Меню

Электрическая схема для измерения температуры



Схема электрического градусника для измерения температуры тела

Авторизация на сайте

Этот диапазон легко можно расширить или сдвинуть при изготовлении термометра.

Подобная конструкция электронного градусника уже рассматривалась в этой статье>>>

В основу построения схемы (рис. 1) положен мостовой преобразователь. Изменение величины сопротивления термодатчика R8 приводит к разбалансу моста и появлению на стрелочном индикаторе РА1 тока, пропорционального температуре.

Особенностью электрического термометра является применение в качестве датчика температуры резистора типа СТЗ-19 10 кОм, который обладает очень малой массой, за счет чего и удается получить высокую скорость измерения. Этот датчик удобно закрепить на конце пластмассовой трубки от шариковой авторучки и перевитыми между собой проводами длиной 1-0,6 м и через разъем XI подключить к измерительному блоку. На разъеме между контактами 1 и 2 установлена перемычка, которая не позволит включить схему прибора, если не подключен термодатчик, что предохраняет индикатор РА1 прибора от повреждения.

Рис.1. Схема электрического градусника.

Питается схема от двух любых аккумуляторов или батареек общим напряжением 2. 3 В и потребляет от источника ток не более 5 мА.

Транзисторы VT1 и VT2 используются, как низковольтные стабилитроны и могут быть заменены на КТ3102А, Б, В, Г.

Переменные резисторы для удобства настройки лучше использовать многооборотные, типа СП5-2 или аналогичные.

Габариты электрического термометра определяются размерами стрелочного индикатора РА1 и при использовании микроамперметра М4205 0. 50 мкА не превышают 85 х 65 х 60 мм (рис. 2).

Настройку прибора начинают с измерения сопротивления R8 (желательно с высокой точностью) при фиксированной
температуре 20°С. Для этой цели удобно использовать промышленную термокамеру с автоматическим поддержанием заданной температуры, куда и помещают термодатчик.

Возможны и другие способы получения температуры 20°С. но надо учитывать, что от точности измерения сопротивления термодатчика при температуре 20°С зависит точность измерения прибора.

После измерения R8 из двух резисторов R6+R7 подбирают такой же номинал сопротивления и устанавливают их в схему.

Рис.2. Внешний вид электрического градусника.

После этого, установив движки резисторов R2 и R3 в среднее положение, включают схему тумблером S1 и выполняют последовательно следующие операции:

1) установить переключатель S2 в положение «калибровка», а регулятором R2 вывести стрелку измерительного прибора в нулевое положение на шкале;
2) поместить датчик температуры в место с известной постоянной температурой (в пределах желаемого измерительного диапазона);

3) установить переключатель S2 в положение «измерение», а резистором R3 вывести стрелку прибора на значение шкалы, которое будет соответствовать измеренной величине.

Операции 1, 2, 3 необходимо повторить несколько раз, после чего настройку можно считать законченной.

В заключение хотелось бы отметить, что в настроенном приборе диапазон измерения можно сдвинуть резистором R2 при переключении в режим «калибровка» и устанавливать стрелку на любое значение шкалы (положение стрелки будет соответствовать значению 20°С).

При переключении прибора в режим «измерение» шкала будет соответствующим образом сдвинута относительно положения стрелки в режиме «калибровка».

Прибор имеет большой запас по чувствительности, которая увеличивается с уменьшением сопротивления R3 (при первоначальной настройке). Можно даже с помощью прибора улавливать температуру дыхания или же ее изменение при циркуляции воздуха.

Источник

Maxim Integrated: спектр решений для измерения температуры

Существует множество решений для измерения температуры – термисторы, металлические резистивные датчики (RTD), термопары, интегральные схемы. Компания Maxim Integrated предлагает широкий спектр уникальных решений для реализации любого метода измерения температуры.

Измерение температуры получило широкое распространение в технике: оно необходимо для регулирования температуры объектов или процессов, для коррекции характеристик или компенсации параметров, зависящих от температуры, для защиты при выходе температуры за допустимые пределы.

В зависимости от требуемых диапазона измеряемых температур, точности, стабильности, особенностей объекта измерения и приемлемой стоимости решения, могут использоваться различные типы термодатчиков и схем для обработки их сигналов. В качестве первичных датчиков температуры наибольшее распространение получили полупроводниковые термозависимые резисторы (термисторы), металлические резистивные датчики, термоэлектрические датчики (термопары), полупроводниковые датчики с использованием P-N-переходов. Для специальных задач применяются также различные виды пирометров, акустические и пьезоэлектрические датчики температуры.

Рис. 1. Типовая схема применения NTC-
термистора с выходом на АЦП

Термисторы обычно изготавливаются из металло-оксидной керамики или полимеров, имеющих свойства полупроводников. Более широкое применение получили термисторы, уменьшающие величину электрического сопротивления при повышении температуры (NTC-термисторы). Для некоторых задач, преимущественно в целях защиты цепей и объектов от перегрузок и перегрева, используются терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC). Как правило, термисторы используются при умеренных температурах (до 150°С), имеют небольшую стоимость, значительную нелинейность характеристики «сопротивление-температура» и требуют применения специальных, хотя и несложных схем для обработки их сигналов. Компанией Maxim Integrated выпускается специализированные интегральные микросхемы для контроля температуры с помощью термисторов. На рисунке 1 показана типовая структура решения измерителя температуры с использованием NTC-термистора. Хотя собственная передаточная характеристика термистора существенно нелинейна (рисунок 2), использование его в качестве нижнего плеча делителя напряжения позволяет получить достаточно линейную зависимость выходного напряжения от температуры в актуальном диапазоне (например, 10…70°С, как показано на рисунке 3). Термисторные датчики выпускаются в различном конструктивном исполнении: в корпусах для поверхностного монтажа на печатные платы, в виде зондов, с неизолированными выводами.

Рис. 2. Стандартная зависимость сопротивления NTC-термистора от температуры, нормированная к
точке 10 кОм при 25°С

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения делителя, показанного на рисунке 1, от температуры

Металлические резистивные датчики (RTD) используют эффект повышения электрического сопротивления металлов и сплавов с ростом температуры. Широкое применение получили платиновые датчики температуры, обозначаемые как Pt-RTDs, благодаря исключительно высокой стабильности, точности и работоспособности вплоть до температур порядка 800°С. Поэтому они используются для прецизионных измерений, регулирования температуры технологических процессов в промышленности и автомобильных системах. При более умеренных требованиях к RTDs, в качестве материала датчика могут применяться медь, никель и некоторые другие металлы. Сопротивление Pt-RTDs нормируется при 0°С и обычно составляет 100 Ом или 1 кОм. Стандартная зависимость сопротивления датчика PT100 в диапазоне температур -200…более 800°С показана на рисунке 4. Для температуры в пределах 0…100°С она может быть аппроксимирована линейной функцией с погрешностью менее 0,3°С (рисунок 5). Для улучшения точности измерений в широком диапазоне применяют поправки второго и третьего порядков или пользуются калибровочной таблицей. Важно, что при этом не требуется индивидуальная калибровка датчика, а используются коэффициенты, специфицированные стандартами, например IEC751.

Рис. 4. Зависимость сопротивления платинового датчика с номиналом 100 Ом от температуры

Рис. 5. Погрешность линейной аппроксимации характеристики Pt100-RTD в диапазоне температур
0…100°С

Хорошим вариантом интеллектуального высокоинтегрированного решения для измерения температуры с использованием Pt-RTD является микросхема MAX31865. Она состоит из 15-битного сигма-дельта-АЦП, цепей питания опорного сопротивления и RTD, защит входов от перенапряжений и коммутации входных напряжений, а также специализированного цифрового контроллера с SPI-интерфейсом. Измерительный ток протекает последовательно по образцовому опорному резистору, имеющему стабильное сопротивление, и резистору-термодатчику. Для корректной работы требуется, чтобы опорное сопротивление было не меньше, чем у RTD, во всем диапазоне температур. Результатом АЦП является код отношения падений напряжения на термозависимом и опорном резисторах. Микросхема оптимизирована для работы с RTDs, имеющими номинальное сопротивление 0,1…1 кОм, но может быть использована и вместе с термисторами. Типовые схемы включения для двух-, трех- и четырехпроводного вариантов присоединения RTD показаны на рисунках 6, 7 и 8 соответственно. Законченный измеритель температуры, помимо собственно микросхемы в 20-выводном корпусе TQFN или SSOP, требует подключения только лишь образцового резистора, RTD и, при необходимости, недорогих малогабаритных конденсаторов по цепям питания и входу термодатчика. Это обеспечивает компактность, малую стоимость и простоту проекта. Микросхема имеет собственный рабочий диапазон температур применения -40…125°С. Потребление MAX31865 по цепи питания не превышает 3,5 мА при напряжении питания 3…3,6 В. АЦП обеспечивает разрешение по температуре 0,03°С (без пропуска кодов) и полную погрешность не более 0,05% шкалы в любых условиях, что соответствует 0,5°С при измерениях в диапазоне -200…более 800°С. Полностью дифференциальное подключение опорного и термозависимого резисторов, защита входов MAX31865 для подключения RTD от перенапряжений в пределах ±45 В, КОСС = 90 дБ, встроенный адаптивный цифровой фильтр для сетевых помех 50 или 60 Гц (подавление на 82 дБ), стабилизатор питания и детектор аномальных режимов работы термодатчика обеспечивают высокую точность и надежность контроля температуры. Микросхема способна выявлять короткое замыкание и обрыв RTD, а также замыкание любого из его выводов на шины питания.

Читайте также:  Как найти надежность результата измерений

Рис. 6. Построение измерителя температуры на основе RTD и микросхемы MAX31865 при двухпрово-
дной схеме подключения

Рис. 7. Построение измерителя температуры на основе RTD и микросхемы MAX31865 при трехпроводной
схеме подключения

Рис. 8. Построение измерителя температуры на основе RTD и микросхемы MAX31865 при четырехпро-
водной схеме подключения

Двухпроводная схема подключения Pt100-RTD способна обеспечить приемлемую точность, если только сопротивление подключения не превышает единиц миллиом. В противном случае необходимо четырехпроводное подключение датчика. Трехпроводная схема измерений возможна, если гарантируется идентичность сопротивлений обоих проводников кабеля RTD.

Термопары могут использоваться для измерения как криогенных, так и экстремально высоких температур – вплоть до 1800°С. В точке соединения двух разных металлов или сплавов возникает ЭДС, величина которой примерно пропорциональна температуре. Термопара является недорогим средством измерения температуры, изменяющейся в широком диапазоне, с приемлемой линейностью и умеренной сложностью схемы обработки сигнала. Основным недостатком термопар является малая величина термо-ЭДС, поскольку ее температурный коэффициент обычно находится в пределах 10…70 мкВ/°С. Для повышения точности измерения необходимо учитывать и компенсировать дополнительные ЭДС, генерируемые в точках соединения металлов термопары с медными проводниками (рисунок 9). Температура в зоне холодного спая измеряется дополнительным термодатчиком и соответствующая ей термо-ЭДС прибавляется к измеренному выходному напряжению термопары. Законченное решение по контролю температуры с помощью термопары, предусматривающее усиление ее сигнала прецизионным ОУ, компенсацию температуры холодного спая и аналого-цифровое преобразование с высоким разрешением, показано на рисунке 10.

Рис. 9. Принцип измерения температуры с по-
мощью термопары

Рис. 10. Комплектное решение по измерению температуры с помощью термопары

Имеется широкий выбор вариантов термопар, в зависимости от свойств используемых в них металлов или сплавов. Это позволяет подобрать датчик для самых разных условий применения. На рисунке 11 показана зависимость выходного напряжения от температуры для широко применяемой термопары типа «К» (образуется при соединении сплавов хромеля и алюмеля и используется в диапазоне температур -270…1372°С). В первом приближении напряжение этой термопары линейно изменяется с температурой в диапазоне 0…1000°С. Рисунок 12 показывает, что погрешность линейной аппроксимации для этих температур не превышает 7°С. Для улучшения точности измерений на краях рабочего диапазона можно использовать корректирующую таблицу.

Рис. 11. Передаточная характеристика термопары типа «К»

Рис. 12. Погрешность нелинейности термопары типа «К»

Компания Maxim Integrated выпускает ряд специальных микросхем (MAX31850, MAX31851 и MAX31855) для построения измерителей температуры на основе различных типов термопар. Они обеспечивают законченное решение в соответствии с рисунком 10, что значительно упрощает проектирование и уменьшает количество применяемых компонентов. Схема включения MAX31855 показана на рисунке 13. Микросхема выполнена в корпусе SO-8 и имеет SPI-интерфейс. Она может работать с различными типами стандартных термопар. Для каждого из них выпускаются соответствующие варианты исполнения микросхемы (суффиксы K, J, N, T, S, R, E). Разрешение по температуре составляет 0,25°С. Точность измерений, в основном, определяется характеристиками применяемой термопары и поддержанием равенства температуры холодного спая с температурой самой микросхемы. Например, при использовании термопары типа «J» погрешность не превышает ±2°С в диапазоне измеряемых температур -210…750°С. Кроме того, обеспечивается выявление возможных неисправностей термопары – ее обрыв или замыкание на корпус и питание. Микросхемы серий MAX31850 и MAX31851 имеют аналогичную структуру, функциональные возможности и точность, что и MAX31855. Отличие между ними состоит в интерфейсе: MAX31850 и MAX31851 используют фирменный «однопроводной» протокол обмена информацией с головным микроконтроллером, который, к тому же, позволяет организовать по этому же проводу питание микросхемы (рисунок 14), что исключает потребность в автономном питании микросхемы и очень удобно при удаленном расположении термопар. Кроме того, микросхемы имеют уникальные адреса, что упрощает построение системы измерений температуры с использованием большого количества термодатчиков.

Рис. 13. Схема измерения температуры с помощью термопары и микросхемы MAX31855

Рис. 14. Структурная схема MAX31850 и MAX31851 с «однопроводным» интерфейсом и возможностью
организации питания по тому же проводу, что и передача данных

Датчики температуры на основе P-N-переходов в кремнии обычно используют зависимость напряжения «база-эмиттер» биполярного транзистора от температуры. Они отличаются высокой линейностью и предсказуемостью поведения в диапазоне температур -55…150°С. Эти датчики хорошо интегрируются в стандартные техпроцессы производства микросхем, что позволяет создавать на их основе устройства с разнообразными особенностями: встроенные цифровые интерфейсы, АЦП, возможность перепрограммирования свойств, подача тревожных сигналов, управление вентиляторами. В зависимости от расположения первичного термодатчика (P-N-перехода) и схемы обработки сигнала, а также способа представления результатов измерения температуры, различают несколько классов этих микросхем.

Микросхемы с локальным (интегрированным) термодатчиком и аналоговым выходом

Измеряемая температура представляется пропорциональным сигналом напряжения или, реже, тока. В простейшем случае такой датчик имеет всего 3 вывода. Для измерения температуры обычно используется зависимость разности падений напряжения на база-эмиттерном переходе биполярного транзистора при различных значениях плотности тока коллектора от температуры:

где Т – абсолютная температура транзистора;
IК2 и IК1 – значения токов коллектора при двух режимах измерения или у двух идентичных транзисторов;
UБЭ2 и UБЭ1 – напряжения на переходе «база-эмиттер» при токах IК2 и IК1 соответственно;
q – элементарный электрический заряд (электрона);
k – постоянная Больцмана;
n – параметр неидеальности транзистора (примерно 1,01).

Рис. 15. Высокая линейность передаточной
характеристики микросхемы с интегрированным
датчиком-биполярным транзистором и аналого-
вым выходом MAX6605

В микросхемах с локальным термодатчиком чаще используется измерение разности напряжений у двух идентичных транзисторов, работающих с разной плотностью коллекторных токов. Привлекательно, что измеряемая температура выражается через фундаментальные константы и логарифм отношения коллекторных токов, который имеет хорошую стабильность и предсказуемость. Небольшая неопределенность скрыта только в коэффициенте «n», зависящем от особенностей технологии производства и конструкции транзисторов-термодатчиков. Но и этот параметр весьма близок к 1 (идеалу) и имеет небольшой разброс в партии продукции. Поэтому измерение температуры на указанном принципе обеспечивает исключительно хорошую линейность передаточной характеристики. Например, на рисунке 15 показана зависимость выходного напряжения микросхемы MAX6605 от температуры. В диапазоне температур 0…85°С нелинейность не превышает ±0,2°С. Кроме того, этот класс микросхем имеет очень хорошую точность. Например, для DS600 гарантируется, что абсолютная погрешность не превышает ±0,5°С в диапазоне температур -20…100°С. Некоторые типы микросхем имеют большую величину погрешности измерения, но зато потребляют очень малую мощность по цепи питания. Основные характеристики микросхем с локальным термодатчиком на основе P-N-перехода и аналоговым выходным сигналом, выпускаемые компанией Maxim Integrated, представлены в таблице 1.

Читайте также:  Как измерить плотность гликоля

Таблица 1. Микросхемы с локальным термодатчиком на основе P-N–перехода и аналоговым выходным сигналом

Наименование Абсолютная
погрешность, °С, не более
Диапазон гарантированной точности, °С Рабочий диапазон температур, °С Напряжение
питания, В
Особенности
микросхемы
DS600 0,5 -20…100 -40…125 2,7…5,5 Высокая точность, термопереключатель
MAX6605 3,8 -20…85 -55…125 2,7…5,5 Миниатюрный SC70
MAX6607 5 -10…85 -20…85 1,8…3,6 Низковольтный, SC70
MAX6608 5 -10…85 -20…85 1,8…3,6 Низковольтный, SОТ23
MAX6610 3,7 -20…85 -40…125 3,0…5,5 Термодатчик и ИОН в SОТ23
MAX6611 3,7 -20…85 -40…125 4,5…5,5 Термодатчик и ИОН в SОТ23
MAX6612 5,5 -10…125 -55…150 2,4…5,5 Микромощный
MAX6613 4,4 -20…85 -55…130 1,8…5,5 Широкий диапазон питания

Микросхемы с локальным (интегрированным) термодатчиком и цифровым выходом

Они представляют собой развитие аналоговых датчиков с интеграцией на кристалл АЦП, цифрового интерфейса и, в некоторых случаях, цифрового ядра, обеспечивающего программное управление параметрами датчика, организацию формирования управляющих и тревожных сигналов. Важным достоинством этого класса микросхем является возможность программной компенсации индивидуальных погрешностей передаточной характеристики на этапе изготовления, что позволяет обеспечить более высокую гарантированную точность. Кроме того, в величине максимальной ошибки уже учтено влияние всех возможных источников погрешностей (собственно термопреобразователь «температура-напряжение», нормирующий усилитель, АЦП, ИОН), что выгодно отличает ее от простых микросхем с аналоговым выходом. Maxim Integrated предлагает широкий выбор микросхем с локальным термодатчиком и цифровым интерфейсом (таблица 2). Хорошим примером точного цифрового датчика является MAX31725, который обеспечивает абсолютную ошибку не более 0,5°С в широком температурном диапазоне -40…105°С и удерживает ее в пределах ±0,7°С в расширенном диапазоне -55…125°С. Кроме того, MAX31725 обеспечивает необычно высокое разрешение по температуре – 0,004°С, что может быть полезно при относительных измерениях. Другие интересные возможности микросхем с локальным термодатчиком и цифровым выходом:

  • Наличие одного или нескольких выходов, показывающих, что контролируемая температура вышла за установленные границы (эти границы, как правило, доступны для программирования пользователем).
  • Возможность программной фильтрации сигнала превышения температурой предустановленного порога. Если по системным соображениям ущерб от ложного срабатывания термозащиты превышает опасность быстрого нарастания перегрева – пользователь может запрограммировать продолжительность интервала времени, на котором должно фиксироваться превышение температуры перед выдачей внешний сигнал аварии.
  • Сохранение в памяти пользовательских настроек порогов срабатывания, которые не стираются при снятии питания (EEPROM). Это особенно полезно для термодатчиков, используемых для системной защиты от перегрева. Сразу после восстановления питания микросхема готова к работе с актуальными значениями порогов срабатывания по температуре.
  • Наличие выбора всего ассортимента современных цифровых интерфейсов.

Таблица 2. Микросхемы с локальным термодатчиком на основе P-N–перехода и цифровым выходным сигналом

Наименование Абсолютная
погрешность, °С, не более
Интерфейс Напряжение
питания, В
Особенности микросхемы
DS1620 0,5 3 провода 2,7…5,5 Термометр и термостат с EEPROM
DS1621 0,5 2 провода 2,7…5,5 Термометр и термостат с EEPROM
DS1624 0,5 3 провода 2,7…5,5 Термометр с EEPROM
DS1626 0,5 3 провода 2,7…5,5 Прецизионный термометр и термостат с EEPROM
DS1629 2 2 провода 2,7…5,5 Термометр и часы с EEPROM
DS1631 0,5 2 провода 2,7…5,5 Прецизионный термометр и термостат с EEPROM
DS1721 1 2 провода 2,7…5,5 Термометр и термостат с EEPROM
DS1722 2 3 провода 2,65…5,5 Термометр
DS1726 1 3 провода 2,7…5,5 Прецизионный термометр и термостат с EEPROM
DS1731 1 2 провода 2,2…5,5 Прецизионный термометр и термостат с EEPROM
DS1775 2 2 провода 2,7…5,5 Термометр и термостат
DS1821 1 1 провод 2,7…5,5 Термометр и термостат с EEPROM
DS1822 2 1 провод 3,0…5,5 Экономичный термометр с EEPROM
DS1825 0,5 1 провод 3,0…3,7 Термометр с 4-битным ID и EEPROM
DS18B20 0,5 1 провод 3,0…5,5 Термометр с EEPROM
DS18S20 0,5 1 провод 3,0…5,5 Прецизионный термометр с EEPROM
DS28 0,5 1 провод 3,0…5,5 Термометр с EEPROM
DS620 0,5 2 провода 1,7…3,5 Точный термометр с низковольтным питанием и EEPROM
DS75 2 2 провода 2,7…5,5 Термометр и термостат
DS75LV 2 2 провода 1,7…3,7 Термометр и термостат с низковольтным питанием
DS75LX 2 2 провода 1,7…3,7 Термометр и термостат с низковольтным питанием и расширенной адресацией
DS7505 0,5 2 провода 1,7…3,7 Прецизионный термометр и термостат с EEPROM
LM75 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик и «сторож»
MAX6575 4,5 1 провод 2,7…5,5 Термодатчик
MAX6576 4,5 1 провод 2,7…5,5 Термодатчик
MAX6577 3,5 1 провод 2,7…5,5 Термодатчик
MAX6625 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик 9 бит; I2C
MAX6626 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит; I2C
MAX6629 1 3 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак
MAX6630 1 3 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак
MAX6631 1 3 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак
MAX6632 1 3 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак
MAX6633 1,5 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак; I2C с 4-битным адресом
MAX6634 1,5 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак; I2C с 3-битным адресом; программируемые пороги
MAX6635 1,5 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит + знак; I2C с 2-битным адресом; программируемые пороги
MAX6652 3 2 провода 2,7…5,5 Термодатчик и 4-канальный монитор напряжений
MAX6662 2,5 3 провода 3,0…5,5 Термодатчик 12 бит; SPI
MAX6683 4 2 провода 2,7…5,5 Термодатчик и 4-канальный монитор напряжений
MAX7500 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик и «сторож»; совместимый с LM75
MAX7501 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик и «сторож»; I2C с таймаутом и сбросом
MAX7502 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик и «сторож»; I2C с таймаутом и сбросом
MAX7503 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик и «сторож»; I2C со сбросом
MAX7504 2 2 провода 3,0…5,5 Термодатчик и «сторож»; I2C со сбросом
MAX31722 2 3 пров/SPI 1,7…3,7 Термометр и термостат с EEPROM и SPI
MAX31723 0,5 3 пров/SPI 1,7…3,7 Термометр и термостат с EEPROM и SPI
MAX31725 0,5 2 провода 2,5…3,7 Точный термодатчик
MAX31820 0,5 1 провод 3,0…3,7 Датчик температуры воздуха с EEPROM
MAX31826 0,5 1 провод 3,0…3,7 Термодатчик с 1кБ пользовательской EEPROM

Микросхемы с вынесенным термодатчиком и цифровым выходом

Такие микросхемы используют в качестве термочувствительного элемента биполярный транзистор в диодном включении (выводы базы и коллектора соединены между собой). Термочувствительный элемент может интегрироваться в процессор, ПЛИС, силовой модуль и тому подобные объекты, которые рассеивают значительные мощности и требуют быстродействующего слежения за их температурой. Применение для этих целей вышеописанных микросхем с локальным термодатчиком невозможно из-за значительного теплового сопротивления между контролируемым объектом и термочувствительной микросхемой. Это вызывает, помимо статической погрешности измерения температуры, неприемлемое запаздывание сигнала на выходе термодатчика порядка нескольких секунд. Термодатчик, вынесенный из термочувствительной микросхемы и встроенный непосредственно в контролируемый объект, позволяет получить задержку срабатывания на уровне 50…100 мкс и погрешность измерения актуальной температуры в пределах ±1°С. Кроме того, для контроля температуры распределенных в пространстве объектов и систем может использоваться одновременно несколько термочувствительных элементов, размещаемых в разных местах. В этих случаях удобно применить микросхемы мониторинга температуры, способные работать с большим количеством (до 7) вынесенных термодатчиков. Примером такой микросхемы является MAX6681. Обзор основных параметров микросхем, предназначенных для работы с вынесенными термодатчиками, выпускаемых компанией Maxim Integrated, представлен в таблице 3.

Читайте также:  Как измерить длительность импульса ардуино

Таблица 3. Микросхемы для работы с вынесенными термодатчиками

Наименование Количество каналов Погрешность, °С, не более Интерфейс Число тревожных выходов Компенсация
сопротивления проводов
вынесенных локальных
MAX6581 7 1 1 2 провода 2 Есть
MAX6602 4 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале
MAX6622 4 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале
MAX6627 1 1 3 провода Нет
MAX6628 1 1 3 провода Нет
MAX6636 6 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале
MAX6638 1 1 2 2 провода 2 Нет
MAX6642 1 1 1 2 провода 1 Нет
MAX6646 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6647 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6648 1 1 0,8 2 провода 2 Нет
MAX6649 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6654 1 1 2 2 провода 1 Нет
MAX6655 2 1 1,5 2 провода 2 Нет
MAX6656 2 1 1,5 2 провода 2 Нет
MAX6657 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6658 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6659 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6680 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6681 1 1 1 2 провода 2 Нет
MAX6689 6 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале
MAX6690 1 1 2 2 провода 1 Есть
MAX6692 1 1 0,8 2 провода 2 Нет
MAX6695 2 1 1,5 2 провода 3 Нет
MAX6696 2 1 1,5 2 провода 3 Нет
MAX6697 6 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале
MAX6698 6 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале
MAX6699 4 1 1 2 провода 2 Есть в 1 канале

Принципы контроля температуры с использованием удаленного термочувствительного элемента подобны вышеописанным для микросхем с локальным датчиком и аналоговым выходом. Отличия заключаются в использовании одиночных транзисторов-датчиков с переключением уровней тестирующего тока (обычно между IК1 = 10 мкА и IК2 = 100 мкА), а также в его возможных посредственных параметрах (очень малый коэффициент передачи тока h21Э, повышенный разброс фактора неидеальности «n» в выражении для абсолютной температуры) и влиянии сопротивления проводов между датчиком и измеряющей микросхемой. Можно показать, что при указанных выше значениях измерительных токов сопротивление соединительных проводов 1 Ом вносит дополнительную погрешность, эквивалентную 0,45°С. Если значения тестирующих токов достаточно стабильны, а сопротивления проводников известны — результаты измерений можно скорректировать, вычитая поправку, равную 0,45°С на 1 Ом сопротивления. Некоторые микросхемы, выпускаемые Maxim Integrated для работы с вынесенными термодатчиками, используют усовершенствованный алгоритм измерений и способны компенсировать влияние сопротивления соединительных проводов, даже когда его величина заранее неизвестна.

Большинство микросхем Maxim Integrated оптимизированы для работы с вынесенными термочувствительными элементами, имеющими параметр неиде­альности n = 1,008. Это соответствует типичным значениям для дискретных транзисторов, наиболее часто применяемых в качестве термодатчиков (2N3904 и 2N3906) и термочувствительных элементов популярных микропроцессоров. Можно показать, что отклонение параметра «n» от целевой величины (например, 1,01 вместо 1,008) приводит к дополнительной погрешности примерно 0,6°С, что вполне приемлемо.

Определенные проблемы с точностью измерений могут создавать транзисторы-датчики с малыми значениями h21Э. Дело в том, что это приводит к нарушению проектного соотношения (IК2/IК1) из-за вклада токов базы и искажает результат вычисления температуры. Для дискретных транзисторов влияние величины h21Э не создает проблем. Но термочувствительные элементы, интегрируемые в составе КМОП СБИС, имеют h21Э меньше 1 (часто примерно 0,3) и требуют внимательного подхода к организации измерений. Испытания значительного количества образцов термодатчиков в составе СБИС с проектными нормами 45 нм показали, что хотя их h21Э и мал, но его величина достаточно стабильна при используемых уровнях тестирующих токов и измеряемых температурах. Поэтому, дополнительная погрешность, вносимая этим фактором, не выходит за 1°С. Если же термочувствительный элемент с малым и нестабильным значением h21Э неприемлемо искажает результаты измерений, можно использовать микросхемы MAX6693 и MAX6581, которые используют усовершенствованный алгоритм тестирования с компенсацией влияния малой величины h21Э, вплоть до 0,1.

Микросхемы для работы с вынесенными термодатчиками могут иметь различное сочетание каналов для удаленных и локальных измерений температуры. Почти все микросхемы имеют, по крайней мере, один, а нередко и 2 выхода для индикации превышения температурой предустановленных пределов. Один из этих выходов обычно используется для запроса прерывания на шине при обнаружении аварийных условий, а также в случае неисправности любого термочувствительного элемента (КЗ или обрыв). Многие микросхемы имеют возможность выбора скорости обновления информации о температуре: более медленное проведение измерений, если это приемлемо по системным соображениям, позволяет, соответственно, уменьшить потребляемый микросхемой ток питания. Некоторые микросхемы, работающие с удаленными термодатчиками, имеют в своем составе регистры для хранения поправок при измерениях, например, обусловленных компенсацией влияния соединительных проводов или фактора не идеальности датчика. Результаты поправок учитываются в выходных данных об измеряемых температурах. Однако помимо этого, пользовательский микропроцессор может иметь и непосредственный доступ к содержимому этих регистров для большей прозрачности процедуры измерений и для установки актуальных значений фактора неидеальности. Некоторые микросхемы имеют возможность усреднения результатов измерений, что важно при работе в условиях значительных помех.

Помимо микросхем, предназначенных для универсального измерения температуры, компания Maxim Integrated предлагает широкий выбор приборов с более узкой специализацией использования термоконтроля. В частности, широко представлены температурно-зависимые ключи (реле) и микросхемы для управления вентиляторами. Ведется постоянная работа по улучшению параметров и функциональных возможностей продукции. Характерным примером является микросхема MAX31629, представленная в конце 2014 года, в которой интегрированы функции локального термодатчика с цифровым выходом и часов реального времени. С аппаратурой пользователя микросхема взаимодействует по шине I2C. Кроме того, имеются отдельные выходы сигнала тревоги (запрос прерывания) и сигнала достижения предустановленной даты. MAX31629 имеет широкие диапазоны питающего напряжения (2,2…5,5 В) и рабочей температуры (-55…125°С) при гарантированной точности измерений не ниже ±3°С (в более узком диапазоне гарантируется даже ±2°С). Потребляемый ток в активном режиме не превышает 1,2 мА, а в спящем — снижается до 0,2 мкА. Часы реального времени тактируются от кварца 32768 Гц и имеют календарь вплоть до 2100 года. Многие функции микросхемы доступны для программирования пользователем: разрешение температурных измерений выбирается из ряда 9, 10, 11 или 12 бит; задаются температурная шкала (Цельсия или Фаренгейта), режим измерений (экономичный режим одиночных измерений температуры или непрерывная работа); алгоритм формирования сигнала тревоги; верхний и нижний пороги термостата; особенности работы часов.

Заключение

Для проведения температурных измерений с различными достижимыми параметрами имеется широкий спектр возможностей. В зависимости от конкретных требований, в первую очередь – по рабочему диапазону температуры и точности, можно использовать различные первичные термодатчики. Компания Maxim Integrated предлагает исключительно широкий ассортимент продукции для организации измерений температуры. Представлены компоненты как для поддержки различных дискретных термодатчиков, так и решения, интегрирующие термочувствительные элементы и схемы обработки сигналов.

Источник