1. No category

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?