Oleksandra HOTRA Oksana BOYKO TRANZYSTOROWO-REZYSTANCYJNY UKŁAD KOMPENSACJI WPŁYWU TEMPERATURY WOLNYCH KOŃCÓW TERMOPARY STRESZCZENIE Przedsawiono układ kompensacji emperaury wolnych końców ermopary z wykorzysaniem ranzysorowego źródła napięcia zależnego od emperaury, kóry umożliwia zmniejszenie błędu bezwzględnego kompensacji poniżej 0,1 C dla różnych ypów ermopar. Słowa kluczowe: ermopary, kompensacja emperaury wolnych końców. 1. WPROWADZENIE Temperaura należy do podsawowych paramerów wielu procesów w różnych gałęziach przemysłu, jak również w badaniach naukowych. Efekywność procesów echnologicznych i badań naukowych w znacznym sopniu dr hab. inż. Oleksandra HOTRA 1) e-mail: o.hora@pollub.pl dr inż. Oksana BOYKO 2) e-mail: oxana_bojko@ukr.ne 1) Poliechnika Lubelska, Insyu Elekroechniki i Informayki 2) Narodowy Uniwersye Medyczny we Lwowie, Kaedra Informayki Medycznej PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszy 249, 2011
22 O. Hora, O. Boyko zależy od dokładnego mierzenia i regulowania emperaury. Do celów pomiarowo-konrolnych w przemyśle i badaniach doświadczalnych szeroko sosowane są pierwone przeworniki ermoelekryczne, czyli ermopary. Warości siły ermoelekrycznej (STE) generowanej jako sygnał wyjściowy ermopar zależą od różnicy emperaury spoiny roboczej i emperaury wolnych końców. Zaem dokładność pomiarów emperaury ermoparami zależy w znacznym sopniu od dokładności kompensacji wpływu zmian emperaury wolnych końców [3]. W szczególności od dokładności kompensacji wpływu zmian emperaury wolnych końców zależy dokładność pomiaru emperaury w przedziale 20 60 C (10 100 C) [1]. W celu kompensacji wpływu zmian emperaury wolnych końców ermopar sosowane są rezysancyjne układy moskowe zawierające rezysory o rezysancji zależnej od emperaury (zw. ermorezysory) [2]. Wyjściowe napięcie kompensujące U k układu opisane jes wyrażeniem U k = U s k(), (1) U s napięcie zasilania rezysancyjnego układu moskowego, k() współczynnik przewarzania układu moskowego jako funkcja emperaury wolnych końców. Jednakże klasyczny rezysancyjny układ moskowy nie odwarza ściśle zależności siły ermoelekrycznej ermopary od zmian emperaury wolnych końców. Dokładność pomiarów emperaury zależy w sposób isony od wahań emperaury wolnych końców (zwłaszcza pomiarów emperaury w zakresie 10 100 C), dlaego badanie i ulepszanie układów kompensacji wpływu zmian emperaury wolnych końców ma duże znaczenie prakyczne. 2. BUDOWA UKŁADU KOMPENSACYJNEGO Poprawa dokładności odworzenia warości siły ermoelekrycznej ermopar dla szerokiego zakresu zmian emperaury ich wolnych końców jes możliwa pod warunkiem zasosowania jako źródła do zasilania rezysancyjnego układu moskowego źródła napięciowego w posaci układu zależnego od emperaury. Przy ym najbardziej efekywne jes zasosowanie źródła zasilania o napięciu wyjściowym opisanym zależnością funkcyjną w posaci wyrażenia
Tranzysorowo-rezysancyjny układ kompensacji wpływu emperaury 23 U s = U n + ΔU, (2) U n ΔU warość znamionowa napięcia wyjściowego dla emperaury wolnych końców с = 0 С, warość zmiany napięcia wyjściowego odpowiadająca zmianie emperaury wolnych końców o 1 С, emperaura wolnych końców. Wówczas warość napięcia kompensującego można wyznaczyć korzysając z wyrażenia U k = (U n +ΔU ) k() = U n k() + ΔU k(). (3) Z analizy powyższego wyrażenia wynika, że w porównianiu z wyrażeniem (1) jego drugi człon sanowi dodakową nieliniową składową napięcia kompensującego. Dlaego rezysancyjny układ moskowy zasilany napięciem o warości zależnej od emperaury wolnych końców może odwarzać warości siły ermoelekrycznej ermopar, w przypadku zmian emperaury wolnych końców, z większą dokładnością. Na rysunku 1 przedsawiono uproszczony schema elekryczny układu kompensującego zmiany siły elekromoorycznej ermopary pod wpływem zmiany emperaury wolnych końców. Układ składa się ze źródła napięcia zależnego od emperaury oraz z kompensacyjnego (rezysancyjnego) układu moskowego zawierającego ermorezysor. Rys. 1. Uproszczony schema ranzysorowo-rezysancyjnego układu kompensacji wpływu zmian emperaury wolnych końców ermopary
24 O. Hora, O. Boyko Głównym elemenem układu zasilania jes regulowany sabilizaor prądu sałego DA1, przy czym do szyny napięć ujemnych przyłączono ranzysor T1 ypu n-p-n. Zależność napięcia wyjściowego układu zasilania od emperaury wynika z zależności emperaurowej napięcia baza-emier ranzysora T1. Zaem warość napięcia wyjściowego można opisać wyrażeniem U s = U s U bе0 + ΔU, (5) U s U bе0 ΔU warość napięcia wyjściowego sabilizaora DА1; warość napięcia baza-emier ranzysora T1 w emperaurze 0 С, warość zmiany napięcia baza-emier odpowiadająca zmianie emperaury o 1 С. Uśredniona warość zmiany napięcia baza-emier spowodowanej zmianą emperaury o 1 С w przypadku półprzewodnikowych ranzysorów krzemowych dla zakresu zmian emperaury -10...60 С wynosi 1,8 µv/ С (przy odpowiednio dobranej warości rezysancji rezysora R 1 ). Srukura układu kompensacyjnego opara jes na układzie moskowym zależnym od emperaury, złożonym z precyzyjnych rezysorów R 3, R 4, R 5, oraz ermorezysora R ; w szereg z układem moskowym połączony jes rezysor R 2. Warość wyjściowego napięcia kompensującego U k wyznacza się ze wzoru: ( U U + ΔU ) s bе0 RM R R5 U = k, (7) R2 + RM R3 + R R4 + R5 R M = ( R + R )( R + R ) R 3 3 + R 4 4 + R 5 5 + R całkowia rezysancja zasępcza układu moskowego. Poprzez odpowiedni dobór warości U s, U bе0, ΔU і R 2 uzyskuje się wymaganą dokładność formowania napięcia kompensującego dla różnych ypów ermopar. Niezbędne jes przy ym zapewnienie sposobami konsrukcyjnymi jednakowej, wyrównanej emperaury ermorezysora R, ranzysora T1 oraz wolnych końców ermopary. W opracowanym moskowym układzie kompensacyjnym zasosowano rezysory o jednakowych warościach rezysancji: R 3 = R 4 = R 5 = R 0, gdzie R 0 oznacza warość rezysancji ermorezysora w emperaurze 0ºC. W badanym układzie kompensacyjnym jako ermorezysor R zasosowano rezysor ypu TOM 100 Ohm.
Tranzysorowo-rezysancyjny układ kompensacji wpływu emperaury 25 3. BADANIA EKSPERYMENTALNE EFEKTYWNOŚCI OPRACOWANEGO UKŁADU KOMPENSACYJNEGO Opymalnym wskaźnikiem służącym do celów oszacowania efekywności układów kompensacyjnych jes warość błędu bezwzględnego kompensacji emperaurowej napięcia (STE) wyrażona w sopniach skali emperaury: E ( ) U ( E( ) U ) ( ) c k c к max min Δ = = (9) Δemean Emax Emin E( с ) warość rzeczywisa siły ermoelekrycznej ermopary dla emperaury wolnych końców с ; Δ e mean uśredniona warość zmiany siły ermoelekrycznej ermopary odpowiadająca zmianie emperaury wolnych końców o 1 С; E min, E max warośći siły ermoelekrycznej ermopary odpowiednio dla emperaury wolnych końców min і max. Wykresy zależności błędu bezwzględnego kompensacji wpływu zmian emperaury wolnych końców jako funkcji emperaury wolnych końców przedsawione są na rysunku 2. a) b) c) d) Rys. 2. Zależności błędu bezwzględnego kompensacji od warości emperaury wolnych końców ermopar ypu: а) chromel-kopel (L), b) chromel-alumel (К), c) playna-playnorod (R), d) playna-playnorod (S)
26 O. Hora, O. Boyko Na podsawie orzymanych wykresów zależności błędu bezwzględnego napięcia kompensacyjnego od emperaury wolnych końców (rys. 2) formowanego za pomocą opracowanego układu kompensacyjnego (rys. 1) można swierdzić, że dla zakresu zmian emperaury wolnych końców -10 60 C warość błędu bezwzględnego kompensacji nie przekracza 0,1 C dla ermopar ypu chromel-kopel (L), chromel-alumel (K), playna-playnorod (S), oraz nie przekracza 0,2 C dla ermopar ypu playna-playnorod (R). 4. WNIOSKI Zasosowanie źródła napięcia zależnego od emperaury do zasilania układu moskowego prowadzi do wysąpienia składowej kwadraowej w wyjściowym napięciu kompensującym układu kompensacyjnego, dzięki czemu możliwa jes poprawa dokładności odworzenia warości siły ermoelekrycznej ermopary (STE) w warunkach zmian emperaury wolnych końców ermopar. Opymalnym sposobem uzyskania wymaganej zależności emperaurowej dla źródła napięcia zasilającego moskowy układ rezysancyjny jes włączenie ranzysora w szynę zasilania. Efekywność opracowanego układu kompensacyjnego zosała w pełni powierdzona wynikami badań eksperymenalnych prooypowej wersji układu. Błąd bezwzględny formowania wymaganej warości napięcia kompensującego dla różnych ypów ermopar nie przekraczał 0,1 C. LITERATURA 1. Hora O.: Microprocessor emperaure meer for denisry invesigaion. Przegląd Elekroechniczny, 7, pp.63-65, 2010. 2. Dale R. Parick, Sephen W. Fardo:. Indusrial elecronics: devices and sysems. The Fairmon Press, 671p., 2000. 3. Upal Sarma, P.K. Boruah: Design and developmen of a high precision hermocouple based smar indusrial hermomeer wih on line linearisaion and daa logging feaure. Measuremen, 43, pp.1589-1594, 2010. Rękopis dosarczono dnia 19.10.2010 r.
Tranzysorowo-rezysancyjny układ kompensacji wpływu emperaury 27 TRANSISTOR-RESISTIVE CIRCUIT FOR TEMPERATURE COMPENSATION OF COLD JUNCTIONS OF THERMOCOUPLE Oleksandra HOTRA, Oksana BOYKO ABSTRACT The circui for emperaure compensaion of cold juncions of hermocouple ha includes he emperaure-dependen ransisor volage source is proposed. The circui allows reducing he absolue compensaion error o less han 0.1 C for differen ypes of hermocouples.
28 O. Hora, O. Boyko