Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Převodníky teploty – přehled trhu

Teplota, základní stavová veličina, patří k nejčastěji měřeným (asi 30 % všech měření v průmyslu). Metod měření teploty existuje velmi mnoho a v zásadě se dělí na dotykové (kontaktní) a bezdotykové (bezkontaktní). Článek [1] je věnován vstupní části dotyko­vých teploměrů, tj. v praxi nejčastěji používaným čidlům teploty. Tento článek stručně seznamuje s principy současných řešení elektronické (obvodové) části řetězců pro mě­ření teploty, tzv. převodníků teploty.
 

Standardní převodníky teploty

 
Za měřicí převodník teplo­ty (dále jen převodník teploty) je označována ta část měřicího řetězce, která převádí výstupní signál z čidla teploty na poža­dovaný unifikovaný elektrický signál, vhodný k dalšímu zpra­cování (vyhodnocení) v měři­cím či řídicím systému. Vý­stupní signál převodníku teplo­ty může být obecně analogový nebo číslicový. Převodníky tep­loty obvykle obsahují na vstu­pu zesilovač signálu generova­ného čidlem teploty, dále obvo­dy k úpravě zesíleného signálu (A/D převodníky, komparáto­ry, oddělovací členy, filtry atd.) a za nimi výstupní část umož­ňující zobrazovat či ukládat na­měřené hodnoty teploty. Podle stupně integrace převodníku se rozlišují převodníky teploty zá­kladní, zajišťující pouze pře­vod signálu z čidla teploty na (unifikovaný) elektrický signál (nejčastěji stejnosměrný proud nebo napětí u analogových pře­vodníků nebo frekvence impul­zů, signál s modulací šířky pul­zu atd. u převodníků číslico­vých), a převodníky s vyšším stupněm integrace a širší na­bídkou funkcí.
 
Nejjednodušší analogové pře­vodníky se objevily již v 70. le-tech minulého století. K nejzná­mějším asi patří výrobek společnosti Analog Devices AD 590 (převodník teplota-proud s cit­livostí 1 μA/1 K, který je do­dnes na trhu). Analogové převodníky teploty jsou obvykle za­pouzdřeny do kovových nebo plastových pouzder obdobných tranzistorovým, která bývají tva­rově upravována podle konkrét­ního použití.
 
Následovaly převodníky s vyšším stupněm integrace, které vedle měřicího zesilovače na vstupu obvykle obsahují minimálně napájecí zdroj pro buzení externích pasivních čidel teploty a poskytují dvouvodičový proudový výstup 0/4 až 20 mA. Tyto převodníky představují dosud obvyklý analogový standard. Největší popularity pravděpodobně dosáhly integrova­né převodníky teploty dodávané společnostmi Burr-Brown (na začátku 90. let minulého sto­letí: XTR101, XTR103, XTR104 a IXR100) a Analog Devices (AD693 a AD694 koncem 80. let) [3].
 
Na obr. 1 je ukázáno blokové schéma dvouvodičového měřicího převodníku Burr-Brown XTR 103 v monolitickém provedení s dva­nácti vývody určeného k použití s kovovými odporových snímači teploty (RTD) a na obr. 2 je zjednodušené zapojení převodníku Burr--Brown XTR101 s určením pro termočlán­kové snímače teploty. Dvouvodičový měřicí převodník Burr-Brown ITR100 na obr. 3 má tytéž parametry jako model XTR103 (určený pro RTD) a navíc galvanicky odděluje vstupní a výstupní část integrovaného obvodu (izolač­ní napětí 1 500 V, univerzální typ).
 
Významnou vlastností měřicího řetězce teploty je chyba způsobená nelineární pře­vodní závislostí (charakteristikou) čidla. Typické možnosti kompenzace nelineární cha­rakteristiky čidla, kterou nabízí převodník XTR103 při použití funkce linearizace vý­stupního signálu, jsou ukázány v grafech na obr. 4 obr. 5.
 
U integrovaných polovodičových sníma­čů, které obsahují na jednom monolitickém prvku i čidlo teploty, je využívána teplotní závislost polovodičového přechodu P-N. Ty­pické uspořádání takového čidla je na obr. 6. Při konstantním napájecím proudu I se měří teplotní závislost napětí UBE1 u tranzistoru T1 [4]. Několikanásobný přechod emitor-bá­ze je použit k dosažení lepší linearity a vět­ší citlivosti.
 

Inteligentní převodníky teploty

 
Nejnovější převodníky teploty označova­né jako inteligentní (popř. smart) obsahují oproti již zmíněným standardním integrova­ným dvouvodičovým měřicím převodníkům ještě další funkce, které rozšiřují možnosti jejich použití a pohodlí obsluhy. Patří sem zejména analogové i digitální zobrazení na­měřené hodnoty teploty s volitelnou měři­cí jednotkou (stupeň Celsia nebo Fahren­heita, kelvin), přepínání vstupních signálů a možnost kalibrace (i automatické). Ob­vyklé jsou také programovatelnost, mož­nost oboustranné komunikace (adresování) s nadřízeným systémem (počítačem) a mož­nosti nastavení mezních hodnot teploty a je­jich hlídání, filtrace a linearizace signálu, detekce poruchy, zálohování (automatické přepínání na záložní snímač – hot backup), konfigurování snímačů (údaje v EEPROM včetně charakteristik čidel v podobě elek­tronického štítku – TEDS), souběžné mě­ření dvou teplot a matematické úpravy na­měřených údajů (obvykle rozdíl) a někte­ré další (viz např. údaje v tabulce Přehled trhu). V současnosti jsou převodníky osazo­vány mikroprocesory a komunikují při pou­žití obvyklých standardních průmyslových sběrnic a protokolů, GSM i jiných mobil­ních bezdrátových sítí.
 
Typické uspořádání inteli­gentního převodníku teploty je na obr. 7 [4].
 

Situace na trhu

 
Na stranách 24 až 28 jsou v podobě tabulky uvedeny současně nabízené průmys­lové převodníky teploty od některých firem (distributo­rů) a jejich základní para­metry. S ohledem za značný počet výrobců (téměř každá firma vyrábějící integrova­né, popř. hybridní obvody) a rozsah možných parametrů a provedení přehled nemůže být a ani není vyčerpávající (omezení je dáno především místem v časopisu a tím, že ne všichni výrobci/dodavate­lé odpověděli na oslovení redakce). Účelem článku je uvést širokou odbornou veřejnost do dané oblasti měřicí a řídicí techniky. Zá­jemci najdou podrobnější informace v uvedené literatuře, na webových stránkách fi­rem atd. Všem výrobcům a distributorům integrovaných měřicích převodníků teploty zúčastněným v Přehledu trhu patří poděko­vání za vstřícnou spolupráci.
 
Literatura:
[1] BEJČEK, L.: Přehled trhu snímačů teploty do průmyslového prostředí. Automa, 2009, roč. 15, č. 6, s. 26–30.
[2] BEJČEK, L.: Dvouvodičové měřicí převodníky II. Automatizace, 1994, roč. 37, č. 1-2 , s. 18–24.
[3] KABEŠ, K.: Inteligentní převodníky teploty – přehled trhu. Automatizace, 2004, roč. 47, č. 1, s. 33–39.
[4] ĎAĎO, S. – KREIDL, M.: Senzory a měřicí obvody. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1996.
doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.,
ústav automatizace a měřicí techniky, FEKT, VUT v Brně
 
Obr. 1. Blokové schéma integrovaného dvouvodičového měřicího převodníku teploty Burr-Brown XTR103 pro kovová odporová čidla teploty (RTD)
Obr. 2. Základní zapojení integrovaného dvouvodičového měřicího převodníku teploty Burr-Brown XTR101 pro termočlánky (ϑm– měřená teplota, ϑs– teplota srovnávacího spoje)
Obr. 3. Základní zapojení izolačního integrovaného dvouvo­dičového měřicího převodníku teploty Burr-Brown ITR100 pro RTD
Obr. 4. Chyba převodníku XTR103 s měřicím odporem Pt100 v rozsahu teploty –200 až +750 °C (při nelinearizovém a linearizovaném výstupním proudu)
Obr. 5. Chyba převodníku XTR103 s měřicím odporem Pt100 v rozsahu teploty 200 až 850 °C při linearizaci výstupního proudu
Obr. 6. Integrované polovodičové čidlo teploty využívající teplotní závislost přechodu P-N [4]
Obr. 7. Blokové schéma inteligentního (smart) převodníku teploty (TC – termočlánek, RTD – odporový teploměr, Ω, I, U – rezistor, proud, napětí, KOMP – kompenzace teploty okolí, Uref– referenční napětí, MUX – přepínatelné vstupní obvody, Z – zesilovač, A/D – převodník, MC – mikropočítač, PAM – paměť EEPROM, TL – ovládací a konfigurační prvky, OPT – oddělovací optočlen, D/A převodník, BS – budicí stupeň, DISP – zobrazení, RS – sériové rozhraní (styk s PC), AV – analogový výstup, DV – číslicový výstup)