodami linii. Z układowego punktu widzenia czujnik wraz przetwornikiem sygnał - prąd można potraktować jako sterowane sygnałem (np. ciśnienie) źródło prądowe. Taki układ pracuje optymalnie w określonych warunkach, które określone są między innymi przez parametry układu zasilającego oraz rodzaj obciążenia (rezystancyjne, impedancyjne, itd.). Celem ćwiczenia jest zbadanie właściwości układu przetwarzającego wartość rezystancji na prąd. Zastosowany w ćwiczeniu układ przewidziany jest do współpracy z platynowym czujnikiem temperatury Pt00 w zakresie temperatur od -0ºC do +0 ºC. Zgodnie z normą PN-EN 07 oznacza to, że powinien poprawnie mierzyć rezystancję z zakresu 80, Ω do 9, Ω.

3 . Opis teoretyczny Rozwój systemów zbierania informacji a następnie sterowania rozpoczął się od systemów analogowych. Do komunikacji dla małych odległości wykorzystywano sygnał stałoprądowy, a na dalsze informacja zawarta była w częstotliwości przesyłanego sygnału. Rodzaje torów prądowych Prądowa pętla trójprzewodowa kład ten do przesyłania informacji wykorzystuje linię prądową oznaczoną jako I. Wartość prądu niesie informację o wielkości mierzonego sygnału, np. ciśnienia. Takie rozwiązanie pozwala na dowolny pobór prądu zasilania przez czujnik i interfejs Rys.. Sposób połączenia układu pomiarowego/zasilacza z czujnikiem za pomocą linii trójprzewodowej składającej się z masy, linii sygnałowej I, oraz zasilania Pomiar prądu płynącego w linii sygnałowej może być wykonywany w różny sposób. Po pierwsze prąd może płynąć do linii zasilania, lub po drugie może płynąć do masy. Przykład takiego rozwiązania pokazano na rysunku. Rys.. Przykład fabrycznego rozwiązania z wykorzystaniem czujnika ciśnienia oraz układu AD9 (Analog Devices) Opornik obciążenia R L linii prądowej włączony jest pomiędzy linię masy a linię sygnałową (stąd też kierunek płynącego prądu). Mimo, że na rysunku zaznaczono osobno

4 linię masy układu (Gnd) jest to układ trójprzewodowy a czteroprzewodowy. Należy zauważyć, Rys.. Schemat ideowy układu AD9 firmy Analog Devices (karta informacyjna Analog Devices, AD9) kład AD9 zawiera następujące podukłady: źródło napięciowe (voltage reference), różnicowy wzmacniacz wejściowy (A, buffer amplifier), konwerter napięcie prąd (A, A V-I converter). Zasada działania konwertera jest następująca: napięcie różnicowe przyłożone do wejść -SIG i +SIG konwertowane jest do prądu wg zależności: ( v v ) ( R R) + sig sig +. Jest to wynik działania sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu A, które doprowadza do równości napięć na jego wejściu odwracającym i nieodwracającym. Przy założeniu, że maksymalna wartość napięcia wynosi 0V daje to wartość prądu 0,8mA. Prąd ten doprowadzany jest do węzła (opornik R) i sumowany (prawo Kirchhoffa) z prądem 0,mA. Zatem przez opornik R płynie suma tych dwóch prądów. Wyjściowy prąd, I Out, jest sumą prądów przemnożoną przez wartość R R, czyli 0. W rezultacie dostajemy ( ( R + R) 0,) 0 v +. Pętla dwuprzewodowa Linia dwuprzewodowa może być zastosowana tam, gdzie układy czujnika i przetwornika razem nie pobierają większego prądu niż ma. W układzie takim (rysunek ) linie zasilające są jednocześnie linia sygnałową. Czujnik, zazwyczaj jest wyposażony w układ przetwarzający prąd lub napięcie wyjściowe w odpowiednią wartość prądu za pomocą układu sterowanego źródła prądowego (rysunek ). Wówczas, gdy do czujnika nie jest przyłożony mierzony

5 sygnał wówczas wartość prądu ma i jest ona równoznaczna z wartością zerową sygnału (rysunek ). Rys.. Sposób połączenia czujnika i układu pomiarowego/zasilacza za pomocą linii dwuprzewodowej Wówczas, gdy do czujnika nie jest przyłożony mierzony sygnał wówczas wartość prądu ma i jest ona równoznaczna z wartością zerową sygnału (rysunek 7). Rys.. Schemat linii dwuprzewodowej -0mA, V-CCCS oznacza źródło prądowe sterowane prądem lub napięciem, R L rezystancja odbiornika linii, V R napięcie odbiornika linii, V s napięcie zasilania linii, V cc napięcie zasilania czujnika i nadajnika linii a) b) Rys.. Standard -0 ma, FS pełny zakres (ang. Full Scale) a), układ przetwornika -0 ma firmy Burr-Brown

6 Schemat zastępczy linii dwuprzewodowej w standardzie -0 ma przedstawiono na rysunku 7. względnia on rezystancję samej linii, R l, której wartość może wpływać na dokładność pomiarów. Wartość tej rezystancji wynika z kompromisu pomiędzy dokładnością mierzonego napięcia a dopuszczalną wartością określaną przez napięcia zasilania V s. Rys. 7. Schemat zastępczy linii dwuprzewodowej uwzględniający rezystancję linii R l, rezystancję urządzeń pomiarowych R u oraz rezystancję odbiornika R L, V s napięcie zasilania, R z rezystancja wyjściowa źródła prądowego Przykład realizacji nadajnika linii dwuprzewodowej przedstawiono na rysunku 8. Składa się z on ze wzmacniacza różnicowego o dobieranej, za pomocą rezystora R S, Rys. 8. Schemat ideowy układu XTR0, A i A pracują w układzie wzmacniacza różnicowego a wzmacniacz A w układzie konwertera V/I

7 . Literatura Karta katalogowa AD9, -0 ma Transmiter, Analog Devives Karta katalogowa XTR0, Precision, Low Drift -0mA two-wire transmitter, Burr-Brown Karta katalogowa XTR0, -0mA current transmitter with sensor excitation and linearization, Burr-Brown Karta katalaogow RCV0, Precision ma to 0mA current loop receiver, Burr-Brown

8 . Spis aparatury i instrukcja ustawienia ćwiczenia kład pomiarowy składa się z układu TCx-xxx firmy Czako, dekady rezystorowej R0 symulującej czujnik Pt00 (rezystor - dekada R0), zasilacza o kontrolowanej wartości napięcia i wydajności prądowej oraz generatora, Gen, pozwalającego symulować wpływ sprzężenia pojemnościowego przewodów z otoczeniem. Pojemności C s symulują sprzężenie z otoczeniem, a pojemność C0 sprzężenie pomiędzy przewodami. Praktycznie obydwa sprzężenia mają identyczny wpływ. kład TCX-xxx jest układem do pomiaru temperatury miedzy innymi za pomocą czujnika Pt00 zakresie od -0 do +0 C. Wartość sygnału prądowego mierzona jest poprzez pomiar spadku napięcia na rezystorze R L. Rys. 9. Schemat ideowy układu pomiarowego Rys. 0. Wygląd pakietu, porty oznaczone cyframi,, pozwalają podłączyć odpowiednio, R, R0 i C0

9 Zastosowany w laboratorium układ TCX-xxx jest przystosowany do pomiaru rezystancji w zakresie od 80,0 9, Ω. Zgodnie z normą PN-EN 07 jest to zerka zmian rezystancji czujnika Pt 00 w zakresie temperatury od -0 do +0 ºC. Rys.. Schemat pomiarowy. Zadania i przebieg ćwiczenia Zadanie (schemat wg rys. 9) - Do portu oznaczonego podłączyć rezystor o wartości R=0 Ω (zwora), - Do portu podłączyć dekadę rezystorowa, - Do portu oznaczonego R pom podłączyć rezystor o wartości 00 Ω, - Podłączyć woltomierz do portu oznaczonego napisem Woltomierz, - Włączyć zasilacz i ustawić napięcie z=0 V i ograniczenie prądu I=0 ma, - Wyłączyć zasilacz i podłączyć pakiet do zasilacza, - Poprosić prowadzącego zajęcia o sprawdzenie poprawności połączeń, - Przeprowadzić pomiary, sześciokrotne dla każdej wartości, dla zmiennej wartości R0 zgodnie z ustawieniami podanymi w Tabeli poniżej i obliczyć odpowiadająca wartość średnią i wariancję. Zadanie Powtórzyć zadanie, z tym że zamiast rezystancji R=0 Ω użyć rezystora o wartości R=0 Ω (użyć dekady). Pomiary wykonać wielokrotnie dla każdej wartości R0.

10 Zadanie Powtórzyć zadanie, z tym że zamiast rezystancji R=0 Ω użyć rezystora o wartości R=0 Ω (dekada rezystorowa). Pomiary wykonać wielokrotnie dla każdej wartości R0. Zadanie kład jak w zadaniu, z tym, że zamiast rezystora R podłączyć dekadę, a w miejsce dekady (port ) podłączyć rezystor o wartości00 Ω. Przeprowadzić pomiary (wielokrotnie) dla zakresu wartości rezystancji R podanego w tabeli. Zadanie kład jak z rysunku 9, przy czym podłączyć rezystor R0 = 00 Ω oraz R = 0 Ω (zwora). Zamiast R pom = 00 Ω podłączyć dekadę rezystorową. Wykonać wielokrotne pomiary dla każdej wartości R pom. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. Zadanie kład jak z rysunku 9, przy czym podłączyć rezystor R0 = 00 Ω oraz R = 0 Ω (zwora), R pom =00 Ω. Podłączyć generator. Woltomierz przełączyć na pomiar napięcia zmienne (ang. alternating current -AC). Wykonać wielokrotne pomiary zgodnie z tabelą. Wyniki pomiarów umieścić a tabeli. Zadanie 7 Przeprowadzić pomiary jak w zadaniu, z tym że podłączyć pojemność C0 i zamiast R pom włączyć dekadę i ustawić wartość R pom = 00 Ω. Pomiary powtórzyć wielokrotnie dla każdej częstotliwości. zyskane dane umieścić a tabeli. Zadanie 8 Przeprowadzić pomiar jak w zadaniu, z tym że włączyć ograniczenia prądu I =0,0 A. Wyniki wielokrotnych pomiarów umieścić w tabeli 8.

11 Część druga. Sprawozdanie Zadanie R=0 Ω R0 Ω 80, , Zadanie R=0 Ω R0 Ω 80, ,

12 Zadanie R=0 Ω R0 Ω 80, , Zadanie R0=00 Ω R Ω

13 Zadanie R0=00 Ω, R = 0 Ω R pom Ω Zadanie R0=00 Ω, R = 0 Ω, R pom = 00 Ω F khz 0,0 0, 0 0

14 Zadanie 7 R0=00 Ω, R = 0 Ω, R pom = 00 Ω C0 0 F khz 0,0 0, 0 0 Zadanie 8 R=0 Ω R0 Ω 80, , Wykonać wykresy wartości średniej i wariancji przeprowadzonych pomiarów. Podać wnioski wynikające z otrzymanych wykresów.

15 Załącznik Wartość rezystancji czujnika Pt00dla różnych temperatur, wg normy PN-EN 07