03.07.2009

Измерение температуры

По причине неожиданной популярности, решил продолжить "температурную" тему.

Итак, что может предложить нам современная техника для измерения температуры?

1. Термопара

Принцип действия основан на эффекте Зеебека: обычно термопара состоит из двух разных металлов, имеющих две точки соприкосновения (спая). Если температуры точек спаев отличаются, возникает т.н. термоэдс, которую можно успешно измерять и, в конечном итоге, преобразовывать в значение температуры.

Термопары бывают разных типов (обычно обозначаются буквами – R, K, S и т.д.), в зависимости от пары металлов. Основной плюс – это широкий температурный диапазон: можно подобрать термопару для измерений как для сверхнизких - 200 °C, так и для довольно высоких 2000 °C значений температуры. Кроме того, их можно использовать в агрессивных средах, если это позволяют входящие в состав металлы.

Однако, для радиолюбительской практики они малоприменимы: существует масса погрешностей, с которыми надо бороться. Присутствует нелинейность. Наконец, точность будет хуже ±1 °C.

2. Термостат

Полное название звучит как "термометр сопротивления". Принцип действия основан на способности материалов изменять свою проводимость в зависимости от температуры. Чаще всего изготавливаются из металлической проволоки или пленки, и чем больше у нее температурный коэффициент сопротивления (ТКС), тем точнее получается результат. В обычных условиях точность лучше ±1 °C, в идеале возможно 0,001 °C.

Самая сильная сторона термостата – линейность отношения проводимости к температуре. Платиновый термостат обладает наиболее идеальной линейностью, хорошим ТКС, высоким удельным сопротивлением, широким диапазоном температур. Но... сами понимаете, как это сказывается на стоимости. Чуть лучше обстоит дело у меди, но у нее низкое удельное сопротивление, что увеличивает габариты датчика.

В радиолюбительской практике использовать, пожалуй, будет дороговато. Хотя, русские инженеры на моей памяти умудрялись использовать медную обмотку реле.

Иногда можно встретить упоминания о биметаллических термостатах серии KSD301 – к сожалению, они не имеют ничего общего с термометрами сопротивления. Их действие основано на свойствах биметаллической проволоки – способностью растягиваться при нагревании и сжиматься при охлаждении.



Элемент KSD301 – это исполнительное, а не измерительное устройство - термоконтакт, срабатывающий при достижении какой-либо температуры, а по остыванию возвращающийся в исходное положение.

3. Термистор

Принцип действия термистора аналогичен термостату, но изготовляются они из полупроводниковых материалов (спрессованные порошковые смеси окислов).

Термисторы обладают одним волшебным свойством – высоким удельным сопротивлением, благодаря чему можно убить двух-трех зайцев: уменьшить габариты и избавиться от погрешности проводов, получив высокую точность.



Вот только одна беда с ними: в отличие от термостатов, зависимость имеет нелинейный характер, поэтому измерять с их помощью температуры в широком диапазоне может оказаться проблематично :( Общий диапазон температур у этого класса устройств также ниже, чем у термостатов и термопар: от -50 °C до 300 °C.

Кстати, различают термисторы с отрицательным температурным коэффициентом ( при повышении температуры сопротивление снижается ) и с положительным – их часто называют позисторами.

Как правило, их используют в аналоговых схемах, выполняя предварительную калибровку. Например, для схемы регулятора оборотов вентилятора на ОУ, готовую схему соединяют с термистором, заранее нагретым до известной температуры, после чего производят подбор или регулировку "обычных" элементов (как правило, резисторов). На схеме термисторы обозначены таким символом:



Типичные примеры термисторов – ММТ-1, КМТ-4. Стоят недорого; в зависимости от типа, имеют погрешность от 10..20 %.

4. Аналоговый термодатчик

Будет точнее назвать этот класс приборов "интегральный датчик температуры" – ИДТ, которая, подобно термостату, имеет линейную характеристику зависимости напряжения на выходе от температуры. Обычно подразумевается микросхема малой степени интеграции.

Принцип действия ИДТ основан на том факте, что падение напряжение на p-n переходе транзистора линейно зависит от температуры.

Влияние температуры на транзистор – довольно неприятная проблема, частично ушедшая в прошлое c появлением микросхем. Размещая транзисторы на одном кристалле, производители микросхем автоматически добиваются одинаковых температурных условий для всех полупроводников, в то время как в прошлом конструкторам приходилось вводить специальные "общие" радиаторы для транзисторов или вообще искать другие решения. В данном случае, для получения линейной зависимости требуется компенсировать эффекты, связанные с током насыщения и разбросом начального падениея напряжения на p-n переходе. Для этого либо эмиттерные переходы делают разной площади, либо, напротив, соединяют одинаковые транзисторы в ячейку Борка.

Для нас это не особенно важно, главное – мы имеем в итоге прецизионный датчик, который остается подключить к аналого-цифровому преобразователю (а как мы знаем, Arduino от ATMEGA достался 1024-ступенчатый 6-канальный АЦП ), что дает возможность весьма точно измерять температуру, особенно если подвергнуть схему несложной калибровке.

Типичные примеры аналоговых датчиков в корпусе TO-92 – LM335 от National Semiconductor, TMP36 от Analog Devices:



Из минусов – надо учитывать падение напряжения на идущих к датчику проводах; требуется отдельный провод питания. Зато получается относительно дешево, можно объединять между собой параллельно (измерение минимальной температуры) или последовательно (измерение средней температуры).

Занятно, что существуют микросхемы АЦП со встроенным драйвером семисегментного дисплея – и тогда для реализации цифрового термометра МК вообще не нужен ;)

5. Цифровой термодатчик

В отличие от аналогового, такой датчик уже содержит встроенный АЦП и способен по команде производить измерение, а затем сообщать температуру в цифровом коде.

Типичный пример – DS18B20 производства MAXIM/DALLAS. Так сказать, мечта программиста – не требуется никакой калибровки, минимальная схема обвязки, возможность "паразитного питания", много датчиков может располагаться на одной шине (у каждого есть свой собственный уникальный код, программируемый при производстве).



За это придется расплатиться реализацией шины OneWire, не факт, что она поддерживается МК на аппаратном уровне (в ATmega ее точно не ищите; и не путайте с TwoWire – это разные вещи). Но ведь программистам только это и надо ;)

Цена у DS18B20, конечно же, выше LMZх39 или TMP3х, зато переводит часть проблем в сугубо программную область, предоставляя более широкие способы применения.

В следующих статьях по температурной теме постараюсь привести практические примеры работы как с аналоговыми, так и с цифровыми датчиками.

Ссылки по теме:
  • Сайт, полностью посвященный измерениям температуры - temperatures.ru
(в статье использованы материалы из Википедии - свободной энциклопедии)

4 комментария:

  1. Анонимный7 июля 2009 г., 18:09

    вот здорово!:) много нового,ждём десерт в виде практической части! :)подозреваю,что моя реализация градусника "в железе" на лм335з способна повеселить,как и "скетч" :)использую две ноги и два резистора на 1к и 27к

    ОтветитьУдалить
  2. Скажите пожалуйста, а термостат к Arduinoможноподцепить?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. А почему же нельзя?

      Мне как-то удалось "подцепить" к Arduino целую климатическую камеру с холодильной машиной, тэном, вентилятором и датчиками DS18B20.

      Правда, у меня были знатные помощники из фирмы Проммаш ;)

      Удалить