Измерительное оборудование, модули и платы L-Card
Российская компания ООО “Л Кард” (L-Card) разрабатывает универсальное оборудование L-Card для решения измерительных задач, а также задач системной интеграции каналов измерений, сбора данных и управления для индустриального и научно-исследовательского применения.
Для задач измерения и контроля температуры может применяться установка измерительная LTR с модулями LTR27 и LTR114, либо недорогие универсальные многоканальные АЦП L-Card разными интерфейсами.
Установка измерительная LTR
Установка построена по модульному принципу, позволяющему гибко расширять конфигурацию и выбрать оптимальный для решения конкретной задачи набор модулей. Содержит крейты, имеющие 1, 2 , 8 и 16 посадочных мест (на рисунке 1 показан 8-местный крейт). Любой модуль LTR гальванически изолирован от корпуса крейта и компьютера. Крейты имеют два входа и два выхода внешней синхронизации. Для обработки данных используется сигнальный процессор Blackfin, доступный для программирования пользователю.
Для связи с компьютером установка имеет интерфейсы USB 2.0 (режим high-speed) и Fast Ethernet (протокол TCP/IP, 100 Мбит). В комплект поставки входит программное обеспечение LGraph2.
Установка выпускается серийно и внесена в Госреестр средств измерений.
Применение модуля LTR27 для измерения температуры
Модуль LTR27 предназначен для измерения медленно меняющихся сигналов, к которым, в большинстве случаев, относятся сигналы от датчиков температуры. Модуль LTR27 позволяет получить до 16-ти каналов измерения с классом точности 0,05 и поканальной гальваноразвязкой. Модуль LTR27 является носителем до 8-ми субмодулей семейства H-27x, которыми может быть укомплектована установка в соответствии с задачей измерения.
Модуль LTR27 в комплекте с 8-ю субмодулями H-27x.
Для измерения температуры термопарами применяют 2-канальный субмодуль H‑27T с диапазоном измерения -25…+75 мВ.
Для измерения температуры термосопротивлениями применяют 1-канальные субмодули H-27R100 или H-27R250 с диапазоном измерения 0…100 Ом и 0…250 Oм соответственно.
Пример системы измерения на основе LTR27 с термопарами и термосопротивлением для измерения температуры холодного спая приведён на рисунке.
Система измерения с 14-ю термопарами (TP1-TP14) и термосопротивлением (TC) для измерения температуры холодного спая.
Точки соединения термопар и сигнального кабеля являются холодными спаями термопар, температуру которых измеряет терморезистор. Все эти точки вместе с терморезистором должны находиться в одинаковых температурных условиях.
Двухпроводная схема подключения термопар и четырёхпроводная схема подключения терморезисторов хорошо совместима с пассивными искробарьерами для решения задачи искрозащиты в зоне расположения датчиков. Поканальная гальваноразвязка входов измерительных каналов позволяет применять заземлённые датчики, а также датчики, контактирующие с электропроводной средой.
Для измерения температуры с применением активных искробарьеров и электронных датчиков с унифицированными выходами тока и напряжения могут быть применены 2-канальные субмодули Н-27I-20, Н-27U-10, Н-27U-20 с диапазоном измерения 0…20 мА, -10…+10 В, , 0…+20 В соответственно. Субмодули семейства H-27x могут быть установлены в модуль-носитель H-27 в любом сочетании.
Применение модуля LTR114 для измерения температуры
Модуль LTR114 предназначен для прецизионной оцифровки сигналов с максимальной суммарной частотой преобразования АЦП до 4 кГц в широком диапазоне напряжений: от милливольтовых сигналов до 10-вольтовых, а также для измерения сопротивлений одиночных тензо- и терморезисторов (термометров сопротивления) и потенциометрических датчиков. В частности, LTR114 будет интересен для низкотемпературных терморезисторных измерений, поскольку при используемой в LTR114 коммутации тока питания датчиков мощность рассеяния на одном терморезисторе будет меньше в N раз, где N - число коммутируемых каналов.
LTR114 адаптирован для работы не только с близко расположенными, но и с удаленными на десятки метров источниками сигналов.
LTR114 поддерживает до 8 каналов измерения сопротивления терморезисторов, подключенных по 4-проводной схеме, на поддиапазонах измерения 0…..400 Ом, 0…..1200 Ом, 0…..4000 Ом, или поддерживает до 16-ти каналов измерения напряжения на поддиапазонах измерения ±10 В, ±2 В, ±0,4 В. Возможен смешанный режим измерения сопротивления терморезисторов и напряжения (например, с унифицированных выходов напряжения активных искробарьеров и преобразователей температуры).
Применённый в LTR114 24-битный АЦП обеспечивает широкий динамический диапазон измерения. Если LTR114 используется на частоте преобразования 5 Гц, то этот режим обеспечивает высокоэффективную режекцию помех с промышленной частотой 50 Гц и кратными ей частотами гармоник. При частоте преобразования 5 Гц измерения напряжения LTR114 соответствуют классу точности 0,01, а измерения сопротивления – классу точности 0,025.
LTR114 имеет также отдельный измерительный канал для 2-х проводного датчика температуры типа DS18S20.
Возможности недорогих АЦП общего применения для измерения температуры
Поддерживаемые программным обеспечением LGraph2, несколько семейств универсальных многоканальных АЦП L-Card разными интерфейсами (АЦП c USB, Ethernet : E14‑140‑M, E14‑440, E‑502; АЦП с PCI/PCIe: L‑780M, L‑791, L‑502) c входами измерения напряжения могут быть применены для задач измерения температуры в разных вариантах:
Вариант 1 – совместно с активными искробарьерами или преобразователями с унифицированными выходами по напряжению. Данный вариант применения интересен, в частности, с внесёнными в Госреестр СИ модулями АЦП E14-140-M, E14-440 измерения напряжения по классу точности 0,05.
Модуль АЦП E14-140-М или его модификация E14-140-М-D c дополнительными выходами ЦАП.
Вариант 2 – совместно с активными искробарьерами или преобразователями с выходами по току 4…20 мА при условии применения прецизионного резистора-шунта (например, 100 Ом) для преобразования “ток-напряжение” на входе каждого канала АЦП.
Вариант 3 – измерения терморезисторов с применением прецизионного резистора-шунта (типично, 100 Ом) совместно с АЦП, имеющем выход ЦАП для питания терморезисторов. Например, несколько (N) термометров сопротивления (RTD) можно подключить к E14‑140‑M‑D по 4-х проводной схеме с использованием дополнительного прецизионного резистора-шунта для измерения тока (отдельным каналом АЦП) и выхода ЦАП для питания цепи датчика оптимальным током, как показано на рисунке.
Подключение RTD-датчиков к E14-140-M-D c применением токоизмерительных шунтов.
Для примера: текущее значение сопротивления датчика RTD1 должно вычисляться по формуле: RRTD1=(U2/U1)R1, где U1 и U2 — это измеренные напряжения каналами 1 и 2 АЦП соответственно. Здесь первый канал АЦП измеряет падение напряжения на шунте, а второй — на RTD-датчике. Аналогично может быть задействован и второй канал ЦАП в E14-140-М-D.
Вариант 4 – аналогичен варианту 3, но более экономичный, поскольку применены зависимые схемы включения нескольких RTD-датчиков в общую цепь токового питания. Это (N+3)- или (2N+2)-проводные схемы, показанные на рисунке 7, в которых достигается соответствующая экономия проводов (по сравнению с 4-проводной схемой).
Экономичные групповые подключения RTD-датчиков к E14-140-M-D с общей токовой цепью питания датчиков и одним токоизмерительным шунтом.
Заметим, что (N+3)-проводное подключение пригодно только для случая рядом расположенных датчиков. (2N+2)-проводное подключение реализует дифференциальный способ подключения входа АЦП, что значительно улучшает соотношение сигнал-шум при измерениях.
Очевидно, что рассмотренные выше экономичные случаи требуют соответствующей обработки данных, а также калибровки (тарировки) измерительных каналов, использующих токовые шунты. Для своих изделий L-Card поставляет драйвера, библиотечные функции и примеры программирования, которые успешно применяют системные интеграторы в своём ПО.
Данная статья будет пополняться по мере появления новых примеров применения оборудования L-Card для задач измерения температуры.