Figur 1 Konstant ström genom givaren R t.

Transkript

1 Automationsteknik Övning givaranpassning () Givaranpassning Givare baseras ofta på att ett materials elektriska egenskaper förändras när en viss fysikalisk storhet förändras. Ett exempel är temperaturmätning där givarens resistans ändras med temperaturen. De flesta givare lämpar sig dock inte för direkt anslutning till t.ex. ett instrument eller en dator utan måste förses med någon form av signalanpassning. Ofta får man mycket små variationer från givaren och signalen måste därför förstärkas för att vara användbar. Ett annat problem som ofta måste beaktas är offset i signalen. Det finns ett antal olika varianter av temperaturgivare, en av dessa är Pt00 givaren. Den har fått sitt namn av att dess resistans är 00 Ω vid 0 C. Resistansen ökar med 0. Ω/ C vid ökande temperatur. I denna uppgift studeras hur signalanpassningen av en sådan givare kan utföras. Problem En Pt00 givare ska användas för temperaturmätning i intervallet 0-00 C. För detta ändamål ska en signalanpassningskrets konstrueras. Utsignalen ska vara en spänning som är proportionell mot temperaturen och varierar mellan 0 och 0 V. Konstruktionsförslag Det vanligaste sättet att mäta resistans är att generera en konstant ström genom den okända resistansen och sedan mäta spänningen över resistansen. En fördel med konstant ström genom givarkretsen är att kretsen blir kortslutningssäker. Figur Konstant ström genom givaren R t. En konstant ström kan enkelt genereras med hjälp av en OP-förstärkare. En ideal OPförstärkare med negativ återkoppling strävar alltid efter att lägga ut en utsignal som gör att spänningsdifferensen på ingångarna är noll. Detta innebär att spänningen över motståndet R i Figur kommer att vara lika med U ref. Strömmen genom R bestäms av resistansen och spänningen U ref. Eftersom ingen ström går in i en ideal OP går strömmen genom R även genom givaren R t. I t U = R ref = konstant För att få en stabil ström krävs en stabil referensspänning U ref. Denna kan skapas med en zenerdiod eller ännu bättre en spänningsreferenskrets. Varianten med zenerdiod visas i Figur. Spänningen från zenerdioden bör helst buffras med en spänningsföljare för att inte belasta zenerdioden.

2 Automationsteknik Övning givaranpassning () Figur Zenerdiod för referensspänning. Strömmen genom givaren får inte vara så hög att effektutvecklingen i givaren kan påverkar mätningen. För att undvika detta väljs en ström på ma vilket ger en effektutveckling på P = R I t t = 0.00 = 0. mw Med en ström på ma kommer spänningen över givaren att variera mellan 00 och mv. En. V zenerdiod väljes och motståndet R dimensioneras därefter. Spänningen över givaren ska nu mätas. Eftersom denna spänning inte är refererad till jord är det lämpligt att använda en differentialförstärkare. Figur Differentialförstärkare. Den mätta spänningen är låg och måste förstärkas. Dessutom är den 00 mv vid 0 C. Denna offset måste dras bort så att utspänningen blir bli 0 V vid 0 C. Detta kan åstadkommas med en summatorkoppling. Figur Summator för förstärkning och offsetjustering. Denna koppling inverterar insignalen vilket betyder att insignalen måste vara negativ för att få en positiv utsignal. Enklast löses detta genom att ingångarna till differentialförstärkaren vänds så att utsignalen U diff blir negativ. Offsetspänningen måste vara stabil och därför används referensspänningen från zenerdioden även som offsetspänning. Med hjälp av de två förstärkarstegen kan insignalen 00- mv

3 Automationsteknik Övning givaranpassning () förstärkas och offsetjusteras till 0-0 V. När de två förstärkarstegen dimensioneras är det lämpligt att dela upp förstärkningen ungefär lika på de två stegen. Hela givaranpassningskretsen visas i Figur. Figur Den färdiga konstruktionen. Hitintills har inget nämnts om matningsspänningen till OP-förstärkarna. I detta fall måste matningen vara dubbelsidig, förslagsvis ±V. Dubbelsidig matningsspänning kan fås från två seriekopplade nätaggregat men kan även skapas från en enkel spänningskälla med en spänning motsvarande hela spänningsområdet, i detta fall V. Utifrån denna spänning kan en mittpunktsjordning skapas med en spänningsdelare bestående av lika stora motstånd. Nackdelen är dock att matningsspänningen blir osymmetrisk om spänningsdelaren belastas osymmetriskt. Detta problem kan lösas genom att en spänningsföljare kopplas mellan spänningsdelaren och jordpunkten enligt Figur. Det är också nödvändigt att införa sk avkopplingskondensatorer på ca 00 nf mellan matning och jord. Sådana kondensatorer ska alltid placeras intill varje IC krets för att säkerställa en stabil matningsspänning. I annat fall kan det hända att förstärkarna blir instabila. Figur Dubbelsidig matningsspänning.

4 Automationsteknik Övning givaranpassning () Uppgifter. Koppla upp kretsen som skapar dubbelsidig matningsspänning och kontrollera dess funktion.. Koppla upp kretsen som skapar referensspänningen med en. V zenerdiod.. Beräkna resistansen som krävs för att få en ström på ma genom givaren.. Koppla upp kretsen som genererar en konstant ström. Prova att koppla in olika motstånd istället för Pt00 givaren. Lämpliga värden är 00 Ω och 0 Ω. Kontrollera att spänningen över dessa motstånd blir som förväntat.. Välj R =00 kω och beräkna R så att differentialförstärkaren får en förstärkning på 0 gånger.. Koppla upp differentialförstärkaren och verifiera att den fungerar som tänkt. Koppla in differentialförstärkaren och mät spänningen över 00 Ω och 0 Ω motstånd istället för givaren.. Välj R =0 kω och dimensionera de övriga motstånden till summatorn för att få lämplig förstärkning och offset.. Koppla upp summatorn och verifiera att den fungerar som tänkt. Koppla ihop summatorn med resten av kretsen och prova återigen med 00 Ω och 0 Ω motstånd istället för givaren. 9. Koppla in en Pt00 givare och prova att mäta temperatur.

5 TL0, TL0A, TL0B, TL0 TL0A, TL0B, TL0, TL0A, TL0B LOW-NOISE JFET-INPUT OPERATIONAL AMPLIFIERS SLOS00J SEPTEMBER 9 REVISED MARCH 00 OFFSET N TL0, TL0A, TL0B D, P, OR PS PACKAGE OFFSET N TL0, TL0A, TL0B D, JG, P, PS, OR PW PACKAGE TL0 U PACKAGE 0 9 TL0A, TL0B D, J, N, NS, OR PW PACKAGE TL0... D, J, N, NS, PW, OR W PACKAGE 0 9 TL0 TL0 TL0 OFFSET N OFFSET N VCC No internal connection symbols OFFSET N TL0 TL0 (each amplifier) TL0 (each amplifier) + + OFFSET N POST OFFICE BOX 0 DALLAS, TEXAS