Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 54 Politechniki Wrocławskiej Nr 54 Studia i Materiały Nr 23 23 Termometr termorezystancyjny, symulator czujnika Pt- Jerzy BARTOSZEWSKI * STEROWANY SYMULATOR CZUJNIKÓW TERMOREZYSTANCYJNYCH Temperatura jest jedną z najczęściej mierzonych nieelektrycznych wielkości fizycznych. Jej pomiar realizowany jest m.in. metodami elektrycznymi z wykorzystaniem czujników termorezystancyjnych przetwarzających temperaturę na rezystancję. Układy przesyłające i odczytujące rezystancyjny sygnał wyjściowy czujnika tworzą tor pomiaru temperatury. Kontrolę i kalibrację toru przeprowadza się za pomocą testerów sztucznie odtwarzających rzeczywistą rezystancję czujnika, tzw. symulatorów czujników termorezystancyjnych. W niniejszej pracy autor prezentuje sterowany cyfrowo symulator dla czujnika termorezystancyjnego typu Pt-. Zwraca szczególną uwagę na blok analogowy symulatora decydujący o dokładności odtworzania charakterystyki przetwarzania czujnika.. WSTĘP Elektryczne metody pomiaru temperatury wykorzystują różnego rodzaju czujniki aktywne i bierne, których sygnał wyjściowy - napięcie, prąd, rezystancja jest funkcją mierzonej temperatury. Wśród nich dużą grupę stanowią czujniki wykonane z metali o właściwościach termometrycznych, najczęściej z platyny, rzadziej z miedzi lub niklu. Są to termometry rezystancyjne, w których wykorzystuje się zmianę rezystancji R t rezystora metalowego pod wpływem zmiany temperatury t. Najpopularniejszym w tej grupie czujników jest platynowy termorezystor Pt- o nominalnej wartości rezystancji Ω dla temperatury C. Wymagania dotyczące czujników platynowych, w tym charakterystyki przetwarzania R t = f(t) i dopuszczalnej jej niedokładności są znormalizowane i ujęte normą [4]. Zalecenia normy uwzględniać musi również konstrukcja symulatora czujnika Pt- - szczególnie pod kątem * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych 5-372 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 9
wierności i stabilności czasowej odtwarzania charakterystyki termometrycznej. Norma dopuszcza dla czujników klasy A tolerancję pomiaru temperatury t nie większą niż (,5 +,2 t ) C, dla klasy B: (,3 +,5 t ) C. Omawiany w pracy symulator realizowany jest dla czujnika Pt- o klasie tolerancji A, zakresie temperaturowym pracy...5 C i rozdzielczości nastaw temperatury C. 2. SYMULATORY CZUJNIKÓW TERMOREZYSTANCYJNYCH Zadaniem symulatora jest sztuczne odtworzenie rzeczywistej rezystancji czujnika termorezystancyjnego (Pt-) dla określonych punktów temperatury z błędem nie większym niż dopuszczalny klasą tolerancji czujnika. Funkcję prostego symulatora pełni często nastawny rezystor - opornik dekadowy o rozdzielczości rezystancji, Ω. Pozwala on za pomocą 5 szt. rezystorów (opornik 5-dekadowy) na odtworzenie wszystkich punktów charakterystyki termometrycznej czujnika. Wadą jest ręczne sterowanie nastawami i wpływ na rezystancję wyjściową, łączonych szeregowo rezystancji zestyków mechanicznych przełączników obrotowych najczęściej typu PoUM- []. Lepszą konstrukcją jest symulator z grupą rezystorów o wartościach rezystancji odwzorowujących bezpośrednio określone punkty charakterystyki termometrycznej czujnika (rys. ). Rys.. Schemat symulatora z kluczami załączającymi Fig.. Scheme of the simulator with initiating keys Tory symulatora sterowane są przekaźnikami np. kontaktronowymi o dobrych właściwościach przełączających [2,3]. Wadą symulatora jest odtwarzanie przez każdy tor tylko jednego punktu charakterystyki, co przy większej liczbie symulowanych temperatur prowadzi do znacznej rozbudowy układu. Powyższego ograniczenia nie ma symulator w którym rezystancja wyjściowa jest wypadkową dla kombinacji rezystorów załączanych równolegle (rys. 4). Jest to rozwiązanie w którym niewielka liczba torów rezystancyjnych symulatora pozwala odtworzyć praktycznie całą charakterystykę termometryczną czujnika. Sterowanie kluczami torów realizuje program wpisany w blok sterowania symulatora (rys. 2). Symulowana temperatura po wybraniu z klawiatury numerycznej i zapisaniu w
licznikach cyfrowych jest przesyłana do wejść adresowych pamięci EPROM. Sygnałami z wyjść danych pamięci zamykane są odpowiednie klucze torów rezystancyjnych rezystancja wypadkowa torów jest funkcją zadanej temperatury. Rys. 2. Schemat blokowy symulatora sterowanego Fig. 2. Block scheme of the controlled simulator 3. STEROWANY SYMULATOR CZUJNIKA Pt- Symulator zrealizowany jest dla czujnika Pt- o klasie tolerancji A, zakresie temperaturowym pracy...5 C i rozdzielczości nastaw temperatury C. Generowane rezystancje symulatora odpowiadają z niedokładnością,5 % wartościom rezystancji podanym w normie [4]. Układ symulatora składa się z dwóch zasadniczych części: wyjściowej analogowej i sterującej cyfrowej (rys. 3). Rys. 3. Schemat blokowy sterowanego symulatora czujnika Pt- Fig. 3. Block scheme of the Pt- sensor controlled simulator Blok analogowy zbudowany jest z grupy wysokostabilnych rezystorów precyzyjnych i przekaźników kontaktronowych. Blok cyfrowy tworzy mikroprocesorowy układ sterowania, moduł wyświetlacza i zespół klawiszy sterujących pracą układu. Moduł analogowy symulatora o zakresie zmian rezystancji wyjściowej R wy od
Ω do 3 Ω pokazany jest na rys. 4. Drabinka rezystorów składa się ze stałego rezystora R w o wartości rezystancji 3 Ω oraz 6 szt. rezystorów (bocznikujących) R...R 5 załączanych kombinacyjnie kluczami kontaktronowymi K...K 5. Wartości bocznikujących rezystorów tworzą ciąg geometryczny o ilorazie 2, od wartości rezystora R = 25 Ω do R 5 = 2 5 R = 8,92 MΩ. Rys. 4. Moduł analogowy symulatora Fig. 4. Analogue module of the simulator Drabinka jest zatem 6 bitowym przetwornikiem rezystancji o zakresie pracy 3 Ω, którego rozdzielczość rezystancji na wyjściu,5 % (4,5 mω) nie ma znaczącego wpływu na niedokładność odtworzenia rzeczywistej rezystancji przetwornika. Odwrotność rezystancji wyjściowej R wy określa zależność: R wy = R w + a 5 i + a +... + a5 = + a 5 i 2 2 R 2 R 2 R R w R i= () w której: a i {,}, - rezystor odłączony, - rezystor załączony. Zatem wypadkową rezystancję wyjściową symulatora opisuje wzór:
Rw R R wy = (2) 5 i R + R a 2 w i= Zależność (2) stanowi podstawę do budowy tablicy kombinacji załączeń torów drabinki dla oczekiwanych wartości rezystancji wyjściowej symulatora oraz analizy niedokładności tej rezystancji będącej funkcją niedokładności rezystorów składowych R w, R...R 5. Do budowy drabinki wykorzystano rezystory typu AT oraz drutowe manganinowe własnej konstrukcji autora. Rezystory R w, R i R mające największy wpływ na niedokładność odtworzenia rezystancji zrealizowano w klasie dokładności, %, rezystory R 2 i R 3 w klasie,2 %, rezystory pozostałe w klasach odpowiednio gorszych. Duże wartości rezystancji rezystorów drabinki minimalizują szkodliwe wpływy m.in. rezystancji zestyków kontaktronowych (ok. mω) - w układzie zastosowano kontaktrony firmy C.P.Clare typu PRMA A5 [3]. Ich wpływy dla torów z rezystorami R 3...R 5 są już całkowicie pomijalne. Tory z rezystorami R, R i R 2 wzorcowano z uwzględnieniem rezystancji tych zestyków. Praca nie zawiera opisu części cyfrowej sterującej blokiem analogowym symulatora. Cyfrowy moduł i jego oprogramowanie będzie przedmiotem kolejnego opracowania autora. i 4. WNIOSKI Badania kontrolne symulatora potwierdziły prawidłowość działania części cyfrowej (sterowania) oraz poprawny dobór przełączanych rezystorów zarówno pod względem ich wartości jak i dokładności. Symulator pozwala na odtworzenie aż 5 punktów charakterystyki termometrycznej czujnika Pt- w zakresie temperaturowym jego pracy...5 C. Błąd odtworzenia rzeczywistej rezystancji czujnika nie przekracza,5 % - symulator spełnia tym samym wymagania normy dla czujników o klasie tolerancji A. Jego zaletą jest użycie do konstrukcji rezystancyjnego modułu analogowego niewielkiej liczby (7 szt.) rezystorów i kluczy przełączających. Procesorowy system sterowania umożliwia programową rozbudowę układu i wykorzystanie go do symulacji temperatur nie tylko czujnika Pt-, ale również innych czujników termorezystancyjnych np. Ni, Cu dla których zmiany rezystancji nie przekraczają przedziału od Ω do 3 Ω. LITERATURA [] BARTOSZEWSKI J., GĄSSOWSKI W., MORAWSKI K., Badania własności metrologicznych miniaturowych przełączników obrotowych, Raport SPR 6/86, IME P. Wr., Wrocław, 986. [2] BARTOSZEWSKI J., MADEJ P., Klucze kontaktronowe do precyzyjnych obwodów rezystancyjnych, Materiały konferencyjne, XXXIV MKM, Vol. II, Wrocław, 22, s. 27-222. [3] CP CLARE CORPORATION, Katalog 22, Electromagnetic Relays, 99.
[4] POLSKA NORMA: PN-EN 675+A2, Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych, GUM, Warszawa, 997. CONTROLLED SIMULATOR OF THERMO-RESISTANCE SENSORS Measurement of the temperature is often realised with electric methods with the use of thermoresistance sensors processing temperature into resistance. The systems transferring and reading initial resistance signal of the sensor create a track for measuring temperature. The track is controlled and calibrated by the so called thermo-resistance sensors. The paper describes digitally controlled simulator for the thermo-resistance sensor, type Pt-. Special attention is paid to the analogue block of the simulator determining the precision of simulating the features.