Недавно я опубликовал простую конструкцию [1] схемы передатчика токовой петли 4-20 мА для платинового резистивного датчика температуры (PRTD), показанную на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Передатчик токовой петли 4-20 мА для платинового датчика температуры, возбуждаемого постоянным током, основанный на программной математической коррекции нелинейности 2-го порядка. |
Однако простота схемы на Рисунке 1 достигнута ценой компромисса, который заключается в необходимости программной коррекции нелинейности PRTD:
где
T°C – температура в °C;
u и w – константы;
x = RPRTD(0°C) – RPRTD(0°T).
(Здесь RPRTD – сопротивление PRTD).
К сожалению, реализация такой квадратичной арифметики с плавающей запятой в небольшой системе может оказаться слишком затратной с точки зрения сложности кода, требований к программной памяти и времени обработки.
Но, к счастью, существует интересное, продуманное, сравнительно точное, простое в программировании и при этом (достаточно) простое альтернативное (аналоговое) решение. Оно подробно описано в статье «Формирование сигнала для платиновых датчиков температуры» [2], написанной (кем же еще?) знаменитым разработчиком Джимом Уильямсом.
Рисунок 2, бесстыдно скопированный из статьи Уильямса, демонстрирует его аналоговое решение проблемы нелинейности PRTD.
 |
|
| Рисунок 2. | Мост с платиновым RTD, в котором обратная связь от усилителя A3 к мосту линеаризует схему. |
Уильямс объясняет:
Нелинейность может привести к нескольким градусам погрешности в рабочем диапазоне температур схемы от 0 °C до 400 °C. Выходной сигнал моста поступает на инструментальный усилитель A3, который обеспечивает дифференциальное усиление и одновременную коррекцию нелинейности. Коррекция осуществляется путем подачи части выходного сигнала усилителя A3 обратно на вход усилителя A1 через делитель 10 кОм – 250 кОм. Это приводит к небольшому смещению тока, подаваемого в Rp, относительно его рабочей точки, компенсируя нелинейность датчика до уровня ±0.05 °C.
На Рисунке 3 показана основная идея Уильямса, воплощенная в концепции передатчика токовой петли на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 3. | Передатчик PRTD на базе классической микросхемы LM10, объединяющей операционный усилитель и прецизионный источник опорного напряжения 200 мВ. |
Резистор R5 обеспечивает положительную обратную связь, линеаризирующую PRTD, для возбуждения датчика в диапазоне температур от –130 °C до +380 °C.
Здесь сигнал коррекции линейности через резистор R5 поступает на внутренний источник опорного напряжения микросхемы LM10, где он инвертируется и становится сигналом положительной обратной связи. Получающееся в результате «небольшое смещение рабочей точки» (около 4% во всем диапазоне температур) повторяет основную идею Уильямса по достижению линейности измерений, показанной на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Положительная обратная связь снижает ошибку линейности до значения менее ±0.05 °C в диапазоне температур от –127 °C до +380 °C. Ось X – ток IO (мА), левая ось Y – температура PRTD, правая ось Y – ошибка линейности. T°C = 31.7(IO – 8 мА). |
Конечно, для согласованного достижения такой точности и линейности уровня ppm, вероятно, потребуется итерационный процесс калибровки, подробно описанный Уильямсом. На Рисунке 5 показана модификация схемы на Рисунке 3, в которую добавлены три дополнительных потенциометра для возможности настройки после сборки с использованием его процедуры.
 |
|
| Рисунок 5. | Линеаризованный датчик температуры, модифицированный для настройки после сборки с использованием процедуры Уильямса. |
Замена PRTD на прецизионные резисторы заданного номинала в выбранных точках калибровки крайне важна для возможности реализации циклического процесса настройки. Использование реальных переменных температур заняло бы невероятно много времени! К сожалению, сверхточные декадные магазины, подобные описанному Уильямсом, также являются крайне редким товаром. Итак, на Рисунке 5 представлены три подходящих стандартных номинала резисторов, а также соответствующие имитируемые температуры и токи петли 4–20 мА. Вот они:
51.7 Ом → –121 °C → 4.183 мА,
100 Ом → 0 °C → 8.000 мА,
237 Ом → 371 °C → 19.70 мА.
Удачной настройки!
О да, чтобы избежать перегрева транзистора Q1, в идеале он должен быть в корпусе TO-220 или аналогичном, если напряжение VLOOP больше 15 В.
Ссылки
- Stephen Woodward. Простой, но точный двухпроводный передатчик токовой петли 4-20 мА для платинового датчика температуры
- Jim Williams. Формирование сигнала для платиновых датчиков температуры
