Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №2

Популярные контактные технологии термометрии

Пушкарев Михаил


Интегральные микросхемы — датчики температуры предназначены для измерения температур в диапазоне –55…+150 °С. В большинстве микросхем используется зависимость от температуры разности напряжений база-эмиттер двух транзисторов, работающих при разных плотностях тока коллектора. В некоторых микросхемах в качестве чувствительного элемента используется внутренний термочувствительный резистор или внешний транзистор. Микросхемы применяются для измерения температуры, для компенсации температуры свободного конца термопары, в схемах контроля выхода температуры за установленные пределы и ее регулирования.

Все типы микросхем в суженном относительно максимально допустимом диапазоне температур имеют более низкую погрешность по сравнению с приведенной в таблицах. Для некоторых из них известны значения коэффициентов аппроксимирующего полинома. Часть типов микросхем по справочным данным имеет заметно большие значения погрешности в области отрицательных температур, часто при этом в документации указывается, что погрешность гарантируется конструкцией. Можно предположить, что микросхемы не проходят сложного и дорогостоящего 100%-ного тестирования при пониженной температуре и действительные их характеристики лучше. Безусловно, изготовитель при назначении величины погрешности закладывает некоторый запас, и подавляющее число микросхем имеет точностные характеристики много лучше предельно допустимых значений. Для точных измерений предпочтительно использовать микросхемы с нормированной долговременной стабильностью.

В таблице 4 приведены характеристики датчиков температуры с потенциальным выходным сигналом. Микросхемы различаются диапазоном измеряемых температур, номинальным значением выходного сигнала, чувствительностью, в том числе и направлением изменения выходного сигнала с изменением температуры, точностными характеристиками. Большая часть микросхем — трехвыводные, некоторые из них имеют выходы сигнализации с устанавливаемыми пользователем порогами срабатывания, встроенный источник опорного напряжения, изменяемую пользователем чувствительность, возможность отключения для экономии энергии. Отличительной особенностью микросхем семейства LM135-LM335 является включение, подобное включению стабилитрона, и наличие вывода подстройки. Максимальное значение погрешности в рабочем диапазоне температур составляет от 0,8 °С для DS600 до 5,8 °С для MAX6605. Применением схем, обеспечивающих коррекцию «нуля» и «диапазона», погрешность измерения можно уменьшить практически до погрешности нелинейности микросхемы — первичного преобразователя, для большинства микросхем не более 0,5 °С. Микросхемы TMP35, LM35, LM45, имеющие выходной сигнал 250 мВ при 0 °С и чувствительность 10 мВ/°С, позволяют получить цифровой термометр со шкалой в градусах Цельсия простым объединением с модулем цифрового вольтметра. В таких микросхемах, как AD22100 и A22103 (Analog Devices), выходной сигнал изменяется пропорционально изменению напряжения питания, что удобно при использовании их в компактных измерительных системах. Оцифровка сигналов датчиков различных физических величин (температура, давление) с пропорциональным выходом многоканальными АЦП с общим источником питания для АЦП и датчиков с использованием этого же источника питания в качестве источника опорного напряжения АЦП позволяет упростить схемы датчиков и, в конечном итоге, удешевить измерительную систему. Вариант схемы с применением AD22100, в которой результат измерения не зависит от напряжения питания, показан на рис. 11. Реализация простого однокаскадного сигма-дельта АЦП на компараторе, ключе и конденсаторе позволяет получить разрешение около 14 разрядов при достаточно простой схемотехнике. Коррекция смещения нуля и коэффициента передачи реализуются программно.

Схема датчика температуры с пропорциональным выходным сигналом
Рис. 11. Схема датчика температуры с пропорциональным выходным сигналом
Таблица 4. Полупроводниковые датчики температуры с потенциальным выходным сигналом

Микросхемы — датчики температуры с выходным сигналом в виде постоянного тока, характеристики которых приведены в таблице 5, в основном представляют собой двухполюсники с номинальным значением тока 298,2 мкА при 25 °С (298,2 K) и чувствительностью 1 мкА/°C. Схемы включения таких датчиков очень просты, они удобны для измерения температуры удаленных объектов, поскольку требуют для подключения только два провода, сопротивление которых практически не вносит погрешности в измерения. Хотя все микросхемы имеют широкий диапазон питающих напряжений 4–30 В, следует учитывать, что метрологические характеристики нормируются изготовителем при конкретном значении напряжения питания и изменяются с его изменением. При больших значениях напряжения питания его изменение оказывает меньшее влияние на точность измерений, а поскольку в схему обычно включен последовательно токосъемный резистор, и напряжение на датчике неизбежно изменяется с изменением температуры, желательно использовать повышенное напряжение источника питания. Схема, обеспечивающая подстройку «нуля» и «диапазона», изображена на рис. 12. Погрешность измерения в такой схеме после калибровки сводится практически только к погрешности нелинейности первичного преобразователя и практически может быть менее ±0,5 °С в рабочем диапазоне температур первичного преобразователя. Для измерения температуры предназначены микросхемы LM234-3, LM234-6 из семейства регулируемых источников тока LM134-LM334. Номинальное значение выходного тока и чувствительность устанавливаются пользователем с помощью одного резистора.

Схема с датчиком температуры AD590
Рис. 12. Схема с датчиком температуры AD590
Таблица 5. Полупроводниковые датчики температуры с токовым выходным сигналом

Для сигнализации перехода температуры через установленный порог или ее выхода за установленные пределы предназначены микросхемы — температурные компараторы (см. таблицу 6). Зачастую эти микросхемы трудно отделить от датчиков температуры с потенциальным выходным сигналом, поскольку многие из них наряду с релейными выходами имеют и выход, напряжение на котором изменяется пропорционально температуре. Для одних семейств микросхем, например, MAX6501-MAX6504, пороги срабатывания внутри контролируемого температурного диапазона устанавливаются изготовителем с дискретностью 5, 10 °С, для других пороги срабатывания устанавливаются пользователем с помощью внешних резисторов, как для TMP12. Микросхемы с внешними установками имеют вывод достаточно качественного источника опорного напряжения. Гистерезис в микросхемах с заранее запрограммированными порогами срабатывания тоже жестко задан, некоторые типы микросхем имеют два, три значения гистерезиса, переключаемые коммутацией выводов. Следует учитывать, что программируемые производителем пороги срабатывания устанавливаются по расчетным соотношениям, и погрешность установки зачастую близка к дискретности ряда его задания, что вполне приемлемо для задачи охлаждения какого-либо оборудования включением вентилятора, и совершенно недопустимо для более-менее приличного регулятора температуры. Большая часть микросхем изначально предназначена для применения в компьютерном оборудовании, часто имеется достаточно мощный выход для непосредственного подключения вентилятора. Такие микросхемы, как MAX6511–MAX6513, для контроля температуры используют внешний транзистор, в частности, встроенный транзистор — датчик температуры центральных процессоров персональных компьютеров. Некоторые производители определяют такие микросхемы как термостаты, поскольку с использованием большинства из них можно построить простейший релейный регулятор температуры.

Таблица 6. Температурные компараторы

Некоторыми преимуществами в сравнении с аналоговыми датчиками обладают датчики с цифровым выходом, представленные в таблице 7 (Полную версию таблицы можно найти на www.finestreet.ru/_pub/Table_7.xls). Цифровой сигнал можно передать на большее расстояние, он меньше подвержен влиянию помех, легко реализовать гальваническую развязку выходного сигнала. Имеются три вида таких датчиков: с преобразованием температура-частота, с ШИМ-выходом и с последовательным цифровым интерфейсом. Последние в большой номенклатуре датчиков температуры с цифровым выходным сигналом занимают преимущественное положение. Удобство сопряжения таких датчиков с вычислительными системами предопределило и тот факт, что большинство датчиков предназначено для контроля температуры именно в компьютерном оборудовании, как узлов в целом, так и отдельных микросхем с большим тепловыделением, таких, как центральные процессоры и графические постпроцессоры. В таком случае предусмотрено подключение внешнего транзистора — датчика температуры, встроенного в микросхему, температура которой контролируется. Многие микросхемы имеют возможность адресации переключением внешних выводов, или задаваемой программно, что позволяет подключение нескольких устройств к одной шине данных.

Таблица 7. Полупроводниковые датчики температуры с цифровым выходным сигналом

Датчики с преобразованием температуры в частоту представлены только MAX6575, MAX6576, MAX6577. В первых двух пропорционально температуре изменяется период следования выходных импульсов, в последнем — их частота. Связь с микроконтроллером организуется по однопроводной линии. Датчиков с ШИМ-модуляцией также немного, к примеру, TMP05, удобный для использования в качестве удаленного датчика, или MAX6643–MAX6645, предназначенные для непосредственного управления скоростью вентилятора. Основная номенклатура микросхем имеет тот или иной цифровой последовательный интерфейс, который служит как для передачи данных о температуре, так и для приема управляющих сигналов.

Достижения в технологии позволяют встроить в датчик АЦП большой разрядности, что предопределяет высокую разрешающую способность датчика по температуре. К сожалению, прямой связи между разрядностью АЦП и погрешностью измерений нет, и большинство типов микросхем имеет значительную погрешность при максимальном диапазоне контролируемых температур. К тому же даже известные изготовители прецизионных микросхем для измерительной техники не дают никаких сведений о долговременной стабильности датчиков с цифровым выходом.

Встроенные датчики температуры различных конструктивно-технологических исполнений имеются и в таких микросхемах, как АЦП AD7417, AD7418, AD7817, AD7818 (Analog Devices), MAX1098, MAX1099, MAX1298, MAX1299 (Maxim), микроконверторы семейства ADuC8XX (Analog Devices), нормирующие преобразователи мостовых чувствительных элементов MAX1452, MAX1455, MAX1460, MAX1463, MAX1464, MAX1478 (Maxim), PGA309 (Texas Instruments), MLX90308 (Melexis). Особенностью АЦП фирмы Maxim является наличие источников тока для питания внешних датчиков температуры. Максимальный диапазон измеряемых температур достигает –40…+140 °С для MLX90308. Точность измерения температуры обычно не больше ±2 °С, кроме того, при значительной рассеиваемой мощности может быть заметным влияние саморазогрева кристалла микросхемы. Эти обстоятельства не позволяют измерить температуру с высокой точностью, и основное назначение встроенных датчиков температуры в большинстве этих микросхем — это обеспечение коррекции температурного дрейфа, как собственных АЦП, так и внешних устройств.

Для создания точного, с хорошей воспроизводимостью, термометра может использоваться кварцевый генератор с резонатором на специфическом срезе, у которого, в отличие от опорного кварца, частота резонанса заметно изменяется с температурой. Такие резонаторы отличаются очень высокой долговременной стабильностью, при индивидуальной калибровке датчика можно получить абсолютную погрешность до 0,04 °С в интервале температур –50…+150 °C. Термочувствительные кварцевые резонаторы РКТ206 (–50…+100 °C) и РКТВ206 (–50…+370 °C) выпускает СКТБ «Элпа». Миниатюрные размеры резонатора обеспечивают малую величину постоянной времени тепловой инерции — 5 с при погружении в жидкость. Температурно-чувствительная характеристика резонатора описывается полиномом второго или третьего порядка с погрешностью аппроксимации в сотые доли градуса, номинальная частота при 37 °С в пределах 32–36 кГц, температурная чувствительность 1,9 (2) Гц/°С, долговременная стабильность не хуже 5 ppm/год. Схема возбуждения резонатора аналогична схемам, применяемым в генераторах опорной частоты.

Некоторые производители компонентов для термометрии перечислены в таблице 8, где даны и их электронные адреса, по возможности конкретные страницы.

Таблица 8. Фирмы — производители компонентов для измерения температуры

Современная промышленность дает конструктору богатейший выбор компонентов для целей термометрии, особенно в диапазоне умеренных температур, как непосредственно первичных преобразователей, так и средств для построения схем нормализации их выходного сигнала. Всесторонняя оценка их преимуществ и недостатков в конкретном применении, грамотное использование с учетом предполагаемых воздействующих факторов, проработка технологии калибровки измерительного устройства позволяет создать измеритель температуры практически на любой случай.

Литература

  1. Температурные измерения. Справочник / О. А. Геращенко, А. Н. Гордов и др. — Киев: Наукова думка, 1989.
  2. Temperature Measurement. Second Edition. L. Michalski, K. Eckersdorf, J. Kucharski, J. McGhee. — John Wiley&Sons, Ltd.
  3. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства средств измерений. Метрология. Основные термины и определения.
  4. Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning. Analog Devices.
  5. ГОСТ 6651-94. Термопреобразователи сопротивления. Общие технические условия.
  6. ГОСТ Р 50342-92. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия.
  7. ГОСТ Р 8.585-2001. ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики.
  8. О’Нил П., Деррингтон К. Транзисторы в качестве датчиков температуры. Электроника. 1979. № 21. С. 52.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке