Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100

23 Paź 2013 18:17 11271 17
  • Poziom 8  
    Witam wszystkich forumowiczów!

    Od kilku dni próbuję zbudować przetwornik dla czujnika rezystancyjnego PT100, zamieniający rezystancję zależną od temperatury na napięcie z zakresu 0-5V.
    Napięcie jest doprowadzone do wejścia analogowego sterownika PLC którego rozdzielczość to 0,1V.

    Założenia:
    Pomiar temperatury z zakresu 0-100 stopni celcjusza. (100Ω - 138.5Ω)
    Na wejściu analogowym PLCka 0 - 5V
    Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego
    Sterownik zareaguje więc na zmianę temperatury o 2°C.
    Więc 0,1V/2°C.
    Prąd na czujniku ~1mA

    Chciałbym by rozwiązanie tego problemu było jak najprostsze a w miarę skuteczne przy sterowaniu obiektem (żarówka).
    Przedstawię to co udało mi się wymyślić oraz schemat który mógłbym adoptować do moich potrzeb.
    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100
    Prąd na czujniku 1,2mA zgadza się z obliczeniami teoretycznymi.
    Spadek napięcia na czujniku w temp pokojowej 0,15V
    Następnie zbudowałem układ jak poniżej:
    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100
    I tu pojawia się problem. Według obliczeń teoretycznych drugi wzmacniacz nieodwracający powinien wzmocnić napięcie ~45 krotnie, tak się jednak nie dzieje. Dodatkowo prąd płynący przez czujnik uległ zmianie I=0.43mA.
    Planowaną zmianą będzie zasilanie wzmacniaczy napięciem 5V.
    Uprzedzając pytania, znam poniższe opracowania:
    Elektronika dla praktycznych 7/94
    Elektronika dla praktycznych 2/2001

    Zastanawiam się nad zastosowaniem poniższego układu bez pętli prądowej (układ mostkowy). Schemat pochodzi z Analog linearization of resistance temperature detectors
    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100
    O ile się dobrze domyślam to opamp zasilany jest symetrycznie np. 5V i -5V.
    Jak owe napięcia uzyskać? 5V mogę z stabilizatora napięcia tak jak na wcześniejszych schematach. A napięcie o odwrotnej polaryzacji? Układ ICL7660 ?
    Zmieniając wzmocnienie tego wzmacniacza uzyskam 5V dla 138.5Ω (100°C) ? Bo zmiana rezystorów w dzielnikach nic nie da.
    W jakim celu zastosowano tutaj dodatnie sprzężenie zwrotne?
    Wiem również, że można takie przetworniki oprzeć o pętlę prądową z wykorzystaniem LM334 i opampa.

    Proszę o pomoc odnośnie schematu jak i elementów jakie powinienem w nim zastosować. Mile widziane będą również różnego rodzaju linki umożliwiające dokształcenie w celu szczęśliwego zakończenia tego projektu.

    Z góry dziękuję za każdą odpowiedź.
    Pozdrawiam serdecznie!
  • Poziom 20  
    Witaj

    Jest tutaj kilka błędów.

    Po pierwsze kostka TL084 umożliwia podawanie na wejścia napięć z zakresu (vcc-) + 3V do vcc+. Ty podajesz napięcie 0.1V na wejście nieodwracające przy vcc- 0V.
    Po drugie, wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego to R2/R1+ 1.
    Po trzecie pomiędzy wyjściem wzmacniacza pierwszego a wejściem nieodwracającym wzmacniacza drugiego powinien być szeregowy rezystor np 1k.

    Ja zrezygnował bym z diody Zenera i po prostu użył bym stabilnego napięcia 9V oraz dzielników 1%. Poniżej narysowany na szybko schemat takiego urządzenia. Trzeba by sprawdzić czy na pewno to zadziała. P1 ustaw tak, żeby przy 0°C na wyjściu wzmacniacza 1 było 2V. P2 ustawiamy tak aby przy 0°C na wyjściu wzmacniacza 2 było 0V

    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100
  • Specjalista elektronik
    Wzmacniacze operacyjne zwykle nie potrafią dawać na wyjściu napięć bliskich napięciu zasilania (+, ani -). Są specjalne wzmacniacze "rail-to-rail", które dochodzą dość blisko obu napięć zasilania, może trzeba takiego użyć, jak chcesz zasilać napięciem 5V i mieć na wyjściu zakres 0-5V?

    I wzmacniacze mają jakieś napięcie niezrównoważenia - typowo około 5mV; jeśli zakres zmian napięcia na czujniku jest od 0.15V do 0.20V, to jest to tylko 10 razy więcej, niż możliwy błąd wzmacniacza - wypada użyć czegoś dokładniejszego od typowych, jest i kilkaset razy dokładniejszy.

    Połączenie 2 wzmacniaczy tak, jak na schemacie (oba to mają) zwykle zwiększa błąd, jeśli wszystkie wzmacniacze w kostce pływają zgodnie - lepiej sygnał z pierwszego podać na wejście '-' drugiego, wtedy błędy będą się odejmować.

    Trudno określić cel użycia R5 na rysunku z szarym tłem - być może chodzi o to, by prąd czujnika nie zmieniał się przy zmianie jego oporu: większy opór czujnika daje mniejszy prąd przez R1, ale dodatkowy prąd przez R5, może w sumie się nie zmienia? Do policzenia.
  • Poziom 8  
    Witam,

    dziękuję bardzo za odpowiedzi i przepraszam, że odpisuję dopiero teraz, ale nie miałem za bardzo czasu.

    Na przedstawionych schematach NC oznacza, że nic nie jest podłączone (nie ma tam masy). W takim wypadku faktycznie jest tak jak opisał to użytkownik Drako1988. Wzmacniacz nie spełnia swojej funkcji. Jednak po podłączeniu do vcc- masy, napięcia się znacznie zmieniły (w sumie nie wiem dlaczego?). Przy takim połączeniu wzmocnienie układu zgadza się z obliczonym. Kupiłem jednak układ LM358.
    Dodałem również rezystor po wyjściu z pierwszego wzmacniacza tylko jaką on spełnia tam funkcje?
    W najbliższym czasie przetestuje układ przedstawiony przez Drako1988. Dziękuję bardzo.
    Tak jak to przedstawił użytkownik _jta_ zmieniłem założenie odnośnie zasilania wzmacniaczy. Będzie to zasilanie niesymetryczne z stabilizatora 7809 który będzie zasilany z 24V.
    Potrafisz może zasugerować coś dokładniejszego? Może być Lm385?
    Spróbuje wyjście pierwszego podać na wejście odwracające, zobaczymy co z tego wyjdzie.

    W najbliższych dniach przedstawię postępy, proszę również o dalsze sugestie.
    Pozdrawiam!
  • Poziom 8  
    Witam,

    spróbowałem zbudować układ przedstawiony przez użytkownika Drako1988.

    Zasilanie 9V z stabilizatora napięcia na który z kolei podałem 24V.
    Zamiast potencjometru, bo chyba nie jest on konieczny, wstawiłem rezystor 6k. W takiej konfiguracji dla 0°C uzyskałem na wyjściu 2V. Zaznaczę jednak, że użyłem rezystorów 5%. Zamiast R7 wstawiłem rezystor o oporności 1k w celu uzyskania na czujniku prądu rzędu ~1mA. Niestety przy dołączeniu drugiego wzmacniacza układ nie zachowywał się już prawidłowo. Dla wygodnego połączenia na płytce stykowej wykorzystałem drugą kostkę LM358. Zamiast potencjometru wykorzystałem rezystor 22k. Na wyjściu przy 0°C uzyskałem 1,7V . Przy zmniejszaniu wartości tego rezystora nie zbliżyłem się do wyjściowego napięcia równego 0V. Znaczne podwyższenie np. 100k obniżało napięcie wyjściowe jednocześnie powodując jego skoki, przykładowo 0,2V - 0,8V. Nie użyłem również kondensatorów 1uF gdyż nie posiadam aktualnie takiego elementu.

    Co może być przyczyną takiego zachowania układu?
    Jakie błędy popełniłem?

    Pozdrawiam!
  • Specjalista elektronik
    Wstawiłeś 6k zamiast którego potencjometru? Chyba pierwszego, miał być ustawiony na 3k. Zwiększenie R7 spowodowało, że zmiany napięcia na wyjściu stały się 10 razy mniejsze, czyli od 2.0000V do 2.0385V, żeby z tego zrobić zmianę od 0 do 5V trzeba by było mieć wzmocnienie napięciowe 130 razy, a w takim układzie to się nie da.
  • Poziom 8  
    Tak, zamiast pierwszego. Faktycznie to zwiększenie R7 doprowadziło do błędnego działania oraz mojej interpretacji zbudowanego przeze mnie układu.
    Zamierzam jednak pozostać przy takiej wartości R7 w celu uzyskania odpowiedniego prądu na czujniku.
    Na wyjściu pierwszego wzmacniacza uzyskam 1.1V-1.138V. Na nóżkę odwracającą drugiego wzmacniacza chcę podać 1.1V. I tu nasuwa się moje pytanie.
    Nie bardzo wiem jak wyliczyć wzmocnienie tego drugiego wzmacniacza. Nie pokrywa się to z wzorami na wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego.
    Chciałbym uzyskać na nim wzmocnienie ~ 130.

    Dalej oczywiście mówię o schemacie przedstawionym przez Drako1988 w drugim poście.
  • Specjalista elektronik
    LM358 może przy napięciu na wyjściu 200mV przyjmować prąd 30uA (typowo) wpływający do wyjścia (TI, s.6), albo dać 5mV (gwarantowane poniżej 20mV) przy obciążeniu 10k (albo większym) do minusa zasilania. Problemem jest to, że nawet niewielki prąd wpływający do wyjścia podnosi napięcie - przy 2V na wejściu odwracającym przez opornik 22k łączący je z wyjściem popłynie 91uA i pewnie na wyjściu zrobi się z pół wolta.

    Uzyskanie dużego wzmocnienia napięciowego wymaga niskiej impedancji podłączonej do wejścia odwracającego - dla opornika 22k łączącego je z wyjściem wzmocnienia 130 potrzeba 170R (22k/(130-1)=170.5), czyli np. dzielnika z oporników 190R i 1350R (w dobrym przybliżeniu). Łatwiej jest ze wzmacniaczem odwracającym, wtedy można wykorzystać niską impedancję wyjściową pierwszego wzmacniacza, nie trzeba dzielnika o niskiej impedancji.

    Aha, jeszcze jedno: LM358 ma napięcie niezrównoważenia typowe 3mV, do 7mV a w temperaturze pokojowej, do 10mV w cały zakresie - chcesz używając tego układu mierzyć napięcie w zakresie do niecałych 40mV? Błąd spowodowany napięciem niezrównoważenia będzie kilka, może nawet kilkanaście procent.
  • Specjalista elektronik
    Są układy LM4041-ADJ i TL431, dodając tranzystor i dwa oporniki, każdy z nich można wykorzystać do zbudowania źródła prądowego (pierwszy od strony +zasilania, tak jak na rysunku, drugi na -zasilania) - wzmacniacz operacyjny przy LM4041 jest tu zbędny. Ale może wystarczy wykorzystać stabilizowane napięcie zasilania i opornik? Spadek napięcia na oporniku będzie ponad 220 razy większy, niż jego zmiany, więc wynikająca z tego nieliniowość nie spowoduje zauważalnego błędu. Jest tylko kwestia: jaki wzmacniacz operacyjny? Potrzebne jest małe napięcie niezrównoważenia (uV, a nie mV), napięcie wejściowe i wyjściowe od -zasilania, nie bardzo małe wzmocnienie (ponad 20 000), prąd polaryzacji wejścia może być do 1uA.
  • Poziom 27  
    Wzmacniacz operacyjny jest potrzebny, jeśli buduje się dwa źródła prądowe o takiej samej wydajności np. 1mA w oparciu o jedno źródło referencyjne. Jedno źródło na wysoko stabilnym oporniku 100 Ω wymusza napięcie referencyjne 0,1 V a drugie zasila zmienny w funkcji temperatury opornik PT100. Jakie korzyści?
    - układ odporny na zmiany zasilania,
    - mały wpływ temperatury na współbieżność źródeł prądowych
  • Specjalista elektronik
    Tego z opornikiem 100 Ω nie ma - pewnie miało być z lewej strony i zostało obcięte. A można użyć jednego źródła i puścić prąd przez oporniki (PT100 i stabilny) połączone szeregowo. Albo zrobić tak, jak napisałem - i tak głównym źródłem błędu jest napięcie niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego.

    A jeśli dokładność pomiaru ma być istotna, to należy mierzyć używając prądu zmiennego - prąd stały płynąc przez połączenie dwóch różnych metali nagrzewa je, albo chłodzi (zjawisko Peltiera), co powoduje generowanie w nim napięcia (zjawisko Seebecka), fałszującego pomiar oporności.
  • Poziom 8  
    Zrobiłem kolejne podejście do schematu Drako1988.

    Uwzględniłem błąd napięcia niezrównoważenia o którym wspomniał _jta_ tzn. zwiększyłem zakres tak aby jego wpływ na wynik był mniejszy. Nie mogłem uzyskać różnicy 0,38 V tak jak jest to na schemacie w drugim poście gdyż znacznie zwiększyłby się prąd na czujniku. Udało się osiągnąć różnicę 0,25V uzyskując prąd na czujniku 6,5mA. Dalej jest to wartość za duża, jednak na razie najważniejsze jest by cały przetwornik po prostu działał...
    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100
    Pierwszy wzmacniacz działa poprawnie. W przypadku drugiego zbudowałem dwa układy. W przypadku połączenia wzmacniacza z PT100 z wzmacniaczem u góry (Opcja I) dla wzmocnienia równego 20 dla 0°C (0,004V) na wyjściu mam 1,43V, dla 20°C (0,05V) na wyjściu 2,6V.
    Zgodnie z tym co napisał _jta_ dzielnik powinien mieć niską impedancję, nie zdążyłem sprawdzić jak wtedy układ się zachowa.
    Dlaczego nie mogę uzyskać 0V dla 0°C? Wpływ ma ten prąd wpływający do wyjścia? Da się to jakoś obejść?

    W przypadku układu z wzmacniaczem na dole (Opcja II) dla 0°C (0,04) i wzmocnienia 20 na wyjściu mam 0,8 V. To by się zgadzało. Jednak konfiguracja z wzmacniaczem odwracającym powoduję, że dla 20°C (0,18) na wyjściu uzyskuję 0,1V.

    Czy układ z drugiego zdjęcia coś zmieni? Może on będzie poprawnym rozwiązaniem? Nie mam aktualnie okazji by go przetestować.
    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100

    Najprawdopodobniej to było moje ostatnie podejście do schematu Drako1988. Trzeba poszukać nowego rozwiązania.

    Użytkowniku ronwald mógłbym prosić Cię o ponowne wrzucenie zdjęcia schematu? Podczas konwersji do pdfa ucięło część, a ja nie bardzo potrafię się domyślić co tam było. Uniemożliwia mi to również wyciągnięcie wniosków z wynikłej dyskusji na jego temat :)

    Pozdrawiam i dziękuję za pomoc!
  • Specjalista elektronik
    Dlaczego nie mogę uzyskać 0V dla 0°C? Wpływ ma ten prąd wpływający do wyjścia? Da się to jakoś obejść?

    Jaką charakterystykę prąd/napięcie ma mieć na wejściu to, na co podasz sygnał z tego przetwornika?

    W szczególności: jakie napięcie ustala się na tym wejściu, kiedy nie jest podłączone (nie płynie prąd)?
  • Poziom 8  
    Witam,

    Użytkowniku _jta_ niestety nie bardzo wiem o co chodzi :)

    Wyjście z przetwornika podaje na wejście analogowe sterownika PLC.

    Udało mi się wreszcie zbudować poprawnie działający układ.
    Rozwiązaniem okazał się poniższy schemat:
    Przetwornik pomiarowy 0-5V dla PT100

    Zastanawiam się czy mogę go jakoś rozwinąć, udoskonalić.

    Pozdrawiam!
  • Poziom 8  
    Witam,

    dziękuje za pomoc i odpowiedzi. Układ śmiga aż miło. Zamiast OPA188 wykorzystałem LM358 zasilany niesymetrycznie (9V i GND). Zmieniłem zakres pomiarowy na 0 - 50°C (żarówka po godzinnym świeceniu nie przekroczyła 50 stopni na czujniku) co odpowiada napięciu 0V - 5V. Rozdzielczość wynosi więc 0,1V/1°C. Po dokładnej analizie poprawności działania i wielu testach stwierdzam, że wszystko jest okej ;)

    Temat do zamknięcia.

    Pozdrawiam!

    Ps. Punkty rozdane!