Sistemi elettronici analogici di controllo e misura , (Parte I)

In campo fisico chimico si va sempre più diffondendo l’uso dei data logger  (registratori di dati) utilissimi per  registrare un evento fisico o chimico tramite un normale PC.

Esistono data logger dedicati in grado di registrare per tempi più o meno lunghi varie grandezze fisico - chimiche : temperature, pressioni, pH, unita  di misura elettriche,  ecc. Questi registratori sono tutti ottimi per l’uso a cui sono dedicati, hanno solo un difetto, costi relativamente elevati adatti solo ad un uso professionale.

Esistono inoltre data logger ad alta velocità (in pratica sono oscilloscopi USB) usati  in campo elettronico.

Ci sono poi data logger per uso generale, e sono questi che rientrano nei miei interessi, che hanno dei costi molto più contenuti, ed alla portata del’uso amatoriale (se ne trovano a partire da 60 Euro). Il problema di questi  registratori  è che accettano solo ingressi  in tensione, quindi per  misurare una temperatura  una pressione una corrente elettrica una potenza, l'energia assorbita  bisogna porre a monte del data logger  un’elettronica  analogica che converta queste grandezze fisiche in una tensione elettrica.

Di seguito  descriverò alcune di queste elettroniche da me realizzate ed impiegate con successo.

I principali parametri che distinguono un data logger sono:

-  Numero di canali disponibili (in genere sono quasi tutti multicanale).         

-  Velocità il numero di letture/sec. (da un minimo di 100/sec  a 100K/sec)                                                    

-  Risoluzione:  8 bit (256 livelli), 12 bit(4096 livelli) 16bit (65536livelli) 24 bit (16777216 livelli).                   

-  I data logger  meno  costosi in genere accettano solo tensioni positive all’ingresso.

Nello schema sotto riportato,  due circuiti per il rilievo di tensione d’alimentazione  e  corrente assorbita, da notare che tutta l’elettronica deve essere sistemata in un contenitore metallico collegato a massa per evitare interferenze da  parte della frequenza di rete ed altro.

Il circuito per il rilievo della tensione è un semplice partitore resistivo, importante che le 2 resistenze siano  del tipo a strato metallico con precisione 1% o meglio 0,5% ; l’induttanza L e la cap. C costituiscono un filtro  passa basso  per tagliare eventuali frequenze indesiderate all’ ingresso il rapporto del partitorte è 10:1 (40V all’ingesso vengono ridotti a 4 V  in uscita.

Il circuito per il rilievo della corrente si avvale di uno shunt da 0,1 ohm e di 2 circuiti operazionali contenuti in un TL082.

Lo shunt deve essere di costantana o meglio manganina  leghe che presentano la minima variazione di resistenza al variare della temperatura. 

In assenza di queste si potrebbe anche usare filo di rame da avvolgimenti, ma deve essere di un certo spessore D da1  a  2 mm,  (per limitare il suo riscaldamento) in questo caso il filo diventa parecchio lungo e và avvolto su un tubo di plastica con tecnica bifilare per  azzerare la sua induttanza, in ogni caso se il filo si riscalda si avrà un errore di misura.

 Per il buon funzionamento di questo circuito è indispensabile usare  per P3 e P4 trimmer a filo o strato metallico  multigiro.

Anche in questo circuito viene usato un filtro RC passa basso  in ingresso  ed uno in uscita per garantire al data logger un segnale pulito. (Il sistema viene usato in presenza di campi elettromagnetici).

Il guadagno in tensione del primo stadio G= 1+ R2/R1, con i valori dello schema = 7,66, quello del secondo stadio invertente  G= - P4/R3

Taratura:  Con I passante nello shunt = 0 A, tarare l’Off-set con P3 sino ad ottenere 0,00V  al punto B;  far passare attraverso  lo shunt una corrente nota,  es.  5 A  e tarare il trimmer  P4 sino ad ottenere al punto C esattamente 5,00V.

Al CH 1 del data logger  viene inviata la tensione che va moltiplicata per 10

Al CH 2  viene inviata la tensione che numericamente corrisponde alla I (A) assorbita dal carico.

Esempio di una realizzazione con circuito stampato mille fori. Questo  stampato contiene anche un circuito per il rilievo di temperature tramite termocoppia

Fine prima parte,  alla prossima altri  2 schemi  per il rilievo di temperature tramite termocoppia K o J con uscita per data logger 

Cosa ci fa il TL084 nella foto del circuito?

saluti

Mario

Mario ha scritto:

Cosa ci fa il TL084 nella foto del circuito?

saluti

Mario

Fa parte del circuito per il rilievo di temperature tramite termocoppia,  quello che posterò fra qualche giorno.

Saluti Claudio

Ahahahahahha troppo divertente.

Io di queste cose ci capisco meno di un pF...

Mi sento nudo a leggervi...

Sistemi  elettronici  analogici di controllo e misura , (Parte II)

Qui  descriverò la realizzazione di un paio di misuratori di temperatura con termocoppia adatti all’uso con data logger. Le misure di temperature tramite termocoppie  sfruttano l’effetto Seebeck tra due diversi metalli  o leghe.

Nella misura è necessario una giunzione calda a contatto con il corpo di cui si vuole misurare la temperatura ed una giunzione fredda tenuta  alla temperatura di 0ºC (ghiaccio fondente) come riferimento. Visto che è praticamente  piuttosto scomodo  usare un sistema del genere,  la giunzione fredda viene simulata elettronicamente.

Per la realizzazione di questo progetto è indispensabile essere in possesso di un termometro  elettronico a termocoppia  per la taratura, un  oscilloscopio potrebbe essere utile ma non indispensabile  ( questo per rilevare eventuali auto oscillazione che possono insorgere se il sistema non è ben schermato) Per quanto riguarda la teoria sulle termocoppie rimando a:

- termocoppie e termoresistenze  http://dienca.ing.unibo.it/Salvigni/allegati/Magnini_termocoppie.pdf

- introduzione e teoria sulle termocoppie  http://www.omega.com/temperature/z/pdf/z021-032.pdfhttp://www.omega.com/temperature/z/pdf/z021-032.pdf

Il primo schema che propongo  è alloggiato nello stesso circuito stampato  dei 2 circuiti precedentemente descritti

E’ cosituito da un TL081 ed un TL 084, la termocoppia da me usata e del tipo K (Chromel – Alumel) che teoricamente permette misure nel range - 200 + 1250 ºC,  abbastanza lineare nel tratto 0 - 1000 ºC .

Per un corretto funzionamento i trimmer  P1 e P3 devono essere a filo o strato metallico multigiri. I fili della termocoppia vanno opportunamente schermati, non è consigliabile usare  il connettore DB25 per fare  entrare i fili della termocoppia in quanto bisogna creare un giunto isotermo,  una morsettiera come nello schema dove i punti di contatto fra i fili si trovano alla stessa temperatura  (temperatura ambiente).      

IC1, IC2, IC3 costituiscono un amplificatore differenziale con configurazione adatta per strumenti di misura  con i 2 ingressi ad elevatissima impedenza,  per i particolari vedere  http://uwf.edu/bshaer/eel3304/Labs/lab2/Lab2.pdfhttp://uwf.edu/bshaer/eel3304/Labs/lab2/Lab2.pdf

La resistenza R  e la capacità C  all’ingresso di IC1 e IC2 costituiscono un filtro passa basso per l’eliminazione di qualsiasi frequenza parassita  in ingresso,  se non necessari  possono anche essere eliminati, (questo tipo di filtrazione del segnale mi ha permesso di rilevare la temperatura di un crogiolo inserito in un forno ad induzione,  dove uno strumento commerciale a termocoppia aveva fallito ).

Le resistenze R4, R5, R6 ,R7.  sarebbe utile fossero almeno al 2% di precisione, in alternativa .

misurarle con tester ed annotarne il valore esatto.

Per la taratura di questo circuito è necessario conoscere il  guadagno G del blocco: IC1, IC2, IC3.

G=[1+2(R5/R4)](R7/R6) = 104   (con i valori dello schema)

Bisogna inoltre procurarsi  la tabella di riferimento per termocoppia tipo K che trovate qui:

http://www.omega.com/temperature/z/pdf/z204-206.pdfhttp://www.omega.com/temperature/z/pdf/z204-206.pdf     

Ora  supponiamo che il circuito e la sonda si trovino alla temperatura ambiente di 22 º C, sulla tabella sopraindicata ricaviamo il valore in mV,  che a 22 ºC  corrisponde a 0,879 mV  moltiplichiamo questo valore per il guadagno sopraindicato G: 

0,879x104 = 91,41 mV                                                                                                                  

 Agiamo su P1 sino ad avere al punto D esattamente 91,41mV ora abbiamo in questo modo introdotto nel sistema di misura lo stesso effetto di una giunzione a 0 C.                                                                             

Poniamo ora la giunzione della termocoppia  a contatto con un corpo a temperatura nota  es.  100º C controllato  con un term. elettronico  e regoliamo P2 sino ad ottenere  al punto E !,00 V . in questo modo il termometro è tarato, basta moltiplicare per 100  il valore in V rilevato all’uscita E per ottenere la temp. in ºC (Es 4,00 V in uscita E  = 400 ºC).

Una volta tarato, il circuito misura anche temp. negative (sotto zero), il difetto di questo circuito  consiste nel fatto che  in caso di variazione della temperatura ambiente si introduce un errore che per valori di temperatura  elevati (300 ºC ed oltre) è trascurabile, ma per valori bassi nò ed andrebbe ritarato P1 considerando la nuova temperatura ambiente. Per tutto il resto il circuito funziona senza alcun problemi.

Per introdurre la correzione  automaticamente sarebbe  necessario introdurre una tensione di correzione tramite un ponte di Wheatstone ed un termistore come descritto qui a pag. 13 http://nptel.ac.in/courses/108105063/pdf/L-04%28SS%29%28IA&C%29%20%28%28EE%29NPTEL%29.pdfhttp://nptel.ac.in/courses/108105063/pdf/L-04%28SS%29%28IA&C%29%20%28%28EE%29NPTEL%29.pdf

Sotto il circuito completo per il trattamento dei 3 segnali  V,I e ºC.

 

Per un circuito più completo che non necessita di tutte queste tarature e con giunzione di riferimento a = 0ºC che si compensa automaticamente al variare della temperatura ambiente bisogna ricorrere ad un  C. I. dedicato, tipo l’ AD595 che è specifico per la termocoppia tipo K . Di questo tipo esistono 2 versioni : la A con precisione 3%,  e la C con precisione 1%, certo questo non è un componente che si trova nel negozio d’elettronica sotto casa.  Si può però reperire facilmente su ebay  ad un prezzo di 10– 15 € per la versione A,  20-25 € per la versione C

Qui  il data sheet dell' AD595 : http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdfhttp://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdf

che contiene  pure la tabella di taratura.                                                                                                                  Di Di questo componente esiste anche la versione per la termocoppia tipo J (ferro – costantana): l’ AD594.

Sotto  lo schema  adatto per la termocoppia tipo K

Non è  necessaria nessuna taratura, in uscita CH3 abbiamo una tensione che moltipllicata  x 100 dà direttamente  la temp. in ºC  (Es. 6,30V su CH3 = 630ºC).

Anche qui è stato inserito all’ingresso un filtro RC che se non serve si può eliminare.

Lo schema sopra riportato permette di rilevare solo temperature positive, se necessita la lettura di temperature sotto zero bisogna alimentare con +12v e -12V lo schema di alimentazione lo potete trovare qui:  http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdfhttp://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdf

E  qui per  altre calibrazioni: Application notes  http://www.analog.com/en/special-linear-functions/thermocouple-interface/ad594/products/product.htmlhttp://www.analog.com/en/special-linear-functions/thermocouple-interface/ad594/products/product.html

Sotto il circuito completo per il trattamento dei 3 segnali  V,I e ºC. con AD595

Realizzazione del circuito  per il trattamento dei 3 segnali  V,I e ºC. con AD595

Bibliografia:

- Termocoppie e termoresistenze :  http://dienca.ing.unibo.it/Salvigni/allegati/Magnini_termocoppie.pdfhttp://dienca.ing.unibo.it/Salvigni/allegati/Magnini_termocoppie.pdf

- Introduzione e teoria sulle termocoppie:  http://www.omega.com/temperature/z/pdf/z021-032.pdfhttp://www.omega.com/temperature/z/pdf/z021-032.pdf

- Amplificatori per strumenti di misura:  http://uwf.edu/bshaer/eel3304/Labs/lab2/Lab2.pdfhttp://uwf.edu/bshaer/eel3304/Labs/lab2/Lab2.pdf

- Tabelle di riferimento per Termocoppie K:   http://www.omega.com/temperature/z/pdf/z204-206.pdfhttp://www.omega.com/temperature/z/pdf/z204-206.pdf     

- Misure di temperature:  http://nptel.ac.in/courses/108105063/pdf/L-04%28SS%29%28IA&C%29%20%28%28EE%29NPTEL%29.pdfhttp://nptel.ac.in/courses/108105063/pdf/L-04%28SS%29%28IA&C%29%20%28%28EE%29NPTEL%29.pdf

- AD595 Applications notes : http://www.analog.com/en/special-linear-functions/thermocouple-interface/ad594/products/product.htmlhttp://www.analog.com/en/special-linear-functions/thermocouple-interface/ad594/products/product.html