Pt100-lämpötila-anturin liitäntäelektroniikan suunnittelu
Transcription
Pt100-lämpötila-anturin liitäntäelektroniikan suunnittelu
Automaation elektroniikka, työ 3 kevät 2015 Pt100-lämpötila-anturin liitäntäelektroniikan suunnittelu Tavoitteena on suunnitella liitäntäelektroniikka, joka toteuttaa seuraavan tavoitteen: - kun lämpötila on -30 °C, lähtöjännite on +2,00 V kun lämpötila on +30 °C, lähtöjännite on +10,00 V lähtöjännite muuttuu näiden ääripäiden välillä lineaarisesti lämpötilan mukaan Oletetaan, että Pt100-lämpötila-anturin toiminta on lineaarista, eli funktio R = f(T) on lineaarinen. 1. Hae netistä Pt100-lämpötila-anturiin liittyviä tietoja. Selvitä anturin resistanssi eri lämpötiloissa. Merkitse tulokset taulukkoon. lämpötila +30,0 °C +20,0 °C +10,0 °C 0,0 °C -10,0 °C -20,0 °C -30,0 °C resistanssi, ohmia (0,01 Ω:n tarkkuus) resistanssimuutos ΔR per 10 °C täytetään vasta kohdassa 4 jännite [volttia] muutos +20 → +30 °C muutos 0 → +10 °C muutos -30 → -20 °C 2. Täytä taulukkoon resistanssimuutos eri lämpötiloissa. Analysoi työselostukseen näiden tietojen perusteella, miten lineaarista anturin toiminta on. Jotta lineaarinen resistanssimuutos saadaan muutettua lineaariseksi jännitteen muutokseksi, pitää anturin läpi saada kulkemaan koko ajan sama virta. Tällöin pätee: UT = RT×Iconst Kytkentään tarvitaan siis vakiovirtageneraattori, jolla saadaan anturin läpi kulkemaan vakiona pysyvä virta, vaikka anturin resistanssi muuttuu lämpötilan muuttuessa. 3. Anturissa ei saa syntyä liian suurta tehohäviötä, jotta anturi ei lämmitä itse itseään ja anna siten virheellistä tulosta. Jos anturissa syntyvä tehohäviö on enintään luokkaa 3 mW, niin kuinka iso virta silloin kulkee anturin läpi? Pyöristä vastaus hyvään pyöreään lukuarvoon. kytkennässä käytettävä vakiovirta on _______________________ 4. Täytä kohdassa 1 olevaan taulukkoon, mikä jännite anturin yli syntyy eri lämpötiloissa. 5. Etsi netistä tai kirjallisuudesta, miten yhdellä op.ampilla toteutetaan vakiovirtageneraattori. Esitä kytkennässä myös siinä tarvittavien resistanssien ja jännitteiden arvot. Automaation elektroniikka, työ 3 kevät 2015 Anturilta saatava jännite pitää vahvistaa suuremmaksi, lopulliseksi lähtöjännitteeksi. Tähän käytetään instrumentointivahvistinta. - anturilta saatava jännite on Uin - lähtöjännite on Uout Kytkennästä tulee alla olevan kuvan mukainen kokonaisuus. vahvistuksen säätö Pt100 in + vakiovirtageneraattori Uin I Uoffset Uout in - 6. Määritetään, miten suuri vahvistus instrumentointivahvistimelle tarvitaan. Täytä kysytyt tiedot alla olevaan taulukkoon. +30,0 °C -30,0 °C vaihteluväli, swing Uin Uout jännitevahvistus A = Uout : n swing = ─────────── = ________________ Uin : n swing 7. Määritetään, miten suuri input-offset-jännite instrumentointivahvistimelle tarvitaan. Jos instrumentointivahvistimen tulonasta in- ei olekaan kytketty nollaan, vaan johonkin jännitteeseen, saadaan vahvistimen lähtöjännitteeseen aikaan offset-siirtymä. Mihin jännitteeseen instrumentointivahvistimen tulonasta in- tulee kytkeä, jotta vahvistimella saadaan aikaan tavoiteltu toiminta? - lämpötila -30,0 °C → Uin = ____________ → pitää saada Uout = +2,00V - lämpötila +30,0 °C → Uin = ____________ → pitää saada Uout = +10,00V Offsetin määrittämisen laskuja: 8. Yhteenveto kytkennän pääominaisuuksista. vakiovirta: _________ jännitevahvistus: ___________ tulon offset-jännite: __________ Automaation elektroniikka, työ 3 kevät 2015 9. Kytkentään käytetään esim. op.ampia LM741 tai LM324 (tai jotain muuta opparia). Vakiovirtageneraattoriin menee yksi op.amp. Instrumentointivahvistin kootaan kolmesta op.ampista. Katso Wikipedia ”Operaatiovahvistimen kytkennät” Mitoita kytkennän vastukset sellaisiksi, että saadaan tavoiteltava vahvistus. Laita usealle vastukselle pyöreä arvo, esim 1kΩ tai 10 kΩ ja käytä sitten yhtä (tai kahta?) vastusta tavoiteltavan vahvistusarvon aikaansaamiseksi. HUOM! Tarkkaan mietittäviä asioita: - Onko vakiovirtageneraattorin vakiona pysyvä tulojännite plus- vai miinus-merkkinen? Jännitteen pitää olla niin päin, että Pt-100 vastuksen läpi kulkeva virta synnyttää lähtöpisteeseen plus-jännitteen! Eli saadaan plus-jännite, jota sitten vahvistetaan. - Tavoiteltava offset saadaan kytkemällä instrumentointivahvistimen toiseen tuloon kiinteä jännite VDC-jännitelähdettä käyttäen, ja antamalla sille oikea arvo. Kytke offset oikeaan tulonastaan, mieti tarkkaan, kumpaan se tulee! Piirrä Orcadilla kytkentäkaavio selkeään ja siistiin muotoon, että ei ole ”risukasa”. 10. Simuloi Orcadissa kytkentää, miten hyvin se toimii vaatimusten mukaisesti. Käytä simuloinnissa Bias Pointteja. Niistä näkee eri pisteiden virtoja ja jännitteitä. Muuta kytkennässä Pt-100 anturia vastaavaa resistanssia. Aja aina muutoksen jälkeen simulointi läpi ja katso Bias Pointeista vaaditut arvot. Kerää tulokset muistiin alla olevaan taulukkoon. lämpötila +30,0 °C +20,0 °C +10,0 °C 0,0 °C -10,0 °C -20,0 °C -30,0 °C resistanssi anturin virta jännite Uin jännite Uout 11. Analysoi tuloksia. Miten hyvin ne vastaavat teoriassa laskettuja ja tavoiteltuja arvoja?