Elektroniczny termometr z czujnikiem Pt100.pdf

P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W

Elektroniczny termometr

z czujnikiem Pt100

Projekt

040

DziÍki zastosowaniu,

w prezentowanym

mierniku, profesjonalnego

czujnika temperatury Pt100

zarÛwno zakresy

pomiarowe, jak

i dok³adnoúÊ pomiaru

spe³nia wymagania takøe

bardziej wymagaj¹cych

CzytelnikÛw.

TrochÍ teorii

Rozwaøaj¹c moøliwoúÊ

budowy termometru z†czuj-

nikiem platynowym, stan¹-

³em przed problemem line-

aryzacji czujnika tempera-

tury typ Pt100.

Specjalizowane uk³ady

scalone przeznaczone do te-

go celu okaza³y siÍ bardzo

drogie i†trudno dostÍpne,

a†rozwi¹zanie zapropono-

wane przez Piotra GÛreckie-

go w†artykule ìTermometr

z†czujnikiem platynowym

Pt100î, opublikowanym

w†EP 7/94, nawet nie przy-

sz³o mi do g³owy.

Zainspirowa³ mnie na-

tomiast schemat termomet-

ru zamieszczony w†ksi¹øce

panÛw Z. Kulki, A. Libury

i†M. Nadachowskiego pt.

ìPrzetworniki analogowo-

cyfrowe i†cyfrowo-analogo-

weî (opublikowany rÛw-

nieø w†EP2/97). Przy uwaø-

nej lekturze wspomnianej

ksi¹øki na-

trafi³em na rozdzia³

opisuj¹cy przetworniki

o†charakterystyce nielinio-

wej, a†zw³aszcza o†sposo-

bie zamiany charakterysty-

ki przetwornika z†liniowej

na nieliniow¹ poprzez su-

mowanie napiÍcia odnie-

sienia z†czÍúci¹ napiÍcia

przetwarzanego. Znaj¹c

wartoúci rezystancji czujni-

ka Pt100 dla rÛønych tem-

peratur (zawiera je polska

norma PN-83M53852) i†za-

k³adaj¹c stabilizacjÍ pr¹du

p³yn¹cego przez czujnik na

poziomie 1mA, wyliczy³em

wartoúci napiÍcia odnie-

sienia dla konkretnych

temperatur, przy ktÛrych

wskazania termometru by-

³yby poprawne.

I†tak, wskazanie prze-

twornika ICL 7106 (uk³ad

Us1) opisane jest wzorem:

wskazanie wyświetlacza =

1000*U IN /U REF ,

gdzie: U IN - napiÍcie wej-

úciowe pomiÍdzy koÒcÛwka-

mi INHI i†INLO;

U REF - napiÍcie odniesienia

pomiÍdzy koÒcÛwkami RHI

i†RLO.

Po przekszta³ceniu mo-

øemy ³atwo obliczyÊ napiÍ-

cia odniesienia dla rÛønych

temperatur:

U REF = 1000* U IN /wskazania

wyświetlacza.

Np. dla temperatury

-150 o C†rezystancja czujnika

wynosi 39,71

, a†wiÍc na-

piÍcie pomiÍdzy koÒcÛwka-

mi INLO i†INHI (patrz sche-

mat) wyniesie -60,29mV. Po

podstawieniu otrzymujemy:

U REF (−150 o C) = 1000*

(−60,29)mV/(−150) = 401,93mV,

a†dla temperatury +400 o C:

U REF (+400 o C) = 1000*147,04/

400 = 367,6mV.

NastÍpnym krokiem by³o

wyliczenie wartoúci napiÍ-

Rys. 1.

Elektronika Praktyczna 1/98

P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W

cia ustawionego na poten-

cjometrze P2 (patrz schemat

z† rys. 1 ) oraz wspÛ³czynni-

ka podzia³u napiÍcia na

czujniku Pt100, aby po od-

jÍciu go od napiÍcia usta-

wionego na potencjometrze

P2 otrzymaÊ poø¹dan¹ zmia-

nÍ charakterystyki przetwa-

rzania uk³adu ICL 7106. Na-

piÍcie na potencjometrze P2

jest sta³e dla wszystkich

temperatur i†moøemy je wy-

liczyÊ ze wzoru:

U P2 = (U Pt100 *x) + U REF ,

gdzie: U P2 - napiÍcie usta-

wione na potencjometrze

P2; U Pt100 - napiÍcie na czuj-

niku Pt100; x†- wspÛ³czyn-

nik podzia³u napiÍcia na

czujniku Pt100.

Po podstawieniu dla

temperatur - 150 o C i†+400 o C

otrzymujemy:

−150 o C U P2 = 39,71x + 401,93 [mV]

+400 o C U P2 = 247,04x + 367,l60 [mV]

Skoro U P2 jest zawsze ta-

kie samo, otrzymujemy:

247,04x + 367,6 = 39,71x + 401,93

247,04x − 39,71x = 401,93 − 367,6

x » 0,165.

Podstawiaj¹c do wzoru

otrzymujemy napiÍcie usta-

wione na P2:

U P2 = (39,71 * 0,165) +

401,93 = 408,48 [mV].

PrzyjÍte za³oøenia oraz

powyøsze przyk³ady tylko

w†przybliøeniu linearyzuj¹

uk³ad czujnik - przetwornik.

Niemniej jednak, po

przeliczeniu dla rÛønych

temperatur okaza³o siÍ, øe

w†zakresie temperatur od

-150 o C†do +550 o C†propono-

wany uk³ad daje teoretycz-

nie b³¹d wskazaÒ mniejszy

niø 1 o C, a†w†zakresie do

250 o C†nawet 0,2 o . Cierpli-

wych zachÍcam do obliczeÒ.

taka jest kompromisem po-

miÍdzy czu³oúci¹ przetwor-

nika a†zasilaniem z†baterii.

Potencjometrem P1 usta-

wia siÍ napiÍcie na koÒcÛw-

ce INLO tak, aby przy rezys-

tancji czujnika wynosz¹cej

100

okablowanie do wy³¹cznika

zasilania, prze³¹cznika roz-

dzielczoúci, gniazda czujni-

ka oraz zacisku baterii 9V.

Przewody gniazda i†zacisku

baterii przewlekamy przez

otwory w†p³ytce drukowanej

aby zapobiec oberwaniu siÍ

ich przy spoinach.

Uwaga: przewody gniaz-

da czujnika, przy wykorzys-

taniu zaproponowanej p³yt-

ki, lutujemy od strony druku

pod uk³adem US3.

Teraz moøemy wlutowaÊ

wzmacniacze operacyjne

i†uk³ady CMOS. W†ostatniej

kolejnoúci montujemy prze-

twornik US1, a†nad nim wy-

úwietlacz.

Uk³ad scalony powinien

byÊ maksymalnie dociúniÍty

do p³ytki. PomiÍdzy nim

a†montowanym nad nim wy-

úwietlaczem powinna pozo-

staÊ minimalna wolna prze-

strzeÒ. W†przeciwnym razie

na wyúwietlaczu moglibyú-

my zobaczyÊ odciúniÍte kra-

wÍdzie obudowy uk³adu. Je-

øeli uk³ad zosta³ zmontowa-

ny ze sprawnych elemen-

tÛw, to jego uruchomienie

go nie bÍdzie trudne.

W†pierwszej kolejnoúci

sprawdzamy czy na p³ycie

nie ma ìmostkÛw z†cynyî.

Jeøeli ich nie zauwaøymy,

to pod³¹czamy zasilanie.

Sprawdzamy pobÛr pr¹du

z†baterii bez pod³¹czonego

czujnika - powinien wyno-

siÊ ok. 2,3..2,5mA. Na wy-

úwietlaczu powinny ukazaÊ

siÍ segmenty B4 i†C4 (naj-

starsza jedynka). Prze³¹cz-

nikiem W2 sprawdzamy czy

pojawia siÍ przed najm³od-

sz¹ cyfr¹ punkt dziesiÍtny.

Zwieraj¹c na chwilÍ wypro-

wadzenie 37 (TEST) US1

z†îplusemî baterii, spraw-

dzamy czy s¹ wyúwietlane

wszystkie segmenty.

Uwaga: dla uk³adu 7106

podczas testu wyúwietlacza,

do segmentÛw jest doprowa-

dzane napiÍcie sta³e, ktÛre

moøe uszkodziÊ wyúwiet-

lacz, jeøeli taki stan potrwa

kilka minut.

Jeøeli wszystko jest

w†porz¹dku, moøemy spraw-

dziÊ wartoúÊ pr¹du p³yn¹-

cego przez czujnik Pt100 -

powinien on wynosiÊ ok.

0,9..1,1mA, a tym samym

pr¹d zasilania powinien

wzrosn¹Ê do ok. 3,5mA.

Na wyúwietlaczu ukaø¹

siÍ przypadkowe wskazania,

ktÛre powinny siÍ zmieniaÊ

w†czasie regulacji potencjo-

metrami P1 i†P2. Jeøeli

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

P1: 2k

hltr.

R1: 180k

R2, R3, R4, R5: 1M

(0 o C) wskazanie na

wyúwietlaczu wynosi³o do-

k³adnie 00.0 o C.

Poprzez rezystor R5 na-

piÍcie z†czujnika jest dopro-

wadzone do koÒcÛwki INHI

uk³adu US1. NapiÍcie to

w†zaleønoúci od temperatu-

ry moøe przyjmowaÊ wartoú-

ci dodatnie lub ujemne

wzglÍdem koÒcÛwki INLO.

Kondensator C4 w³¹czo-

ny pomiÍdzy te koÒcÛwki

filtruje napiÍcie wejúciowe.

Wzmacniacz operacyjny

US4 jest odpowiedzialny za

kszta³towanie charakterysty-

ki przetwarzania. Do wejúcia

nieodwracaj¹cego tego uk³a-

du jest podane napiÍcie

z†suwaka potencjometru P2,

od ktÛrego odejmowana jest

poprzez wejúcie odwracaj¹-

ce czÍúÊ napiÍcia z†czujni-

ka pomiarowego. Z†wyjúcia

tego uk³adu, poprzez dziel-

nik napiÍcia oraz klucze

analogowe K1 i†K2 uk³adu

US5, sterowana jest koÒcÛw-

ka RHI uk³adu US1. I†tak, ze

wzrostem rezystancji (tem-

peratury) czujnika pomiaro-

wego wzmacniacz operacyj-

ny US4 LM 308 powoduje

obniøanie siÍ napiÍcia od-

niesienia, przez co zmienia

siÍ charakterystyka przetwa-

rzania, kompensuj¹c tym sa-

mym nieliniowoúÊ czujnika.

Bramki B1 i†B2, sterowane

wy³¹cznikiem, za³¹czaj¹

klucze analogowe K1 i†K2,

ktÛre za³¹czaj¹ na przemian

pe³ne napiÍcie z†wyjúcia

US4, b¹dü jego dziesi¹t¹

czÍúÊ. Rozwi¹zanie to ma

na celu zwiÍkszenie roz-

dzielczoúci pomiaru w†za-

kresie temperatur do 200 o C.

Dodatkowa bramka B1, po-

przez bramkÍ B3, za³¹cza

takøe punkt dziesiÍtny na

wyúwietlaczu przy pomiarze

o†wyøszej rozdzielczoúci.

Rezystory R1, R2, R3, tran-

zystor T1 i†bramka B4 two-

rz¹ uk³ad sygnalizuj¹cy na

wyúwietlaczu roz³adowanie

baterii zasilaj¹cej.

R6, R7, R8: 10k

R9: 16,5k

R10: 619

R11: 61,9k

R12: 100k

R13: 32,4k

R14: 9,09k

R16: 100k

Kondensatory

C1, C2, C3: 100pF

ceramiczny

C4, C5: 10nF ceramiczny

C6: 100nF

C7: 470nF

C8: 220nF

Półprzewodniki

D1: 1N4148

T1: BC238C

US1: ICL7106

US2: CN4136R

US3, US4: LM308

US5: CD 4066

US6: CD 4070

Różne

G1: gniazdo DIN

W1: WS 946.11.3.01

W2: WS 946.11.3.01

wszystkie nasze zabiegi wy-

pad³y pomyúlnie, to moøe-

my przyst¹piÊ do skalowa-

nia termometru.

Uwaga: skalowanie po-

winniúmy przeprowadziÊ ra-

zem z†przewodem, do ktÛre-

go pod³¹czony bÍdzie czuj-

nik. W†ten sposÛb przy ska-

lowaniu uwzglÍdnimy rÛw-

nieø rezystancje tych prze-

wodÛw.

Do skalowania potrzebne

bÍd¹ dwa rezystory o†rezys-

tancji 100

Opis uk³adu

Uk³ad elektroniczny ter-

mometru nie jest skompli-

kowany (rys. 1). Zawiera

piÍÊ uk³adÛw scalonych,

kilkanaúcie rezystorÛw, kil-

ka kondensatorÛw, dwa po-

tencjometry i†wyúwietlacz

ciek³okrystaliczny. Uk³ad

scalony US1 to popularny

przetwornik pracuj¹cy

w†klasycznym uk³adzie

publikowanym wielokrotnie

na ³amach rÛønych czaso-

pism i†nie wymaga specjal-

nych objaúnieÒ. Wzmac-

niacz operacyjny US3 to

uk³ad scalony LM308 w†kon-

figuracji stabilizatora pr¹du

p³yn¹cego przez czujnik

Pt100. Rezystory P1, R6, R10,

R13 ustalaj¹ pr¹d pomiaro-

wy na oko³o 1mA. WartoúÊ

, ich tolerancja

powinna byÊ lepsza od 0,1%,

co pozwoli nam uzyskaÊ du-

ø¹ dok³adnoúÊ regulacji. Mo-

g¹ teø byÊ uøyte specjalne

rezystory przeznaczone do

sprawdzania fabrycznych

miernikÛw temperatury.

Ostatecznie moøemy pos³u-

øyÊ siÍ dobrym multimetrem

cyfrowym (np. Metex 4650 na

zakresie 2mA ma rezystancjÍ

wejúciow¹ 100

W†pierwszej kolejnoúci

pod³¹czamy do przewodÛw

rezystor 100

Montaø i uruchomienie

Montaø termometru roz-

poczynamy od lutowania

zwÛr, rezystorÛw, kondensa-

torÛw, potencjometrÛw.

W†nastÍpnej kolejnoúci wlu-

towujemy tranzystor i†diodÍ,

(lub rezystor

do sprawdzania miernikÛw

albo multimetr). Naleøy

zadbaÊ o†to, by po³¹czenia

by³y pewne i†mia³y jak naj-

Elektronika Praktyczna 1/98

P2: 2k

R15: 1k

R17: 27k

P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W

, to ustawiamy

potencjometrem P2 wskaza-

nie 267 - koniecznie na niø-

szej rozdzielczoúci. Opera-

cjÍ tÍ powtarzamy kilkakrot-

nie, aby mieÊ pewnoúÊ. Do

sprawdzania miernikÛw

ustawiamy wartoúÊ odczyta-

n¹ z†tego rezystora. Jeøeli

dysponujemy tylko multi-

metrem, zawieramy przewo-

dy i†ustawiamy potencjo-

metrem P2 wartoúÊ - 245 na

wyúwietlaczu. Ten ostatni

sposÛb nie jest zbyt dok³ad-

ny, ale jeøeli nie s¹ stawia-

ne duøe wymagania - jest

w†zupe³noúci wystarczaj¹cy.

Pozostaje nam jeszcze

sprawdziÊ, czy wskazania

termometru przy niøszej

i†wyøszej rozdzielczoúci s¹

takie same. Jeøeli siÍ rÛø-

ni¹, to rÛwnolegle do rezys-

tora R14 dolutowujemy re-

zystor o†rezystancji od

620k

Uwagi koÒcowe

Chociaø proponowany

uk³ad pracuje z†zasilaniem

bateryjnym, moøna wykonaÊ

go z†powodzeniem jako za-

silany z†sieci, stosuj¹c jako

przetworniki pomiarowe

uk³ady ICL 7107 lub ICL

7135. Mamy wtedy moøli-

woúÊ zwiÍkszenia pr¹du

p³yn¹cego przez czujnik

Pt100. Nie zalecam jednak

zwiÍkszenia tego pr¹du po-

wyøej 10mA - istnieje bo-

wiem niebezpieczeÒstwo

samonagrzewania siÍ czuj-

nika pod wp³ywem p³yn¹ce-

go pr¹du.

DziwiÊ moøe teø zasto-

sowanie wyúwietlacza

CN4136R firmy Unitra-Do-

lam z†Wroc³awia, nie maj¹-

cego swoich odpowiednikÛw

w†handlu, jednak pod ko-

niec lat osiemdziesi¹tych

zdobycie zachodnich wy-

úwietlaczy nastrÍcza³o spo-

ro trudnoúci. Po przeprojek-

towaniu p³ytki moøna zasto-

sowaÊ dowolny wyúwietlacz

3,5-cyfrowy. Oryginalne ter-

mometry, budowane przez

kilka lat, pracuj¹ z†czujni-

kami firmy Czaki Thermop-

roduct z†Raszyna, jako prze-

noúne mierniki do doraünej

kontroli temperatury.

Osoby zainteresowane

informujÍ, øe posiadam

czÍúciowo uzbrojone p³ytki

termometrÛw. Wykaz ele-

mentÛw przeúlÍ na øycze-

nie.

Roman Mania

dobrany

w†ten sposÛb, aby wskaza-

nia pokrywa³y siÍ na obu

zakresach.

Moøemy teø, jeúli dyspo-

nujemy regulowanym zasi-

laczem, sprawdziÊ sygnali-

zacje roz³adowania baterii.

Literki BA na wyúwietlaczu

powinny siÍ w³¹czyÊ przy

napiÍciu 8V do 8,5V.

Elektronika Praktyczna 1/98

mniejsz¹ rezystancjÍ. Poten-

cjometrem P1 ustawiamy na

wyúwietlaczu wartoúÊ 00,0

przy pomiarze o†podwyøszo-

nej rozdzielczoúci. NastÍp-

nie w³¹czamy w†obwÛd dru-

gi rezystor i†jeøeli jest to

takøe 100

do 1,5M

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: