Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
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 a 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)