Autor: Alen Rusin

E-mail: alenr@eunet.yu

TEMPERATURNI TRANSMITER

U savremenoj industriji automatsko upravljanje procesima nezamislivo je bez upotrebe raznih senzora temperatura, pritisaka, vlažnosti i sličnih fizičkih veličina. Zadatak senzora je da daju što tačniju informaciju o vrednostima pomenutih parametara procesa kako bi se omogućilo adekvatno upravljanje njime. U tom cilju je poslednjih godina razvijeno mnogo specijalizovanih integrisanih komponenti koje se mogu primeniti u širokom spektru aplikacija vezanih za industrijske kontrolne sisteme. Ovaj put predstavićemo operacioni pojačivač XTR 103 poznate firme Burr-Brown.

Pre nego što pređemo na opisivanje samog operacionog pojačivača rećićemo par reči o sistemima za očitavanje temperatura. Najjednostavniji sistem za nadgledanje temperature nekog procesa može se predstaviti kao na Slici 1, i sastoji se od temperaturnog senzora, transmitera i displeja. Temperaturni senzor je u većini slučajeva termootporna sonda PT100.

Slika 1.

Njena karakteristika otpornost - temperatura je približno linearna (sa porastom temperature raste i otpornost sonde). Na 0°C otpornost sonde iznosi tačno 100W. Obično se sam temperaturni senzor nalazi u pogodnom kućištu tako da se izbegne uticaj eventualnih agresivnih tečnosti i gasova čija temperatura je od interesa za kontrolu i upravljanje.
Na sondu je obično povezan transmiter, putem 2- ili 3-žične veze. Transmiter je neophodna komponenta sistema ukoliko je mesto očitavanja udaljeno od mesta samog procesa. Naime, informacija o temperaturi se formira tako što se kroz PT100 sondu propušta struja konstantnog intenziteta, a uređaj za očitavanje treba da pad napona na krajevima sonde pretvori u odgovarajuću temperaturu - ovako rade temperaturni displeji sa direktnim priključivanjem na sondu. Ukoliko je kablovska veza između sonde i očitavača dugačka, povećava se mogućnost indukovanja smetnji duž provodnika (u tipičnom pogonu usled startovanja velikih potrošača, blizine energetskih kablova itd.), pa očitavač dobija pogrešnu informaciju. Da bi se ovo izbeglo, tj. da se omogući prenošenje korisnog signala na što veća rastojanja bez smetnji, koristi se transmiter signala. Blok šema tipičnog transmitera temperature data je na Slici 2.

Slika 2.

Zadatak transmitera signala je da pad napona na krajevima PT100 sonde prevede u neki od standardnih strujnih signala, 0-20 mA ili 4-20mA. Transmiter mora raditi tako da izlazna struja odgovara ulaznom naponu u određenom opsegu. Ukoliko se radi o opsegu 4-20mA, izlazna struja od 4 mA bi odgovarala najnižoj, a 20mA najvišoj temperaturi koju registruje sonda i koja je od interesa za kontrolu i upravljanje. Dobijeni strujni signal se dalje vodi do instrumenta za očitavanje koji ima odgovarajući ulaz za ovu vrstu signala. U ovakvom sistemu transmiter se obično postavlja odmah do sonde (ukoliko je to moguće), kako bi se što više skratio put između njega i sonde i indukovane smetnje smanjile na najmanju moguću meru. Projektovanje kvalitetnog transmitera, kao vitalnog dela sistema, nije lak posao. Od njega se zahteva da na izlazni signal nema uticaja temperatura okoline u kojoj se transmiter nalazi, da izvrši linearizaciju karakteristike PT100 sonde i da pravi što manju grešku u konvertovanju signala. Ranije izvedbe transmitera rađene su u diskretnoj tehnologiji, uz primenu diferencijalnih pojačivača. U novije vreme javili su se kompletno integrisani transmiteri, koji imaju iste ili čak bolje karakteristike od transmitera u diskretnoj tehnoogiji. Jedan od boljih proizvoda u ovoj klasi je integrisani transmiter XTR103 američke firme Burr - Brown.

Slika 3.

XTR103 je integrisani precizni transmiter namenjen za povezivanje sa platinskom PT100 sondom 2- ili 3-žičnom kablovskom vezom. Ovaj čip vrši sve funkcije koje se zahtevaju od transmitera signala: pobudu sonde, instrumentaciono pojačanje, linearizaciju karakteristike i generisanje izlaznog strujnog signala. U odnosu na klasične transmitere, linearizacija je poboljšana i do 40 puta. Uz primenu odgovarajućeg kola sastavljenog od aktivnih i pasivnih elemenata XTR103 može raditi u širokom opsegu temperatura. Greška kompletnog čipa u transmisiji i konvertovanju signala sonde ne prelazi 1% u rangu temperatura od -40°C do +85°C.
Kao što je ranije rečeno, osnovna primena XTR 103 integrisanog kola je za pretvaranje naponskog signala sa PT100 sonde u standardni 4 -20 mA strujni signal. Na Slici 4 prikazano je kompletno kolo za merenje temperature sa XTR 103.

Slika 4.

Kroz PT100 sondu protiče konstantna struja od 0.8 mA. Ista struja protiče i kroz otpornik RZ koji služi za podešavanje radne nule mernog kola. Pojačivač XTR103 meri razliku padova napona na sondi i otporniku RZ. Vrednost otpornika RZ treba da bude jednaka otpornosti PT100 sonde na donjoj granici temperaturnog opsega koji se meri. Pri ovoj temperaturi izlaz celog kola treba da bude 4 mA. Otpornik RG služi za podešavanje pojačanja XTR103 tako da se postigne zadovoljavajući temperaturni opseg merenja.
Prenosna funkcija celog sklopa je

Io = VIN (0.016+40/RG) + 4 mA

gde je VIN ulazna razlika napona na sondi i otporniku RZ. Ako iz kola izbacimo RG, tada ulazni napon u opsegu 0.1V proizvodi izlaznu struju od 4-20mA. Druge vrednosti RG, zavisno od napona koji odgovara gornjoj granici temperaturnog opsega VFS mogu se odrediti iz formule (2) naznačene na Slici 4. Ukoliko na ulaz kola dovedemo negativan napon VIN, tada će izlazna struja biti manja od 4 mA. Donja granica je 3.6mA. Ako na ulaz dovodimo značajno veće pozitivne napone od napona koji odgovaraju opsegu merenja, struja na izlazu će rasti iznad 20mA ali samo do gornje granice od oko 34mA.
Tranzistor Q1 na Slici 4 služi kao razdvojni stepen između kola za napajanje XTR103 i strujnog kruga 4-20mA, i prvenstvena mu je uloga da ˛zaštiti˛ referentne komponente i precizni ulaz čipa od disipacija koje može da uzrokuje izvor napajanja. Kao tranzistor Q1 može se upotrebiti bilo koji tranzistor koji zadovoljava sledeće uslove: VCEO=45V min, b=40 min i PD=800mW. XTR103 može funkcionisati i bez tog tranzistora tako što se prespoje pinovi 11 i 14. Usled ovoga tačnost može biti malo smanjena zbog dodatne unutrašnje disipacije čipa, ali se ovo praktično ispoljava tek kod velikih pojačanja ulaznog stepena pri velikim naponima napajanja.
Napon napajanja kola V+ može biti od 9 do 40V. Napon izvora napajanja VPS je veći od V+ srazmerno padu napona na otporniku RL. Ovaj otpornik treba odabrati tako da V+ ne padne ispod 9 V za maksimalnu struju kola od 20mA. Mali radni napon XTR103 ga čini veoma zanimljivim zbog mogućnosti napajanja iz personalnog računara.
Prema Slici 4, PT100 sonda se povezuje 2-žičnim kablom sa transmiterom. Ovakav način povezivanja neizbežno uzrokuje pojavu greške usled podužne otpornosti vodova. Greška koju unosi otpornost kablova delimično se može otkloniti podešavanjem vrednosti RZ, RG i RLIN. Mnogo bolji način povezivanja PT100 sonde je pomoću tri provodnika. Struja kroz otpornik RZ se prenosi kroz treći provodnik do sonde (Slika 5).

Slika 5.

Ako uzmemo da su linijske otpornosti provodnika 1 i 2 jednake, ovakav sistem povezivanja obezbeđuje mali napon na sondi i smanjenu grešku usled otpornosti samih provodnika.

Slika 6.

Iz svega navedenog, može se zaključiti da je XTR103 veoma zanimljiv sa stanovišta proizvodnje industrijskih transmitera 4-20 mA. U nekim od sledećih brojeva pozabavićemo se još nekim zanimljivim proizvodima ove firme koji mogu biti dovoljno interesantni za praktičnu primenu.

Pročitajte više o ovoj temi

Ultrazvučna sonda Osvrt na nove koncepte u razvoju industrijskih računarskih sistema Moderni načini merenja fizičkih veličina

C o p y r i g h t  1998 mikroElektronika. All Right Reserved. Za sva pitanja obratite se redakciji