Температурные датчики 

     Такую характеристику внешней среды, как температура приходится  измерять довольно часто. Ход многих производственных процессов, от  выплавки стали до производства полупроводников, зависит от температуры. Некоторые электронные приборы нуждаются в измерении собственной температуры: персональные компьютеры, например, отслеживают  температуру процессоров, контроллеры двигателей должны знать температуру ИС драйверов и т. д. Ну и мы, когда начинаем болеть, то тоже измеряем температуру своего тела... Во всех перечисленных примерах температуру измеряют температурные датчики. 

 

Терморезисторы 

      Терморезистор — это температурный датчик, сопротивление которого зависит от температуры. Термисторами называются терморезисторы с  отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (negative temperature coefficient, NTC), то есть сопротивление таких  терморезисторов растет с падением температуры. Позисторами или кремниевыми  датчиками температуры, по названию технологии их изготовления,  называется другая группа терморезисторов с положительным температурным  коэффициентом сопротивления (positive temperature coefficient, РТС), имеющим прямо пропорциональную зависимость от температуры. Из всех  пассивных температурных датчиков, терморезисторы обладают наибольшей  чувствительностью (изменение сопротивления на градус изменения  температуры). Однако зависимость сопротивления от температуры у  терморезисторов — нелинейная.

     Характеристики терморезисторов зависят от технологии и  используемых материалов. Часто, многие терморезисторы одного семейства имеют сходные зависимости сопротивления от температуры. Сопротивление  терморезисторов может изменяться по всей шкале в 10 или в 100 раз, но  характеристики совпадают. Для описания характеристик производители обычно приводят таблицы, в которых указывают отношение сопротивления на данной температуре к сопротивлению при температуре 25°С. 

Типичные зависимости для термистора — NTC-резистора — приведены в Табл. 3.1 

     Эти данные являются типичными для любых термисторов (NTC-терморезисторов). Сопротивление в таблице определяется по отношению R/R25. Термистор этого семейства с сопротивлением 10кОм при температуре 25°С (R25) имел бы сопротивление 28.1 кОм (10 кОм х 2.81 = 28.1 кОм) при температуре 0°С и сопротивление 4.086 кОм (10 кОм х 0.4086 = 4.086 кОм) при 60°С. Также термистор с сопротивлением R(25)= 5 кОм при температуре 25°С, имел бы сопротивление 14.050 кОм (5 кОм х 2.81 = 14.050 кОм ) при 0°С. На Рис. 3.1 приведен график зависимости термосопротивления от температуры, построенный по данным из Табл. 3.1. Как ранее упоминалось, данная характеристика имеет нелинейный характер экспоненциального вида, что хорошо видно на графике Рис. 3.1. Для указанного типа терморезистора данные предоставлены с шагом 10°С, а некоторые фирмы предоставляют данные с шагом 5°С или даже 1°С.   

Рис. 3.1 График зависимости сопротивления термистора от температуры     

 

     Иногда бывает необходимо узнать сопротивление при температуре между двумя точками таблицы. В этом случае сопротивление можно определить графически или вычислить по формуле: 

где Т— температура в градусах Кельвина, а А, В, С и D — константы,  зависящие от марки терморезистора. Данные константы должны быть  предоставлены производителем. Терморезисторы одного типа могут иметь значительные различия  характеристик. Так, разброс параметров обычно составляет от 1 до 10%.  Некоторые терморезисторы спроектированы легко заменяемыми для  применения в схемах без дополнительной подстройки. В подобных приборах пользователь должен иметь возможность заменить терморезистор без  дополнительной калибровки. Бескалибровочные терморезисторы обычно имеют высокую для терморезисторов точность 0.2°С. 

 

На Рис. 3.2 показано типичное подключение терморезистора к операционному усилителю.  

Рис 3.2. Схема включения термистора 

      

       На резистор R1 подается некоторое напряжение смещения. Величина этого напряжения обычно совпадает с VREF(опорное напряжение) АЦП и в  большинстве случаев составляет 2.5 В. Цепь из резистора и терморезистора  образует делитель напряжения, и изменение сопротивления терморезистора приводит к изменению напряжения в точке соединения. Точность этой  цепи зависит от точности параметров резистора, терморезистора и  напряжения VREF. 

   Поскольку сам терморезистор имеет сопротивление, при прохождении через него тока выделяется тепло. Данный эффект называется  саморазогревом. Разработчик схемы должен выбрать достаточно большой по величине резистор R1 для предотвращения чрезвычайного саморазогрева, иначе система будет измерять температуру при рассеивании мощности на  терморезисторе, вместо температуры объекта, к которому терморезистор  прикреплен. 

    Мощность, которую рассеивает терморезистор, нагреваясь до  определенной температуры, называется константой диссипации (рассеивание мощности), КД (dissipation constant, DC), и обычно измеряется в мВт. 

   КД — это мощность, необходимая для нагрева терморезистора на 1°С выше окружающей температуры. Величина R1, определяющая разрешенный  саморазогрев, зависит от требуемой точности измерения. В системе,  рассчитанной на точность лишь ±5°С, можно допустить больший саморазогрев, чем в системе, где требуется обеспечить ±0.1°С. Формула для вычисления диссипации саморазогрева может быть представлена в следующем виде: 

Р = КД х R,  

 где R — требуемая точность, измеряемая в °С. Например, если константа диссипации терморезистора 2мВт/°С, а температуру необходимо измерить с точностью 0.5°С, то максимально  допустимая диссипация составит:

 

2мВт/°С  x  0.5°С  =  1мВт

 

Поскольку в системе всегда существуют другие погрешности, то,  вероятно, эту величину следовало бы ограничить, например, на половину, то есть до 0.5 мВт. Заметим, что диссипация саморазогрева не должна  превышать данную величину во всем температурном диапазоне. Допустим,  сопротивление терморезистора R(25) составляет 10 кОм, а температуру мы  собираемся измерять в пределах от 0 до 25°С. При 25°С сопротивление  терморезистора 10 кОм. Чтобы ограничить рассеивание мощности на уровне 0.5 мВт, используя VREF = 2.5 В, величина для нагрузочного (pull-up)  резистора (R1 на Рис. 3.2) может быть вычислена следующим образом: 

Диссипация терморезистора = 0.5 мВт при 10 кОм. 

Падение напряжения (Е) при этой диссипации выводится из формулы 

 

 

 

и равно 

 

 

Подставляя численные значения Р и R, К получим: 

 

 

     Ток через терморезистор = 2.23 В/10 кОм = 223 мкА. 

     Падение напряжения на R1 = 2.5 — 2.23 = 0.27 В. 

     Величина R1 (минимум) = 0.27 В/223 мкА = 1210 Ом. 

     Теперь, предположим, нам понадобилось расширить диапазон  измеряемых температур до 0...50°С. Сопротивление терморезистора (см. Табл. 3.1) при 50°С равно 5758 Ом. Аналогичные вычисления для данного случая приведут к величине R1, равной 2725 Ом. Поскольку сопротивление  терморезистора ниже при более высоких температурах, начальная величина 1210 Ом внесла бы слишком большую диссипацию на них. 

 

Масштабирование 

     Иногда необходимо изменить диапазон входного аналогового сигнала для приведения в соответствие с входным диапазоном АЦП, то есть  провести операцию масштабирования. На Рис. 3.3 представлена подобная  ситуация. Сигнал с терморезистора R(th) должен быть подан на аналоговый вход в диапазоне 0..5В 8-битного АЦП (например, АЦП семейства 16С7х фирмы Microchip). Снова рассмотрим терморезистор из предыдущего  примера. Напряжение V1 может быть вычислено по следующей формуле: 

    Величина R1 составляет 10 кОм, см. Рис. 3.3. Используя данное  уравнение и табличную зависимость сопротивления терморезистора от  температуры, можно вычислить V1 в интересующем нас температурном диапазоне. 

       Теперь, допустим, понадобилось измерить температуру в диапазоне  0..40°С с точностью не менее трех бит АЦП на 1°С (или 0.333°С на 1 бит). 

       Если мы преобразуем табличный диапазон до величин АЦП, то  получим следующее: 

            При 10°С цифровое слово = (1.61/5) х 256 = 82. 

            При 40°С цифровое слово = (0.976/5) х 256 = 49. 

            Тогда 82 - 49 = 33 отсчета АЦП, 40°С - 10°С = 30°С (диапазон). 

            Следовательно, 33 отсчета / 30°С =1.1 шаг АЦП на градус. 

      Данная величина меньше желаемого разрешения, следовательно, надо масштабировать выходной сигнал. 

  Масштабирование подразумевает, что интересуемый диапазон температур (0..40°С) должен соответствовать всему диапазону входных напряжений АЦП. В данном примере диапазон 0..40°С соответствует напряжениям от 0.976 до 1.61 В, то есть размах  сигнала равен 1.61 — 0.976 = 0.634 В. Можно установить размах, равным 5 В, умножением данного диапазона на 5/0.634 = 7.88 В. Результат такого  умножения установил бы для диапазона 0..40°С входные напряжения  между 7.67 и 12.67 В. Размах сигнала и в самом деле 5 В, но вне входного  диапазона АЦП (0..5 В). Следовательно, для правильного масштабирования необходимо усилить входной сигнал (умножение) и сдвинуть вниз  (вычитание) до входного диапазона АЦП. 

Схема на Рис. 3.3 показывает, как ОУ может быть сконфигурирован для выполнения этой операции.  

Рис 3.3. Масштабирование терморезистора 

 

Выходное напряжение ОУ можно  вычислить следующим образом: 

Если операционный усилитель работает в линейном режиме, значит V1 = V2, то уравнение можно переписать следующим образом: 

где первая часть - это усиление, а вторая - это смещение выходного сигнала ОУ.

 

     Теперь можно применить это выражение для нашей задачи с  терморезистором. 

    Скажем, необходимо, чтобы входной диапазон температур 0..40°С соответствовал напряжениям АЦП между 0.5 и 4.5 В. Зададим  небольшой запас на границах диапазона, чтобы не выйти за его пределы при использовании резисторов со стандартными номиналами. Данное  масштабирование устанавливает 204 отсчета АЦП для диапазона 30°С, то есть 6.8 отсчета на градус. Так входное изменение 0.634 В должно быть  преобразовано в изменение на 4.5 - 0.5 = 4 В. Усиление составляет 4/0.634 = 6.3 В. Уравнение можно переписать в другой форме:

    Если умножить V1 на 6.3, получим выходные напряжения: 

 0.976 х 6.3 = 6.14 В; 

 1.61 х 6.3= 10.143 В. 

   Таким образом, размах (10.14 - 6.14 = 4 В) какой требовался, но теперь следует определить смещение. Смещение можно найти вычитанием из  любого из этих напряжений соответствующего заданного напряжения. 

 6.14 - 0.5 = 5.64 В или 10.14 - 4.5 = 5.64 В.

     В обоих примерах должен получиться одинаковый результат, если нет ошибок в предыдущих вычислениях. Смещение дано как Vr х Rf/Rh, значит можно записать следующее уравнение:

 

     Сейчас можно решить одновременно уравнения усиления (6.3 = 1 + Rh/Rl + Rf/Rh) и смещения (5.64 = Vr х Rf/Rh) относительно  величин резисторов. В данном примере величина опорного напряжения  составляет 2.5 В, как показано на схеме (Рис. 3.3). Заметим, что опорное  напряжение 2.5 В установлено одновременно и для цепей ОУ, и  терморезистора. Опорное напряжение АЦП составляет 5 В. В полученной выше системе из двух уравнений неизвестны три величины сопротивлений  резисторов. Значит, следует задать величину одного из резисторов. Выберем сопротивление 100 кОм для Rf, тогда:

      Поскольку Vr = 2.5 В, второе уравнение придет к виду: 

 5.64 = 250кОм / Rh

 

      Решая систему этих уравнений, получим: 

             Rh = 44.32 кОм; 

            Rl = 32.85 кОм. 

     Следующий шаг - выбор стандартных номиналов резисторов. Для  резисторов с 1% — это 44.2 кОм (для разброса +1%) и 33.2 кОм (для разброса -1%). Подставляя эти величины в уравнение для V0, получаем усиление 6.27 и смещение 5.65 В. Мы можем теперь составить зависимость  результата преобразования от любой температуры диапазона:

       Эта зависимость еще понадобится, так как терморезистор  нелинейный элемент, и программа должна будет решить, какому результату на выходе АЦП какая температура соответствует. Для реального  приложения подобные характеристики следует вычислять с шагом 1°С. В  рассмотренном примере ОУ проходит почти весь диапазон от 0 до 5 В,  следовательно на практике надо либо выбрать двуполярный ОУ, либо однополярный ОУ с расширением полного размаха выходного напряжения ОУ почти до напряжения питания (т. н. rail to rail ОУ). Точность данной цепи  составляет (227 - 23)/30°С = 6.8 отсчетов на градус. 

 

 Влияние разброса параметров компонентов

        В любых схемах на операционных усилителях существуют изменения (вариации) усиления, связанные с погрешностями компонентов. В  только что рассмотренной схеме мы выбрали резисторы со стандартным 1%- ным разбросом для установления требуемого усиления и минимально возможного смещения, затем вычислили цифровые значения на выходе АЦП. Однако, как повлияет однопроцентная погрешность резисторов на параметры нашей схемы? Некоторые соответствующие подсчеты  приведены в Табл. 3.2.

 

Таблица 3.2. Результат, если Rh выше на 1% (44.642 кОм вместо 44.2 кОм) 

 

Что случится, если Rh будет выше на 1% (44.64 кОм), a RL ниже на 1% (32.868 кОм)? См. Табл. 3.3.

 

Таблица 3.3. Результат, если Rh выше на 1%, a RL ниже на 1%

         

         В реальных приложениях можно воспользоваться электронной  таблицей для вычисления влияния всех резисторов, включая терморезистор. В этом простом примере небольшие вариации Rh и RL на 1% ухудшают  разрешающую способность до пяти отсчетов на градус. Такая величина  разрешающей способности в некоторых случаях недостаточна, а в других  вполне возможна, в зависимости от требуемой точности. Можно использовать резисторы с точностью 0.1 %, что это даст см. в Табл. 3.4. 

 

Таблица 3.4. Результат, если Rh выше на 0.1%, a R1 и RL ниже на 0.1% 

    Полученный результат намного ближе к идеальному. Другие факторы, которые следовало бы рассмотреть — это отклонение опорного  напряжения и погрешность самого терморезистора.

         Увеличения точности можно достигнуть и при помощи калибровки системы. Во многих случаях калибровка является необходимой  процедурой, поскольку либо плата, либо терморезистор должны быть  заменяемыми. Однако в тех случаях, когда оборудование стационарное с  возможностью замены, или переносное для полевого исполнения, тогда имеются  дополнительные возможности мониторинга температуры. Возможно построить таблицу зависимости величин АЦП от соответствующих  температур. Эта таблица должна содержать действительные входные  температуры (измеренные независимым прибором), чтобы программное  обеспечение смогло реконструировать данные. 

 

Резистивные температурные датчики  

     Резистивный температурный датчик (РТД) относится к металлическим термометрам сопротивления и представляет собой просто кусок  металлической проволоки, изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры. Типичными материалами для РТД являются медь, платина, никель и сплав железо-никель. Конструктивно элемент РТД может быть проволочным или пленочным, нанесенным или напыленым на подложку, например, из керамики. 

     В спецификации сопротивление РТД обычно дано при 0°С. Типичный платиновый РТД, имеющий сопротивление 100 Ом при 0°С, имел бы  сопротивление 100.39 Ом при 1°С и 119.4 Ом при 50°С. 

       РТД имеют точность выше, чем у терморезисторов. Типичные  погрешности РТД следующие: 

                • при использовании платины — 0.01...0.03%; 

                • при использовании меди — 0.2%; 

                • при использовании никеля и сплава железо-никель — 0.5%. 

 С учетом большей точности РТД и меньшего сопротивления, схемы подключения РТД к ОУ практически такие же, как и для терморезисторов. 

 

Термопары

См. также - "Термопара. Принцип действия" 

       Температурный датчик на основе термопары образуется сварным  соединением (спаем) двух различных металлов. Томас Зеебек в 1821 году  обнаружил термоэлектрический эффект, названный в его честь эффектом Зеебека, когда в месте между «горячим» и «холодным» спаем металлов с разными температурами возникает термо-ЭДС с небольшой разностью  потенциалов (порядка нескольких мВ), которую можно измерить  милливольтметром. Величина возбуждаемого напряжения зависит от того, какие металлы соединены. Для образования термопар существует три наиболее  распространенных комбинации металлов: железо-константан (тип J), медь-константан (тип Т) и хром-алюминий (тип К).

 

Эффект Зеебека обратим: пропустив ток по цепи из разнородных материалов другой ученый по фамилии Пельтье заметил, что один из спаев нагревается, а другой — охлаждается (эффект Пельтье). На этом принципе работают охладители для компьютеров, автомобильные холодильники и т. д. (Прим. науч. ред.)

        Напряжение, образуемое термопарой, имеет очень малую величину, обычно несколько милливольт. Напряжение термопары типа К  изменяется всего на 40 мкВ на градус Цельсия. Такие малые изменения напряжений термопары требуют прецизионных измерений: для обеспечения точности измерения температуры 0.1 °С требуется точность измерения напряжения порядка 4 мкВ. С другой стороны, поскольку любые два разных металла образуют термопару при соединении, то точка соединения термопары с измерительной системой также будет иметь свойства термопары в месте их соединения из-за разницы температур, измеряемой термопары и  температуры окружающей среды. Место соединения (колодка) начинает  нагреваться и образует паразитную термопару из материала колодки и медных проводников, подсоединенных к ней. Под медными проводниками  подразумеваются не только медные провода, но и медные дорожки печатной платы.  

      Данный эффект может быть сведен к минимуму размещением  соединений в т. н. изотермическом блоке, выполненном из теплопроводного  материала (см. Рис. 3.4). Материал с высокой теплопроводностью снижает разность температур между точками соединения, уменьшая тем самым ошибку, вводимую местом соединения проводников. Распространенный способ компенсации температурной зависимости изотермического блока — это размещение в блоке полупроводникового диода и измерение на нем падения напряжения.  

Рис. 3.4. Термопара

 

    Для усиления крайне малого сигнала термопары в десятые доли вольт необходим операционный усилитель, и обычно используется инструментальный усилитель в дифференциальном включении. Коэффициент усиления такого типа ОУ находится в диапазоне 100...300, и любой шум, воздействующий на термопару, будет усилен во столько же раз. Такое включение инструментальных усилителей значительно снижают синфазные помехи проводов термопары и усиливает только сигналы термопары. Правда, полностью снизить в реальных условиях синфазные помехи не удается и синфазная помеха «просачивается» на выход усилителя, который ослабляет помеху с определенным коэффициентом ослабления синфазных помех (КОСС). КОСС определяют в дБ. Инструментальные усилители по отношению к другим типам ОУ имеют повышенный КОСС. 

       Фирма Analog Devices выпускает специализированные усилители сигнала термопары типа J, такие как AD594/595. ИС AD594/595 не использует внешний p-n-переход для компенсации изотермического соединения, вместо этого, в самой микросхеме предусмотрено биметаллическое соединение, компенсирующее температурную зависимость соединения термопары с усилителем. ИС проводит измерения в температурном диапазоне 0...300°С. Для наилучшей компенсации соединение проводов термопары с входом усилителя должно быть выполнено на плате как можно ближе к выводам микросхемы. Усиленный сигнал термопары, как и терморезистора, необходимо масштабировать, чтобы соответствовать входному диапазону АЦП. Термопары относительно линейны в ограниченном диапазоне температур, однако если диапазон измерений достаточно широк, для компенсации нелинейностей понадобится дополнительное программное обеспечение. Зависимость напряжения термопары от температуры в этом случае можно будет представить полиномом, почти так же, как и зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

 

Полупроводниковые температурные датчики  

        В качестве простейшего полупроводникового датчика температуры  может использоваться, например, р-п-переход диода или транзистора. Если поддерживать постоянным ток через смещенный в прямом направлении кремниевый p-n-переход, прямое падение напряжения будет меняться на 1.88 мВ с каждым градусом Цельсия. По этому принципу работает ИС МАХ1617 фирмы MAXIM/Dallas, которая измеряет температуру с  использованием прямосмещенного p-n-перехода внешнего транзистора, например типа 2N3904. Транзистор может быть дискретным элементом вне  микросхемы, а может входить в состав ИС. Выход микросхемы МАХ1617 имеет последовательный интерфейс SMBus. 

Рис. 3.5. LM335

     ИС LM335 (Рис 3.5) от фирмы National Semiconductor формирует на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Изменение выходного  напряжения равно 10 мВ на градус Цельсия. При 0°С выходное напряжение составляет 2.73 В, а при 100°С составляет 3.73В. ИС LM335 потребляет ток от 0.4 до 5 мА. 

   Датчики LM34/35 фирмы National Semiconductor получают питание от напряжений в диапазоне 4...20 В и формируют на выходе напряжение, пропорциональное температуре. ИС LM35 формирует 500 мВ при 50°С и добавляет 10 мВ на каждый градус Цельсия. ИС LM34 калибрована в температурной шкале Фаренгейта, a LM35 — в градусах Цельсия. Выход LM34/LM35 может быть непосредственно подключен к входу АЦП или компаратора.

     ИС LM74 фирмы National Semiconductor содержит температурный датчик и 13-битный сигма-дельта АЦП и измеряет температуру в диапазоне —55...+150°С. Она имеет на выходе АЦП интерфейс SPI/Microware, которым соединяется с микропроцессором. ИС LM74 поставляется в 8-выводном корпусе для поверхностного монтажа (SMT). Напряжение питания микросхемы в зависимости от модификации — 3.3 или 5 В. ИС LM75 функционально аналогична LM74, но снабжена выходным интерфейсом 12С и измеряет температуру в более узком верхнем диапазоне —55...+125°С. Микросхема LM75 фирмы National Semiconductor формирует на выходе 9-битный код и имеет дополнительно в своем составе компаратор, сравнивающий измеряемую величину с запрограммированным заданным значением — уставкой температуры. Сигнал превышения определенного порога температуры (выше уставки) передается по шине 12С к внешним исполнительным устройствам, например, для терморегулирования.