Проектирование аналоговых схем может оказаться разочаровывающим занятием, как отметил Ник Корнфорд в своей статье «Самодельный резистивный датчик температуры для цифрового мультиметра» [1]. После двухнедельных усилий я завершил разработку двухпроводного датчика температуры с передатчиком токовой петли 4-20 мА, основанного на платиновом резистивном датчике температуры (RTD), как показано на Рисунке 1.
 | |
| Рисунок 1. | Двухпроводной передатчик с платиновым датчиком RTD R4. Резисторы R1 и R2 будут определять токи через соответствующие ветви; эти токи должны быть установлены равными 0.5 мА. Схема рассчитана на работу в диапазоне температур от 0 °C до 300 °C, причем сопротивление резистора R5 можно изменять для получения других диапазонов. |
В приложениях управления технологическими процессами для подключения датчика температуры в полевых условиях к диспетчерскому оборудованию, такому как распределенная система управления (РСУ), программируемый логический контроллер (PLC) или индикатор, используется двухпроводная топология. Питание 24 В постоянного тока подается из диспетчерской, а потребляемый ток пропорционален температуре. Поскольку питание и сигнал передаются по одной и той же паре проводов, такое решение обеспечивает экономию кабеля.
В схеме на Рисунке 1 R4 – это RTD. Согласно таблице зависимости сопротивления платинового RTD от температуры (DIN EN 60751), сопротивление R4 равно 100 Ом при 0 °C и 212.2 Ом при 300 °C.
Эта схема рассчитана на диапазон от 0 °C до 300 °C, где ток нагрузки составит 4 мА для 0 °C и 20 мА для 300 °C (чтобы получить другие диапазоны, можно изменить сопротивление резистора R5). Ток пропорционален сопротивлению RTD, которое немного нелинейно по отношению к температуре. Заявленная точность этой схемы составляет ±1%, что достаточно для многих приложений.
Чтобы избежать саморазогрева RTD, через него пропускается только 0.5 мА. Резисторы R1 и R2 должны быть подобраны так, чтобы ток в каждой ветви составлял по 0.5 мА. Микросхемы U1 и U4 подключены как источники тока с нулевым температурным коэффициентом. Разность между напряжениями на RTD (R4) и на резисторе R3 усиливается инструментальным усилителем U3.
RTD при 300 °C (или R4 при 212.2 Ом) посылает через резистор R8 ток 160 мкА. Резистор R10 добавляет к этому току 40 мкА. Таким образом, на вход микросхемы передатчика U5 поступает ток 200 мкА.
Затем передатчик U5 усиливает этот ток на 100 до 20 мА и преобразует его в двухпроводной формат. Схема на инверторе U2 вырабатывает отрицательное напряжение –3.3 В для питания усилителя U3. Точные результаты были получены только при двуполярном питании усилителя U3. При 0 °C схема выдает на выходе (НАГРУЗКА) ток 4 мА.