Cyfrowo sterowane symulatory rezystancji i konduktancji przegląd, opisy działania, przykłady rozwiązań

Transkrypt

1 Pomiary Automatyka obotyka /008 Cyfrowo sterowane symulatory rezystancji i konduktancji przegląd, opisy działania, przykłady rozwiązań Jacek Korytkowski Opisano budowę symulatorów rezystancji i konduktancji, dzieląc je wg zasady działania na trzy charakterystyczne grupy. Podano opisy przykładów ich rozwiązań technicznych. Omówiono wyniki badań dokładności symulatorów. dobie dominacji układów mikroprocesorowych, do budowy elektronicznych urządzeń automatyki i pomiarów oraz urządzeń testujących powszechnie stosuje się przetworniki cyfrowo-analogo. Takie przetworniki o wyjściach prądowych i napięciowych od dawna szczegółowo opisywano w literaturze. Układy przetworników cyfrowo-analogowych, których wielkością wyjściową jest symulowana rezystancja, są tu nazwane symulatorami rezystancji. ozwiązania układów tych symulatorów są rzadko opisywane w ogólnodostępnej literaturze technicznej [] i dlatego autor postanowił zapoznać z nimi Czytelników PA. naczącą w praktyce przemysłoj grupę układów pomiarowych i układów automatyki stanowią układy z jściowymi rezystancyjnymi czujnikami temperatury. Powszechnie stosuje się platyno rezystancyjne czujniki temperatury Pt 00, Pt 500, Pt 000, gdyż charakteryzują się one dobrą stałością charakterystyki w czasie. tosowane są także rezystancyjne czujniki niklo Ni oraz miedzio Cu o gorszych właściwościach metrologicznych. tego powodu współczesne stanowiska pomiaro i testery do kontroli właściwości metrologicznych urządzeń pomiarowych temperatury i ciepła muszą stosować dokładne symulatory rezystancji sterowane sygnałem cyfrowym. Można wyodrębnić grupy różnych urządzeń pomiarowych przeznaczonych do współpracy z rezystancyjnymi czujnikami temperatury. ą to: cyfro lub analogo mierniki temperatury, przetworniki pomiaro temperatury o sygnałach wyjściowych analogowych lub cyfrowych, mikroprocesoro lub analogo regulatory temperatury oraz dość liczne mikroprocesoro ciepłomierze stosowane do rozliczeń zużycia energii cieplnej. Mają one dwa jścia przystosowane do dołączenia dwu rezystancyjnych czujników Pt 00 lub Pt 500, mierzących temperaturę zasilania oraz temperaturę powrotu medium grzejącego lub chłodzącego dany obiekt. doc. dr inż. Jacek Korytkowski najomość układów cyfrowo sterowanych symulatorów rezystancji jest niezbędna przy konstruowaniu komputerowych stanowisk pomiarowych oraz mikroprocesorowych zestawów do testowania różnorodnych urządzeń pomiarowych i urządzeń automatyki. Od symulatorów rezystancji przeznaczonych do urządzeń testujących wymaga się dużej dokładności. Toteż przetworniki cyfrowo-analogo, stanowiące symulatory rezystancji, przetwarzają z dużą dokładnością wypracowane w układach mikroprocesorowych sygnały cyfro na analogo wartości rezystancji. Do ich budowy stosuje się odpowiednie elektroniczne przełączniki analogo, zestawy precyzyjnych rezystorów oraz układy liniowych wzmacniaczy monolitycznych. Warto zastanowić się, z jaką dokładnością powinny być zadawane rezystancje w układach symulatorów przeznaczonych do wzorcowania cyfrowych mierników temperatury, przetworników pomiarowych i mikroprocesorowych regulatorów temperatury z jściami przystosowanymi do rezystancyjnych czujników temperatury typu Pt 00 lub Pt 500. azwyczaj wymaga się symulacji temperatury z dokładnością do 0, % zakresu jej zmian. Przy symulacji czujnika temperatury Pt 00 w zakresie 0 00 C odpowiada to dopuszczalnemu błędowi symulacji 0, C, a to stanowi ok. 40 mw dla czujnika Pt 00 lub ok. 00 mw dla czujnika Pt 500 i jest względnym dopuszczalnym błędem symulacji rezystancji o wartości ok. 0,04 %. Dopuszczalne błędy symulatorów czujników rezystancyjnych dla stanowisk do legalizacji ciepłomierzy do wody są wielokrotnie mniejsze. Toteż obecnie symulatory rezystancji czujnika temperatury zasilania i czujnika temperatury powrotu, stosowane w tych stanowiskach, wykorzystują sterowane cyfrowo elektromechaniczne serwomechanizmy położenia. erwomechanizmy te ustawiają w odpowiednich położeniach styki specjalnych przełączników o nieznacznej rezystancji w stanie przewodzenia (ok. mw). Tym sposobem serwomechanizmy te powodują przyłączenie do wyjścia odpowiedniego precyzyjnego rezystora o wymaganej rezystancji. 6

2 Pomiary Automatyka obotyka /008 asada działania symulatorów chemat blokowy symulatora rezystancji podano na rys.. Wejściowy sygnał cyfrowy X o odpowiednim kodzie steruje stanami załączeń układu analogowych przełączników sieci precyzyjnych rezystorów. ealizuje się następujące funkcje: zadawania wartości rezystancji lub konduktancji na dwu nieobciążonych zaciskach wyjściowych zadawania wartości rezystancji odpowiednio wzmocnionej lub tłumionej przez wyjściowy układ przetwornika i symulowania jej na dwu zaciskach wyjściowych symulatora albo odpowiedniego sterowania współczynnikiem wzmocnienia prądu proporcjonalnego do napięcia na wyjściu symulatora i wymuszania wartości prądu na jego dwu zaciskach wyjściowych, symulując dzięki temu rezystancję na tych zaciskach. e względu na sposób realizacji wyróżnia się trzy grupy symulatorów rezystancji: symulatory dwójniko rezystancji lub konduktancji symulatory stosujące konrtery lub inrtery impedancji symulatory stosujące cyfro sterowanie i wymuszanie prądu wyjściogo proporcjonalnego do napięcia wyjściogo. W pierwszej grupie dwójnikowych symulatorów stosuje się połączenie szerego rezystorów bitowych (o wartościach w układzie dwójkowym) odpowiednio włączanych lub zwieranych kluczami sterowanymi sygnałem cyfrowym. W tej grupie symulatorów dwójnikowych można stosować też równoległe łączenie rezystorów, stanowiących konduktancje bito odpowiednio włączane lub przerywane kluczami sterowanymi sygnałem cyfrowym dla otrzymania odpowiedniej wartości konduktancji. W drugiej grupie symulatorów z konrterami lub inrterami impedancji, stosuje się połączenie kaskado dwu konrterów ujemnej impedancji, a sieć rezystorów zadaje wartość rezystancji obciążenia ostatniego z nich proporcjonalną do cyfrogo sygnału sterującego. ezystancja ta jest odpowiednio wzmacniana lub tłumiona i przetwarzana na dodatnią impedancję jściową pierwszego konrtera, którego zaciski jścio są zaciskami symulatora. W tej grupie symulatorów wykorzystywać można znane z elektrotechniki teoretycznej [, ] proste, jednowzmacniaczo konrtery ujemnoimpedancyjne oznaczane symbolem ys.. chemat blokowy symulatora rezystancji lub konduktancji NIC (Negative Impedance Converter) [4]. W tej grupie symulatorów stosować też można żyrator, stanowiący inrter dodatnioimpedancyjny PIV (Positive Impedance Inverter) []. W realizacji elektronicznej [] jest to układ dwuwzmacniaczowy z siedmioma dokładnymi rezystorami w obwodach sprzężeń i obwodach obciążenia wzmacniaczy. Żyrator ma tę właściwość, że jego rezystancja jściowa jest dodatnia i proporcjonalna do konduktancji obciążenia wyjścia żyratora, tak więc zaciski symulatora stanowią jście żyratora. W symulatorze tym należy cyfrowo sterować wartością konduktancji zadawanej na wyjściu żyratora. W trzeciej grupie symulatorów z cyfrowym sterowaniem i wymuszaniem prądu wyjściogo, sieć rezystorów odpowiednio steruje współczynnikiem wzmocnienia prądu wyjściogo wzmacniacza. Prąd ten jest proporcjonalny do napięcia mierzonego na zaciskach symulatora oraz odwrotnie proporcjonalny do sterującego sygnału cyfrogo i wymuszany na zaciskach symulatora. W symulatorach tych należy cyfrowo sterować odwrotnością wzmocnienia wymuszanego prądu. powodzeniem można stosować do sterowania wzmocnienia najdokładniejsze układy dzielników rezystancyjnych - lub dzielników rezystancyjnych BCD w kodach 84 lub 4 []. ymulatory dwójniko ą to najprostsze układy złożone z rezystorów o bitowych wartościach rezystancji lub konduktancji oraz przełączniki analogo sterowane sygnałem cyfrowym, które odpowiednio łączą te rezystory. Na rys. podano schemat dwójnikogo symulatora rezystancji. ezystancję wyjściową takiego symulatora, po zastosowaniu naturalnego dwójkogo kodu ułamkogo, opisuje wzór: wy =(a - +a - +a - +a a n -n ) () gdzie: pełny zakres rezystancji wyjścioj symulatora o liczbie bitów n a, a, a n funkcje dwuwartościo określające stany bitów cyfrogo sygnału sterującego. Podany układ symulatora rezystancji rzadko wykorzystywano w praktyce, gdyż charakteryzują go duże systematyczne błędy, wynikające z niepomijalnej wartości rezystancji styków przełączników analogowych i dochodzące do wartości n razy rezystancja przewodzenia przełącznika analogogo pp. Obecnie niektóre wykonania przełączników analogowych w tym tranzystorów unipolarnych Por MOFET charakteryzuje rezystancja przewodzenia pp nat rzędu 0 mw. Największy błąd symulatora 7

3 Pomiary Automatyka obotyka /008 występuje przy wszystkich zwartych przełącznikach analogowych, a więc przy symulacji rezystancji równej zero. Błąd ten można określić wzorem: n pp 00 % /. Na przykład dla wartości n=0, =0000 W oraz pp =0,4 W błąd ten wyniesie tylko 0,0 %. Autor wykonał model układu symulatora dwójnikogo rezystancji wg schematu z rys. o parametrach n=0, =0kW oraz użył tanich tranzystorów unipolarnych Por MOFET typu IFD0 firmy International ectifier jako przełączników analogowych sterowanych sygnałem cyfrowym. badań eksperymentalnych wynikało, że rezystancja w stanie przewodzenia przełącznika zawierającego dwa tranzystory wynosiła pp =0,4 W, a rezystancja w stanie otwartym wynosiła op = 0 8 W. ys.. chemat dwójnikogo symulatora rezystancji Podany układ symulatora konduktancji jest bardzo często wykorzystywany w praktyce, gdyż błędy wynikające z niepomijalnej wartości rezystancji przewodzenia przełączników analogowych mogą być minimalizowane odpowiednim zmniejszeniem rezystancji rezystorów bitowych o konduktancjach G -k, gdzie k to numer kolejnego bitu. Minimalizacja ta jest możliwa tylko w procesie wzorcowania symulatora, więc nie daje wyniku przy zmianach czasowych rezystancji przewodzenia przełączników analogowych w trakcie eksploatacji symulatora. Dlatego przy stosowaniu jako przełączników analogowych przekaźników elektromagnetycznych (w tym kontaktronów), trzeba o tym pamiętać. Dla tego układu symulatora warto rozważyć wpływ rezystancji op przełącznika analogogo w stanie otwarcia (nieprzewodzenia). Dla tranzystorów unipolarnych może ona przyjmować wartości 0 8 W []. Nie trudno zauważyć, że największy błąd symulatora wystąpi przy wszystkich otwartych przełącznikach analogowych, a więc przy symulacji konduktancji równej zero. Błąd ten można określić wzorem: n00 % / op G. Na przykład dla wartości n = oraz G =,5 0 - błąd wyniesie 0,005 %. Błąd względny symulowanej rezystancji, odniesiony do górnej granicy zakresu 40 kw, w całym zakresie nie przekraczał 0,009 %. Tab. podaje wyniki badań modelu symulatora wykonanego wg schematu podanego na rys.. Tab.. mierzone wartości błędów bezwzględnych w kilku punktach charakterystyki symulatora wy (W) D wy (W) +, , -0, -0,8 -, ymulatory rezystancji wykorzystujące układy wzmacniaczo konrterów impedancji Czwórnik elektryczny opisują równania łańcucho o postaci: U = AU + BI () I = CU + DI (4) Na rys. podano schemat dwójnikogo symulatora konduktancji. Konduktancję wyjściową takiego symulatora, po zastosowaniu kodu ułamkogo naturalnego dwójkogo, można wyrazić wzorem: G wy =G(a - +a - +a - +a a n -n ) () gdzie: G pełny zakres konduktancji wyjścioj symulatora o liczbie bitów n a, a, a n funkcje dwuwartościo określające stany bitów cyfrogo sygnału sterującego. ys.. chemat dwójnikogo symulatora konduktancji Konrtery impedancji są to czwórniki aktywne, służące do proporcjonalnego przetworzenia impedancji obciążenia. Aby spełniać tę rolę, macierz łańcuchowa konrtera musi mieć parametry B =0 oraz C =0. Dzięki temu impedancja jściowa konrtera jest proporcjonalna do impedancji obciążenia wyjścia: U A U A I D I D = = = o gdzie o impedancja obciążenia konrtera. (5) Inrtery impedancji są to czwórniki aktywne służące do odwrotnie proporcjonalnego przetworzenia impedancji obciążenia. Macierz łańcuchowa inrtera musi mieć parametry A =0 oraz D =0. Dzięki temu impedancja jściowa inrtera jest odwrotnie proporcjonalna do impedancji obciążenia: U B I B = = = I C U C o gdzie o impedancja obciążenia konrtera. (6) 8

4 Pomiary Automatyka obotyka /008 Literatura [, ] opisuje prostą w praktyce realizację wzmacniaczogo konrtera ujemnoimpedancyjnego, tj. układu zwanego CNIC (Current Negative Inverting Converter) o ujemnym współczynniku wzmocnienia prądogo: gdzie D = k I = k I ujemny współczynnik wzmocnienia prądogo (7) oraz o dodatnim współczynniku wzmocnienia napięciogo równym jedności: U = k U (8) gdzie A =k = jest dodatnim współczynnikiem wzmocnienia napięciogo. Jego impedancja to: A D k = o = o (9) chemat realizacji takiego konrtera z wykorzystaniem wzmacniacza podano na rys. 4. tości ok. 50 µs dla wymienionego wyżej wzmacniacza. Opisana korekcja ogranicza pasmo robocze konrtera do kilkudziesięciu Hz, jednak jest ono zazwyczaj wystarczające dla zastosowań symulatorów rezystancji. Wzmacniacz W ma właściwości zbliżone do wzmacniacza idealnego, toteż napięcie pomiędzy jego końcówkami jściowymi oznaczonymi + oraz jest równe zeru, a prądy obydwu końcók jściowych wzmacniacza są pomijalnie małe. Przy takim założeniu otrzymuje się następujące równanie napięć dla obwodu jściogo wzmacniacza: I + I =U ab = 0 (0) równania tego wynika wartość współczynnika wzmocnienia prądogo: I I = = k () Ponieważ napięcie pomiędzy końcówkami jścia wzmacniacza jest równe zeru, to występuje równość napięcia jściogo i wyjściogo: U = U () a wartość wzmocnienia napięciogo jest równa jedności U = = U k () Impedancja jściowa konrtera wynosi: = o (4) ys. 4. chemat jednowzmacniaczogo konrtera ujemnoimpedancyjnego Należy tu zwrócić uwagę, że literatura [, ] na schemacie konrtera ujemnoimpedancyjnego zamiast impedancji,, o podaje rezystancje,, o. ealizacja układu wzmacniacza tylko z rezystancjami wykazuje brak stabilnej jego pracy i występowanie drgań. Aby uzyskać stabilną pracę układu, autor zastosował tak zwaną kompensację zewnętrzną w postaci kondensatora łączącego wyjście wzmacniacza z odwracającym jściem [4]. Kondensator ten zapewnia typo ujemne różniczkujące sprzężenie zwrotne. Po zastosowaniu takiego sprzężenia uzyskuje się już stabilną pracę, a impedancja staje się równoległym połączeniem rezystora i kondensatora korekcyjnego C. Na przykład przy zastosowaniu wzmacniacza scalonego typu OP07CP w układzie z samymi rezystancjami, praca układu jest niestabilna i występują drgania o częstotliwości ok. 70 khz. Dodanie jednego równoległego kondensatora C stabilizuje pracę układu, wartość pojemności powinna zapewnić stałą czasową C o war- Przyjmując następujące wartości impedancji w układzie konrtera ujemnoimpedancyjnego: =, =, o = o (5) + sc otrzymamy następującą operatorową postać jścioj impedancji konrtera: o ()= s (6) + sc Układ ma charakterystykę członu inercyjnego pierwszego rzędu o stałej czasoj C. Przy analizie przebiegów harmonicznych impedancja jściowa konrtera jest opisana wzorem: o ( jw) = (7) + jwc Przy analizie układu dla bardzo niskich częstotliwości lub przy prądzie stałym impedancja jściowa konrtera jest rezystancją opisaną wzorem: o = (8) 9

5 Pomiary Automatyka obotyka /008 Połączenie kaskado dwu konrterów ujemnoimpedancyjnych CNIC, w których wszystkie impedancje są rezystancjami, oraz dołączenie cyfrowo sterowanej rezystancji o (X ) jako obciążenia wyjścia drugiego konrtera, pozwalają na zrealizowanie symulatora dodatniej rezystancji w zakresie prądu stałego i niskich roboczych częstotliwości. Koniecznością jest zastosowanie w każdym konrterze dodatkogo kondensatora dla zapewnienia stabilnej pracy układów. ys. 5 przedstawia sprawdzony doświadczalnie przez autora schemat symulatora rezystancji złożonego z kaskadogo połączenia dwu ujemnoimpedancyjnych konrterów. W układzie symulatora rezystancji zastosowano dwa wzmacniacze monolityczne typu OP07C firmy Linear Technology (odpowiednik AD OP07C Analog Devices). Ich napięcia niezrównoważenia wyzerowano za pomocą potencjometrów P i P o wartościach rezystancji 0 kw zgodnie z kartą aplikacyjną wzmacniacza OP07. Długoterminowy dryft napięcia niezrównoważenia tego wzmacniacza nie przekracza,5 µv w czasie ciągłej pracy przez 0 dni (70 godz.), a prąd polaryzacji jść wzmacniacza wynosi typowo tylko na. Wzmacniacz W realizuje pierwszy konrter ujemnoimpedancyjny, a rezystory precyzyjne oraz typu M 67 [5] o dryftach temperaturowych nie przekraczających 5 ppm/ C i miesięcznym dryfcie długoczasowym nie przekraczającym 0 ppm/70h zapewniają inrsję znaku i bardzo dokładne 00- krotne tłumienie wartości ujemnej rezystancji jścioj drugiego konrtera. Iloraz rezystancji / jest korygowany dodatkowym rezystorem w procesie wzorcowania całego symulatora w celu osiągnięcia dokładnej wartości tłumienia rezystancji zadawanej o (X ). Wzmacniacz W realizuje drugi konrter ujemnoimpedancyjny, a rezystory precyzyjne i typu M 67 zapewniają inrsję znaku i bardzo dokładne wzmocnienie, ze współczynnikiem wzmocnienia równym jedności, zadawanej rezystancji o (X ) na obciążeniu wyjścia tego konrtera. ezystancję o (X ) zadawano w zakresie od 0 kw do 40 kw z dokładnością nie gorszą niż 0,009 %. Kondensatory C oraz C zapewniają stabilną pracę konrterów. Na zaciskach oznaczonych oraz symulatora rezystancji mierzono symulowaną rezystancję w zakresie od 00 W do 400 W. Charakterystykę symulatora w zakresie bardzo niskich częstotliwości lub przy prądzie stałym można opisać wzorem: ys. 5. chemat symulatora rezystancji złożonego z kaskadogo połączenia dwu konrterów ujemnoimpedancyjnych Tab.. mierzone wartości błędów bezwzględnych w kilku punktach charakterystyki symulatora s (W) 00,000 00,000 00,000 50,000 70,000 87,500 99,609 D s (mw) a a... a n s = omax ( n ) (9) gdzie omax maksymalna wartość zadawanej rezystancji o (X ). Do zadawania rezystancji o (X ) wykonano model i wykorzystano opisany wyżej i podany na rys. dwójnikowy symulator rezystancji o parametrach: n=0, =0kW, pp =0,4 W, op = 0 8 W. Błąd względny mierzonej rezystancji w całym zakresie nie przekraczał 0,0 % w odniesieniu do górnej granicy zakresu 400 W. Tab. podaje wyniki badań modelu symulatora o schemacie podanym na rys. 5 z układem zadawania rezystancji (symulatorem dwójnikowym) wg schematu podanego na rys.. ymulatory rezystancji, zgodnie z wyprowadzonym wzorem (6), można realizować z wykorzystaniem inrterów impedancji. Literatura [] podaje schemat i opisuje teoretyczne zależności dla układu dwuwzmacniaczogo inrtera impedancji nazwanego żyratorem. Jest to układ wymagający większej liczby dokładnych rezystorów niż układ dwuwzmacniaczowy konrterów ujemnoimpedancyjnych omówiony powyżej. ys. 6. Uproszczony schemat symulatora rezystancji z sygnałem prądowym wymuszanym na zaciskach tego symulatora 0

6 Pomiary Automatyka obotyka /008 Autorowi nie jest znana żadna udana realizacja układu dokładnego symulatora rezystancji wykorzystującego wielorezystancyjny i wielowzmacniaczowy układ żyratora. ymulatory rezystancji z układami wzmacniaczowymi o cyfrowo sterowanym sygnałem prądowym wymuszanym na zaciskach Uproszczony schemat blokowy symulatora rezystancji z sygnałem prądowym wymuszanym na zaciskach symulatora podaje rys. 6. ymulator o tej zasadzie działania opracowano w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów [] w Warszawie i oznaczono jako -. Jest to układ aktywny, który wymusza wartość prądu odbieranego z zacisków jściowych i symulatora. Prąd ten ma wartość proporcjonalną do napięcia na zaciskach jściowych U oraz odwrotnie proporcjonalną do cyfrogo sygnału sterującego X. Najłatwiej przedstawić fizyczną realizację takiego symulatora rezystancji jako układ stanowiący kaskado połączenie: wzmacniacza napięciogo o pomijalnie dużej rezystancji jścioj i o sterowanym współczynniku wzmocnienia napięciogo o wartości odwrotnie proporcjonalnej do sygnału sterującego X dług zależności ku U X U wy = (0) gdzie n X =[ a + a + a a n ] U ku I G X = = () Uproszczony schemat opracowanego przez autora [] układu symulatora rezystancji o oznaczeniu - podano na rys. 7. awiera on układ inrsyjnego przetwornika napięcie-prąd, znany z literatury [6]. Układ tego przetwornika zrealizowano na dwu wzmacniaczach monolitycznych typu OP-07C oznaczonych na schemacie symbolami W oraz W. W układzie tym, przy spełnieniu warunku: = +, prąd wyjściowy I jest niezależny od napięcia U na wyjściu i przy założeniu podanego na schemacie zwrotu prądu, wynikającego z inrsji układu, jego wartość jest opisana równaniem: U wy I = (4) a więc transmitancja układu przetwornika ma charakter konduktancji o wartości: G = (5) ezystancja jściowa układu przetwornika napięcie-prąd jest bardzo duża, więc układ tego przetwornika nie obciąża wyjścia wzmacniacza o sterowanym wzmocnieniu W. Wzmacniacz W jest wzmacniaczem nieinrsyjnym o bardzo dużej rezystancji jścioj o współczynniku wzmocnienia napięciogo odwrotnie proporcjonalnym do cyfrogo sygnału sterującego X. Wzmacniacz W pracuje w układzie nieinrsyjnym, w którym jego napięcie sprzężenia zwrotnego jest pobierane z dzielnika napięcia wyjściogo, a dzielnikiem tym jest symetryczna drabinka oraz przetwornika sygnału napięciogo U wy na sygnał prądowy I z inrsją, co oznacza, że dla dodatniego napięcia na jściu przetwornika, sygnał prądowy jest odbierany (sink current) przez zacisk wyjściowy tego przetwornika. Transmitancja przetwornika ma wymiar konduktancji G, a jego sygnał wyjściowy opisuje równanie I s =G s U wy () równań (0) oraz () otrzymamy wzór na impedancję jścia symulatora: U ku I G X = = () Jeżeli w zakresie rozpatrywanego częstotliwościogo pasma roboczego symulatora, parametry k u, G, X można traktować jako wielkości rzeczywiste, to symulowana rezystancja wynosi: ys. 7. chemat układu symulatora rezystancji z cyfrowo sterowanym sygnałem prądowym wymuszanym na zaciskach symulatora

7 Pomiary Automatyka obotyka /008 Tab.. mierzone wartości błędów bezwzględnych w kilku punktach charakterystyki symulatora w zakresie 400 W s (W) 75,99 5,996 55,994 96,004 5,989 76,000 5,994 56,006 96,005 D s (mw) Tab. 4. mierzone wartości błędów bezwzględnych w kilku punktach charakterystyki symulatora w zakresie 4000 W s (W) 99,95 800,09 99,98 600, 000,08 99,9 799,08 99,4 999,49 D s (mw) -0,05-0,6-0,5-0,8-0, +0,49 +0,60 +0,57 +0,4 - sterowana sygnałem cyfrowym. Drabinka ta połączona jest poprzez rezystory przełącznikami sterowanymi cyfrowo do napięcia wyjściogo wzmacniacza U wy, przy czym napięcie wyjścio z drabinki pobierane jest z węzła i jest to napięcie U zw napięcie sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Ponieważ napięcie niezrównoważenia wzmacniacza W (w opisywanym układzie zastosowano wzmacniacz monolityczny typu OP-07C o wzmocnieniu napięciowym nie mniejszym niż 0 6 V/V) jest sprowadzone do zera, to napięcie jścio wzmacniacza U jest praktycznie równe napięciu sprzężenia zwrotnego U =U zw (6) ozpatrując schemat drabinki - otrzymać można dla schematu z rys. 7 wzór na napięcie jścio wzmacniacza: Uwy n U = a + a a an [ ] (7) Napięcie wyjścio wzmacniacza będzie więc opisane wzorem: U wy U = n a + a + a [ a ] n (8) Napięcie wyjścio wzmacniacza jest, więc odwrotnie proporcjonalne do sygnału sterującego X. Przekształcając odpowiednio równania (8) oraz (4) i uwzględniając, że sygnał sterowania cyfrogo jest 5-bitowy, otrzymamy następujący opis charakterystyki symulatora rezystancji: U a a = = a... a 5 [ ] (9) I Opisany układ realizuje dwa zakresy rezystancji: dla wartości = 00 W zakres do 400 W oraz dla wartości = 000 W zakres do 4000 W. W układzie w dzielniku - zastosowano rezystory precyzyjne typu M 70Y o rezystancji = 0 50 W, oraz = W selekcjonowane o tolerancji 0,0 % dla czterech najbardziej znaczących bitów, o tolerancji 0,0 % dla następnych czterech bitów oraz o tolerancji % dla ostatnich siedmiu bitów. Jako przełączniki analogo zastosowano mikroprzekaźniki do obwodów drukowanych typu MT firmy ALCATEL o rezystancji styku nie przekraczającej 50 mw. Jako rezystory,,, 4 zastosowano rezystory precyzyjne M 70Y lub AT 0,5 W o współczynniku temperaturowym rezystancji nieprzekraczającym 5 ppm/ C odpowiednio selekcjonowane lub odpowiednio korygowane rezystorami równoległymi dla zapewnienia dokładności 0,0 %. Pozostałe rezystory (takie jak /, /, / 4 ) nie decydujące bezpośrednio o dokładności, są rezystorami typu MŁT 0,5 W o tolerancji 5 %. Wszystkie trzy monolityczne wzmacniacze scalone OP-07C mają zastosowane potencjometry P =P = P o rezystancji 0 kw, które umożliwiają wyzerowanie napięć niezrównoważenia na jściach wzmacniaczy. Dla zapewnienia stabilnej pracy układu kaskadogo połączenia trzech wzmacniaczy objętych prądowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym, zastosowano kondensator C o minimalnej stratności, o pojemności 69 nf, typu KF/6 V oraz taki sam kondensator C, w celu zminimalizowania poziomu szumów na zaciskach symulatora. W opisanym układzie 5-bitogo symulatora - uzyskano dokładności względne do 0,06 % wartości nastawianej, odniesione do rezystancji zakresu. Układ umożliwia symulowanie temperatury czujników rezystancyjnych Pt 00, Pt 500 oraz Pt 000. Tab. podaje wyniki badań dokładności modelu użytkogo symulatora - w zakresie 400 W, w przedziale od 75 W do 96 W. Tab. 4. podaje wyniki badań eksperymentalnych dokładności modelu użytkogo symulatora - w przedziale od 400 W do 4000 W. Podsumowanie Istnieje duża różnorodność rozwiązań układów elektronicznych symulatorów. Opisano tu możli rozwiązania, podzielone przez autora na trzy charakterystyczne grupy różniące się zasadą działania. ozważania teoretyczne poparto szczegółowym opisem trzech zrealizowanych rozwiązań, po jednym z każdej grupy symulatorów. Badania eksperymentalne potwierdziły możliwość symulacji czujników rezystancyjnych z dokładnością do 0, % zakresu mierników temperatury współpracujących z takimi czujnikami.

8 Pomiary Automatyka obotyka /008 Dalszy rozwój nowych konstrukcji symulatorów o znacznie podwyższonej dokładności, wymaganych dla stanowisk legalizacyjnych ciepłomierzy mikroprocesorowych, będzie możliwy dzięki postępowi w technologii wytwarzania nowoczesnych rezystorów precyzyjnych, wykonywanych specjalną technologią foliową oraz dzięki zastosowaniu jako przełączników analogowych nowych tranzystorów unipolarnych nazwanych Por MOFET. Oferowane przez firmę Vishay (UA) rezystory typu H eries mają stabilność rocznej zmiany rezystancji rzędu 0,0005 % (5 ppm) oraz współczynnik temperaturowy nie większy niż 0,6 ppm/ C. Firma International ectifier dostarcza tranzystory unipolarne IF05 wykonane w technologii nazwanej HEXFET Por MOFET o rezystancji kanału w stanie przewodzenia poniżej 0 mw, przy czym rezystancja ta ma wartość stabilną w czasie. tanowi to przeciwieństwo właściwości rezystancji styku przekaźników lub przełączników podlegających zużyciu wskutek ścierania się specjalnych przewodzących warstw na stykach. Można więc oczekiwać w nowych konstrukcjach symulatorów większych dokładności. Bibliografia. Korytkowski J.: Układy przetworników cyfrowo-analogowych napięcia, prądu i rezystancji oraz metoda ich analizy. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów. Warszawa Bolkowski t.: Teoria Obwodów Elektry- -cznych. Wydanie 4. Wydawnictwa Naukowo- -Techniczne. Warszawa Mikołajuk K.: Podstawy analizy obwodów energo-elektronicznych. PWN. Warszawa Mitra.K.: Analiza i synteza układów aktywnych liniowych. Wyd. Naukowo-Techniczne. Warszawa HYBYD p. z o. o. Pyskowice: Karta katalogowa. ezystory druto. 6. Korytkowski J.: Wzmacniacze monolityczne i metoda analizy elektronicznych układów z tymi wzmacniaczami. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów. Warszawa 000.