Laboratorium pomiarów i regulacji temperatury Ćwiczenie 3: Przesył sygnału pomiarowego z czujników temperatury 1 Wstęp Pomiar temperatury dla większości ludzi kojarzy się z popularnym do dzisiaj termometrem cieczowym, najczęściej rtęciowym. Nauka zna znacznie więcej metod pomiaru temperatury. KaŜde zjawisko fizyczne, w którym uzyskuje się w wyniku zmian temperatury, proporcjonalną i powtarzalną zmianę pewnej wielkości fizycznej, moŝe stać się podstawą metody pomiarowej. Największe znaczenie mają współcześnie metody, umoŝliwiające prostą rejestrację powstającego sygnału pomiarowego, zatem metody, których wynikiem elektryczne. Problem właściwego pomiaru temperatury to nie tylko wybór określonego zjawiska fizycznego. Istotne jest, aby w otoczeniu pól elektromagnetycznych, generujących w przewodach przesyłowych własne sygnały, dane pomiarowe dotarły do urządzenia rejestrującego lub wyświetlającego, bez zmiany wartości. Czujniki temperatury umieszczane są często w róŝnych punktach obiektu mierzonego. Problem poprawnego umieszczenia czujników jest waŝny i wpływa na dokładności mierzonych temperatur. JeŜeli jest to piec nie trudno wyobrazić sobie umieszczenie czujników na powierzchni ścian zewnętrznych, na powierzchni ścian wewnętrznych, być moŝe wewnątrz izolacji i np.: w przestrzeni pieca. Pozwala to na kontrolę pracy pieca, ocenę wartości mocy traconych do otoczenia z jego powierzchni. Powoduje to potrzebę poprowadzenia sygnału pomiarowego, z miejsca umieszczenia czujnika temperatury na odległość rzędu kilku metrów. Długie przewody, prowadzące sygnał pomiarowy mogą oddziaływać z otaczającymi polami elektromagnetycznymi (zwłaszcza w przypadku urządzeń elektrotermicznych duŝej mocy), powodując błędne pomiary i ewentualne niedokładne działanie urządzeń regulacyjnych. W ćwiczeniu prowadzone są badania czterech sposobów przesyłu sygnału pomiarowego proporcjonalnego do mierzonej temperatury: napięciowy, prądowy, częstotliwościowy, cyfrowy. Dodatkowo zostanie zaprezentowany sposób pracy przetwornika A/D (analog na cyfra) generującego sygnał cyfrowy, jako jednej z waŝniejszej metody przesyłu danych. 2 Sygnał napięciowy Czujniki wytwarzające zmianę napięcie stałego, o wartości proporcjonalnej do zmian temperatury, to termopary i złącza półprzewodnikowe. Termopary zwane teŝ termoelementami, generują napięcie dzięki umieszczeniu końców elementu w róŝnych temperaturach. Składają się z dwóch róŝnych metali złączonych ze sobą. Popularne są np.: Fe-CuNi (Ŝelazo konstantan) oznaczany literą J, termoelement NiCr - NiAl oznaczany literą K. Poziomy wytwarzanych sygnałów są jednak bardzo niewielkie. Sygnały wyjściowe termopar, nawet dla konstrukcji o największych wartościach zmian napięcia z temperaturą tj. Fe-Konstantan osiągają wartości kilkadziesiąt mv dla kilkuset stopni Celsjusza (np.: 30,4 mv dla 730 C). W sytuacji potrzeby silnego wzmocnienia sygnałów pomiarowych wymaga to bardzo dokładnych wzmacniaczy operacyjnych (np.: ICL7650, lub OP-90). Złącze półprzewodnikowe, powstaje z połączenia dwóch materiałów półprzewodnikowych z przewodnictwem typu p i typu n. Powstająca konstrukcja znana jest jako dioda półprzewodnikowa, niezwykle waŝny element elektroniczny. Poza oczywistymi zastosowaniami do prostowania napięcia zmiennego, dioda nadaje się równieŝ do pomiarów temperatury. W odróŝnieniu od termoelementów, 1
które wytwarzają napięcie stałe bez potrzeby dodatkowego zasilania, uŝycie diody jako czujnika temperatury związane jest z zasileniem jej obwodu prądem stałym. Przy wykorzystaniu diody krzemowej, napięcie przewodzenia wynosi około 0,7 V. Zmiana tego napięcia jest obserwowana wraz ze zmianą temperatury spadek wraz ze wzrostem temperatury, wzrost wraz z jej spadkiem. Średnio jest to około 2-3 mv/ C. Sygnały napięciowe wytwarzane przez opisane powyŝej czujniki są bardzo podatne na zakłócenia. Długie przewody doprowadzające sygnał do odbiornika działają w tym wypadku jak anteny odbiorcze. Obecność pól elektromagnetycznych powoduje indukowanie w przewodach sygnałów przemiennych, sumujących się z sygnałem napięciowym czujnika temperatury. Jest to tym większy problem, iŝ zakłócenia są tą samą wielkością, co sygnał przesyłany, co ułatwia ich sumowanie. Rys 1. Sposoby ograniczania zakłóceń długich przewodów, ekranowanie przewodów (schemat górny), splatanie mas z przewodami sygnałowymi. Sygnał zakłócający moŝe mieć amplitudę na poziomie 1mV, by znacząco wpłynąć na wartości mierzone, a w obecności urządzeń elektrycznych zakłócenia te są często znacznie silniejsze. Praktycznie sygnały napięciowe nigdy nie powinny być przesyłane na duŝe odległości bez stosowania ekranowania przewodów lub bez prowadzenia przewodów zasilających i sygnałowych w odpowiedni sposób. Popularne sposoby zabezpieczania przed indukowaniem się sygnałów zakłócających przedstawiono na rysunku 1. W górnej jego części widoczny jest przewód ekranowany, tj. masa czujnika podłączona jest do ekranu. Dobre rezultaty daje osobne prowadzenie przewodów sygnałowych i zasilających układ, przy czym kaŝda z linii sygnałowych prowadzona jest wspólnie z masą. W ćwiczeniu ten sposób przesyłu sygnałów został zaprezentowany przez układ scalony LM35. Ten popularny i stosunkowo tani element, jest pełnym urządzeniem rejestrującym zmianę napięcia złącza półprzewodnikowego z temperaturą, linearyzującym charakterystykę napięciowotemperaturową złącza, zamieniającym pomiar na skalę temperatur Celcjusza. Wytwarza 10 mv/ C, co jest silnym sygnałem, jednak wciąŝ podatnym na zakłócenia, co zostanie zaprezentowane w ćwiczeniu. 3 Sygnał prądowy Prąd elektryczny moŝna równieŝ wykorzystać jako nośnik informacji pomiarowej. Czujnik temperatury jest w tym wypadku źródłem prądowym, o wartości natęŝenia prądu zaleŝnego od temperatury mierzonej. Efekt ten moŝna uzyskać przez zasilenie diody ze stałego napięcia np. 0,6 V, lub zasilenie termistora stałym napięciem. Wtedy zmiany temperatury, wymuszają zmiany natęŝenia 2
prądu przepływającego przez układ pomiarowy. W ćwiczeniu do prezentacji prądowego przesyłu sygnału został wykorzystany układ scalony AD590. Jest to gotowy czujnik temperatury pracujący w układzie źródła prądowego, którego natęŝenie jest proporcjonalne do temperatury mierzonej. Układ generuje 1 µa/k. Pracuje w bezwzględnej skali temperatur (tj w K). W 0 C, powinien wytworzyć 273,15 µa. + AD590 + - - R Rys 2. Podstawowy układ czujnika AD590. Najprostszy sposób uŝycia układu to podłączenie go do źródła napięcia stałego (układ moŝe pracować dla napięć +4V do +30V), szeregowo z rezystorem, na którym mierzony jest spadek napięcia. Popularne jest uŝycie rezystora o wartości 1000 Ω. Wtedy 1 C odpowiada 1 mv napięcia na rezystorze R. W układzie w praktyce moŝna uŝyć rezystora o innej wartości oporu. Istotne staje się uŝycie dokładnego opornika pomiarowego, wartość oporu nie moŝe ulegać zmianom w czasie prowadzenia pomiarów. Zaletą przesyłu sygnału prądowego, jest jego niewielka podatność na zakłócenia, co pozwala na przesył sygnału długimi przewodami. Zakłócenia nakładające się na sygnały napięciowe, nie zakłócają w tym momencie wartości pomiaru, przesyłanego wartością natęŝenia prądu. Współcześnie, dzięki metodom cyfrowym, sposób ten stracił na znaczeniu. 4 Przesył częstotliwościowy NatęŜenie prądu oraz napięcie to podstawowe wielkości elektryczne, związane z napięciem stałym. JeŜeli spróbować wykorzystać jako nośnik informacji sygnał zmienny, istnieje moŝliwość wykorzystania częstotliwości sygnału do przesyłu informacji. Jest to bardzo uŝyteczne przy przesyłaniu sygnałów na duŝe odległości, w obecności pól elektromagnetycznych, generujących potencjalne zakłócenia. Wymaga jednak stosowania układów przetwarzających sygnał napięciowy czujnika temperatury na postać częstotliwościową. a T Rys 3. Sposób zamiany wartości napięcia na częstotliwość. Długość impulsu a jest proporcjonalna do temperatury mierzonej. 3
W pobliŝu czujnika naleŝy umieścić układ zamieniający postać analogową, na sygnał o częstotliwości proporcjonalnej do poziomu sygnału (np wartości napięcia). Często stosuje się w tym celu gotowe układy scalone np LM331 lub timer NE555, wymagające do pracy rezystorów i kondensatorów ustalających zakresy częstotliwościowe generowane przez układ. MoŜliwe są dwa rozwiązania wykorzystania częstotliwości sygnału prostokątnego, jako nośnika informacji: sygnał o stałym okresie ale zmiennym wypełnieniu, oraz sygnał w którym pomiar temperatury jest proporcjonalny do częstotliwości sygnału. czujnik u/f f/u u/temp Rys 4. Schemat blokowy pomiaru temperatury przy częstotliwościowym przesyle danych. Na rysunku 3 oznaczono czas trwania impulsu jako a, a okres sygnału T. ZałóŜmy, Ŝe okres sygnału odpowiada pewnej maksymalnej zmierzonej wartości temperatury. Wtedy wartość wypełnienia sygnału a/t odpowiada części jaką stanowi zmierzona temperatura, w stosunku do ustalonej temperatury maksymalnej. Bardziej oczywisty sposób pracy układów przekształcających sygnał pomiarowy na częstotliwość to generacja sygnału o zmiennym okresie i stałym wypełnieniu. Zmiana częstotliwości sygnału o pewną wartość częstotliwości, odpowiada zmianie wartości temperatury o pewną wartość. Rysunek 4 przedstawia schemat blokowy systemu przesyłu częstotliwościowego danych. Podstawową wadą metody, jest konieczność stosowania układów przekształcających sygnał pomiarowy na częstotliwość w miejscu pomiaru. Odbiór sygnału wymaga odwrotnego działania. aby w miejscu odbioru pomiaru, otrzymać wartość temperatury zmierzonej. Przy załoŝeniu, Ŝe kaŝdy element systemu pomiarowego moŝe wprowadzić błąd, zrozumiałe jest, Ŝe układy takie wymagają szczególnie dokładnego projektowania i wykonania. Metoda ta, mimo swej prostoty nadaje się świetnie do przesyłania sygnałów pomiarowych. Dzięki metodzie częstotliwościowego przesyłu danych, uzyskuje się sygnały praktycznie zupełnie niepodatne na zakłócenia. WaŜna jest równieŝ moŝliwość wykorzystania układów cyfrowych do generacji sygnałów częstotliwościowych, ale równieŝ do ich odbioru. Zatem transformacja napięcia w częstotliwość, a następnie pomiar częstotliwości sygnału i na tej podstawie odczytanie wartości juŝ cyfrowej, jest pewnym zastępstwem typowych modułów zamieniających sygnał analogowy na cyfrowy. 5 Postać cyfrowa sygnału Cyfrowy przesył sygnału jest rozwinięciem metody częstotliwościowej. Napięcie zamieniane jest poprzez przetwornik przetwarzający sygnał analogowy na cyfrowy (A/D), tzn.: otrzymywana jest pewna liczba odpowiadająca wartości napięcia. Dla dobrego zrozumienia sposobu działania układów cyfrowych naleŝy znać dwa systemy liczbowe dwójkowy (binarny) i szesnastkowy (heksadecymalny). Dla odróŝnienia liczb zapisywanych w róŝnych systemach, liczba dwójkowa będzie poprzedzana literą 'b', szesnastkowa '0x'. 1. System dwójkowy: cyfry: 0 i 1 przykład uŝycia: b0101 = 0 2 3 + 2 2 + 0 2 1 +2 0 = 5; b1111 = 2 3 + 2 2 + 2 1 +2 0 = 15 2. System szesnastkowy: cyfry: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F przykład uŝycia: 0xA0' = A 16 1 + 0 16 0 = 160, 0xFF = 16 16 1 + 16 16 0 =255. System pomaga w łatwej zamianie liczby na system binarny, jednocześnie będąc oszczędnym w zapisie, np: liczba szesnastkowa 0x56 to b0101(5)1010(6) 4
Praca przetwornika A/D: Jakość pracy układu A/D określa się maksymalną cyfrę generowaną przez dany przetwornik, np: 8 bitowy oznacza, Ŝe maksymalnie generuje liczbę 255. O tym jaka wartość napięcie odpowiada 1 liczbie, określa napięcie referencyjne. Decyduje jakiej wartości napięcia zmierzonego odpowiada liczba maksymalnie zliczona. W tym przypadku załoŝono napięcie referencyjne o wartości 2,5 V. Oznacza to, Ŝe rozdzielczość mierzonej cyfry wynosi 2,5 V/256=0,00097656 V. Dla przetwornika 10 bitowego (1024) mamy: 2,5 V/1024=0,0024414 V. Przykład: Czujnik temperatury LM35 umieszczony w temperaturze 80ºC generuje napięcie 800mV. Napięcie w przetworniku A/D z powyŝszego przykładu (10 bitowy) zamienione zostaje na liczbę n=0,800/ 0,0024414 = 327,68. PoniewaŜ n jest liczbą całkowitą, w wyniku otrzymamy 327 lub 328 (zaleŝy to od układu przetwornika A/D). Praktycznie kaŝdy układ A/D ma dokładność co do ostatniego bitu cyfry (najmłodszy bit), co związane jest z błędami zaokrąglania. Sygnał wyjściowy przetwornika A/D: Cyfrowy przesył sygnału jest moŝliwy dwiema drogami: szeregowo i równolegle. RóŜnice te najlepiej widać na przykładzie dwóch wyprowadzeń komputera: port szeregowy i równoległy (rys. 4). Rys 5. Dwa sposoby przekazywania sygnału cyfrowego. Liczba binarna 010101 (6 bitowa) przekazywana jest równolegle na górnym schemacie. Ta sama liczba przekazywana jest szeregowo asynchronicznie na dolnym schemacie. Sposób równoległy wymaga osobnego przewodu dla przesyłu kaŝdego bitu danej przesyłanej do odbiornika sygnału. Do dziś metoda jest uŝywana w tzw porcie równoległym komputera, słuŝącym głównie do komunikacji z drukarką. Wadą takiego sposobu łączenia jest potrzeba uŝycia duŝej liczby linii łączeniowych. Szeregowa komunikacja z urządzeniami zewnętrznymi, w standardzie RS-232 występuje w prawie kaŝdym typie komputera. W ostatnich latach został zastąpiony szybszym portem USB (równieŝ szeregowa transmisja sygnału). Ten typ wysyłanego sygnału zakłada Ŝe kolejne bity danych wysyłane są jedną linią transmisyjną (w porcie szeregowym komputera oddzielna linia uŝywana jest Rys 6. Liczba 100110 przesyłana asynchronicznie. do przesyłu danych TX i oddzielna do odbioru RX). Aby urządzenie odbierające poprawnie 5
rejestrowało dane, potrzebna jest jeszcze informacja o czasie trwania jednego bitu. Sygnał szeregowy moŝe być przesyłany synchronicznie (tzn potrzebny jest sygnał zegara tzw Clock), lub asynchronicznie tzn sygnał wysyłany jest z pewną określoną szybkością podaną w tzw baudach (bit/s). Odbiornik i nadawca muszą znać prędkość przesyłu. 6 Układ DS1820 W ćwiczeniu cyfrowy sposób przesyłu sygnału został zaprezentowany przez czujnik temperatury DS1820 firmy Dallas. Układ scalony DS1820 mierzy temperatury w zakresie od -55 C do 125 C. Zawiera w sobie przetwornik A/D i na wyjściu układu otrzymujemy 9 bitową liczbę odpowiadającą zmierzonej temperaturze. Układ mierzy temperaturę z dokładnością do 0,5 C. Sygnał przesyłany jest synchronicznie (wymaga linii zegara). Układ do wysyłania sygnału uŝywa protokołu 1-Wire TM producenta, która pozwala na podłączanie do jednej linii transmisyjnej praktycznie nieograniczonej liczby czujników DS1820. Procedura pomiaru wymaga najpierw podania pewnego specjalnego, indywidualnego numeru, zakodowanego w nieulotnej pamięci (ROM) czujnika w procesie produkcji. Pomiar do urządzenia zbierającego dane z czujników, wysyła czujnik o wybranym numerze. Czujnik do pracy wymaga urządzenia będącego w stanie nie tylko odebrać sygnał cyfrowy, ale teŝ wysłać pewne polecenia. Układ DS1820 jest swego rodzaju terminalem, prostym mikrokontrolerem, dysponującym pamięcią ROM i RAM przechowującą dane pomiarowe. Komunikacja z układem sprowadza się do uŝywania kilku poleceń, wybieranych przez wysłanie do czujnika pewnej danej liczbowej. 1. Read Rom 0x33. Czytanie z pamięci, po otrzymaniu polecenia układ wysyła swój identyfikator. Polecenia moŝna uŝywać w przypadku jednego czujnika na linii. 2. Match Rom 0x55. Polecenie słuŝy do wyboru konkretnego czujnika linii transmisyjnej. Za poleceniem powinien zostać wysłany identyfikator. Po tym poleceniu tylko wybrany czujnik będzie odpowiadał na polecenia, reszta czujników będzie oczekiwać na polecenie restartu. 3. Skip Rom 0xCC. Polecenie pozwala pominąć procedurę wyboru czujnika temperatury i uzyskać dostęp do pamięci bez wysyłanie identyfikatora. Polecenie uŝyteczne w systemie z jednym czujnikiem. 4. Convert T 0x44. Polecenie rozpoczyna przetworzenie temperatury mierzonej na postać cyfrową. Czujnik do momentu zakończenia przetwarzania ma na wyjściu stan 0. Zmiana stanu na 1 oznacza zakończenie operacji. 5. Read Scratchpad - 0xBE. Czytanie z pamięci przechowującej wynik pomiaru temperatury. Układ wysyła 9 bitową cyfrę. Przesyłana liczba szeregowo odpowiada ilości zmierzonych 0,5 C. Np: liczba 0x20 odpowiada 32 0,5 C = 16 C. 7 Układ zbierania danych Układ uŝyty do komunikacji z komputerem przez port szeregowy, komunikacji z czujnikiem DS1820 oraz prezentacji pracy przetwornika A/D oparty jest na procesorze Pic18F1220 firmy Microchip. Układy tej firmy są popularnymi mikrokontrolerami, wyposaŝonymi w szereg funkcji takich jak układy zegarów, pamięć EEPROM, PWM etc. Komunikacja z urządzeniem sprowadza się do wysyłania przez port szeregowy określonych poleceń, definiujących pracę układu. W ćwiczeniu naleŝy zapoznać się z procedurą sterowania pomiarami czujnika DS1820, oraz zapoznać ze sposobem przekazywania danych pomiarowych czujnika LM35 na komputer. 6
Rys 7. Sygnał nałoŝony na sygnał napięciowy czujnika temperatury. Punkty 1-6 to kolejne momenty próbkowania sygnału, uŝyte do uśrednienia pomiarów. Układ pozwala na sprawdzenie cyfrowego uśredniania próbek zebranych w pewnym czasie. W przypadku silnego sygnału zakłócającego jest to najprostsza metoda otrzymania poprawnego wyniku pomiaru. Układ pozwala na ustalenie jaka ilość próbek uŝyta zostanie do uśrednienia sygnału. Przebieg ćwiczenia Badanie czujnika LM35. Do czujnika LM35 naleŝy doprowadzić napięcie zasilające. Do wyjścia czujnika podłączyć woltomierz. Zanotować wskazania czujnika dla róŝnych temperatur. Sprawdzić podatność sygnału LM35 na zakłócenia. Źródłem zakłóceń w ćwiczeniu jest transformator (obiekt 1 na rysunku 8). Rys 8. Badanie wpływu prowadzenia przewodów na sygnał mierzony. Porównać zakłócenia generowane przez układ, przy róŝnym prowadzeniu przewodów od czujnika do miernika napięcia. Sprawdzić metody z rysunku 1, oraz z rysunku 5. Zanotować róŝnice w zakłóceniach dla róŝnie poprowadzonych przewodów. Obserwować przebiegi napięcia czujnika na oscyloskopie. Badanie czujnika AD590 Przebadać układ jak na rysunku 2. Porównywać wskazania temperatury czujnika, ze 7
wskazaniami innego termometru. Zanotować wyniki pomiaru. Sprawdzić wpływ róŝnej długości przewodów i prowadzenia przewodów na wartości zakłóceń. Porównać wyniki ze wskazaniami czujnika LM35. Badanie przesyłu częstotliwościowego. Układ badany w ćwiczeniu składa się z termopary NiCr-NiAl, układu przetwarzającego napięciowy pomiar temperatur na sygnał o częstotliwości do niego proporcjonalnej, oraz odbiornika sygnału częstotliwościowego. Dodatkowo w układzie uŝyty zostanie oscyloskop słuŝący do obserwacji przebiegu sygnałów, oraz miliwoltomierz do odczytywania napięcia mierzonego przez termoparę. NaleŜy wyznaczyć zaleŝność napięcia w funkcji częstotliwości, poprzez pomiary napięcia termopary oraz częstotliwości na oscyloskopie lub częstościomierzu. Badanie przetwornika A/D i układu DS1820 Zapoznanie z pracą przetwornika A/D naleŝy przeprowadzić przy uŝyciu układu opartego na mikrokontrolerze Pic18F1220, odbierającego i przesyłającego dane do komputera. Krótki opis wyjaśniający zasady pracy z urządzeniem umieszczony jest na stanowisku pomiarowym. W ćwiczeniu naleŝy obserwować przebiegi sygnału cyfrowego na oscyloskopie (wyjście czujnika DS1820, oraz wyjście z komputera). Zanotować liczbę przesłaną do komputera, porównać ją ze wskazaniami woltomierza, podłączonego do wyjścia czujnika LM35. Sprawdzić poprawność przetwarzania układu. Sprawdzić metodę uśredniania sygnału pomiarowego dla 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1 próbek. Zanotować wyniki maksymalnych zmian temperatur dla róŝnego próbkowania. Obserwować przebiegi wejścia na przetwornik A/D dla porównania z wynikami uśredniania. Badanie przesyłu cyfrowego W ćwiczeniu naleŝy zbadać sposób przesyłu cyfrowego szeregowego, zarówno synchronicznie jak i asynchronicznie. Synchroniczny przesył sygnału uŝywany jest w komunikacji z czujnikiem DS1820, asynchroniczny w komunikacji z komputerem przez port szeregowy. Sprawdzić czy zakłócenia wpływają na wartości liczbowe przesyłane przewodami. Zanotować przykładowe dane przesyłane obiema metodami. Wnioski Ćwiczenie ma charakter obserwacyjny i bardziej oceny jakościowej, niŝ liczbowej, aczkolwiek niektóre pomiary wymagają podania amplitudy sygnału zakłócającego. W sprawozdaniu ćwiczenia naleŝy opisać zbadaną metodę przesyłania sygnału, zamieścić obwód pomiarowy oraz wyniki pomiarów. Zwrócić uwagę na błędy powstające i spróbować wyjaśnić ich pochodzenie. 2 Bibliografia 1. National Semiconductor. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. November 2000. 2. Analog Devices. AD590. Two-Terminal IC Temperature Transducer 3. Dallas Semiconductor. DS1820 1-Wire TM Digital Thermometer 4. Fairchild Semiconductor LM331 V-F Converter 8