Пожалуй, одним из самых важных факторов при работе сложных систем является измерение температуры некоторых компонентов, входящих в состав системы. Датчики температуры или, как их часто называют термодатчики, широко применяются в промышленности, автомобилях, системах автоматизации, в бытовых приборах и прочих системах. Также стоит к этому добавить еще и множество новых устройств и приложений, возникающих в IoT (Internet of Things). Теперь появились новые полупроводниковые датчики температуры, что позволяет проектировщикам использовать альтернативные варианты при создании новых устройств.
Разновидности температурных датчиков
Используются повсеместно четыре основных типа температурных датчиков – резистивные датчики температуры (РДТ), термопары, термисторы и интегральные IC. Каждый из перечисленных элементов измерения температуры имеет свои характеристики и, соответственно, свою нишу систем, в которые они внедрялись благодаря специфике своих характеристик. Но развитие полупроводниковой техники последние годы было просто колоссальным, что привело к улучшению интегральных схем, а это запустило процесс вытеснения традиционных термодатчиков более современными датчиками на основе интегральных схем.
Резистивные температурные датчики РТД
Их широко используют в промышленности благодаря широкому диапазону рабочих температур и хорошей точности. Резистивный термодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется линейно с изменением температуры. Его сопротивление с ростом температуры тоже растет. Большинство РТД используют тонкую пленку или платиновую проволоку, которая имеет сопротивление 100 Ом при 25 0С. Рабочий диапазон составляет примерно от -250 0С до +750 0С.
Для получения сигнала от резистивного температурного датчика его часто подключают по мостовой схеме к источнику постоянного напряжения. Изменение выходного напряжения позже поддается обработке, например, линеаризации и усилению. Но при таком подключении существует одна постоянная проблема – введение дополнительной ошибки соединительными проводами. Преобладающее большинство РДТ устанавливаются отдаленно от систем обработки сигнала, например на трубах или резервуарах, что требует прокладки длительной проводной связи от датчика к системе управления, а это вносит ошибку в вычисления температуры. Эту проблему обычно решают с помощью третьего провода в кабеле, который компенсирует сопротивления проводов в основной мостовой схеме.
Но РТД имеет также некоторую нелинейность, которая совсем не подходит для высокоточных установок. Нелинейность возникает из-за определенных свойств материала, из которого изготавливается измерительный резистор, а также может являться следствием самонагрева от приложенного напряжения. Нелинейность устраняют с помощью резистивной сети или, как альтернативный вариант, при оцифровке сигнала с РТД аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и с помощью микроконтроллера может быть введен поправочный коэффициент, учитывающий нелинейность измерения.
Термопары
Термопара состоит из двух разнородных металлов, таких как железо и константан (медно-никелевый сплав), которые соединяются вместе и образуют узел. После чего термопара применяется к устройству, на котором необходимо измерять температуру. Данная комбинация металлов приводит к тому, что при изменении температуры измеряемого объекта примерно на 1 0С напряжение термопары меняется на несколько десятков микровольт. Для передачи сигнала от термопары к системе управления используют усилители. Если термопара будет применятся в широком диапазоне температур, то проектировщикам необходимо скомпенсировать ее нелинейность, которая устраняется с помощью резистивной сети или с помощью микроконтроллера после оцифровки сигнала.
Главным плюсом термопар является их огромная рабочая температура, когда ее значение может достигать 2300 0С и более.
Термисторы
Термистор – это резистор, изготовленный с оксидами металлов и имеющий отрицательный (NTC) или положительный температурный коэффициент (PTC). Наиболее распространенными являются термисторы типа NTC, у которых при повышении температуры снижается сопротивление. Сопротивление меняется по экспоненциальному закону. Разброс составляет порядка от -6% до +3% от величины сопротивления на единицу 0С. Термисторы более чувствительные датчики чем РТД или термопары. Их значения сопротивления колеблется, как правило, в диапазоне 1 — 100 кОм, а температурный диапазон составляет от -50 0С до +150 0С.
Используются термисторы наиболее часто в устройствах, где необходим запуск или остановка при достижении определенного значения температуры. В таком случае выход термистора подключают к компаратору, который сравнивает заданное фиксированное значение напряжения с напряжением термистора и производит выдачу сигнала при определенном уровне напряжения на термисторе. Такие схемы включения очень распространены в бытовых электроприборах.
Если термистор применяется в широком диапазоне температур, то необходимо компенсировать нелинейность с помощью резистивных сетей или с помощью микропроцессора после оцифровки сигнала.
Интегральные температурные датчики (IC)
В течении времени IC микросхемы переживали эволюцию и смогли избавится от многих присущих ранее недостатков и теперь они стали вполне конкурентоспособными с традиционными датчиками. Например, они преодолели свои недостатки в точности и рабочей температуре. Сегодня лучшие IC датчики способны работать в диапазоне от -55 0С до +200 0С и с точностью ±0,3%. Не последнюю роль играет и уменьшение их габаритных размеров – они стали значительно меньше.
Преобладающее большинство интегральных датчиков основывается на температурной чувствительности P-N перехода. Прямое напряжение на переходе изменяется линейно и обратно-пропорционально при изменении температуры с величиной примерно 2 мВ на градус Цельсия. Это может быть встроенный или внешний диод, или в случае интегрального датчика температуры – биполярный транзистор, подключенный как диод. Напряжение база – эмиттер (VBE) одного или нескольких транзистор и будет представлять собой термодатчик. Добавив некоторые компенсационные схемы и схемы развязки, на выходе получим генератор аналогового сигнала постоянного тока, пропорционального температуре.
Новые интегральные температурные датчики (IC) способны изменить подход к проектированию новых систем
Примером новых усовершенствованных датчиков IC может послужить LMT970 Texas Instruments. Он имеет диапазон температур от -55 0С до +150 0С и точность ± 0,05 0С (точность зависит от диапазона рабочих температур). Его габариты всего 0,9х0,9 мм и он может с легкостью заменить РДТ и термисторы в некоторых устройствах. Его аналоговое выходное напряжение обычно оцифровывается с помощью АЦП внутри сопутствующего микроконтроллера:
Новые IC датчики позволяют заменить более дорогие и более крупные традиционные датчики, которые требуют более сложных схем калибровки и развязки. Также новые IC датчики, благодаря своим техническим характеристикам и габаритам отлично подходят для проектирования новых систем.
Примером одного из новых проектов на таких микросхемах может послужить распределитель тепла (радиатор). Датчик устанавливается на радиатор и измеряет количество тепла отданного им для подсчета количества затраченной тепловой энергии на обогрев помещения или здания. Для вычисления потраченной энергии радиатора используют разницу между температурой самого радиатора и помещения, где он находится. Устройство может отправлять данные по беспроводной сети в специальные центры для подсчета окончательного расхода тепла. Это позволяет определить количество затраченной энергии на обогрев каждого пользователя при системе централизованного отопления. Эти системы довольно широко распространены в Европе и других странах, где используется централизованное отопление.
