Датчик температуры является составной частью любой промышленной системы контроля. В статье описывается, как создать систему прецизионного измерения температуры с помощью термодатчиков, диодов, термисторов и термопар. Мы обсудим, на что следует обратить внимание, проектируя такую систему.
Прежде всего, для реализации возможности эффективного и точного измерения температуры следует выбрать правильные датчики, а также схемы формирования сигнала и его оцифровки. Прежде чем перейти к рассмотрению системы измерения температуры, давайте рассмотрим преимущества и недостатки каждого из часто употребляемых температурных датчиков.
Термопары
Для измерения температуры с помощью термопары используются два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства. В результате разных температур между точкой соединения (горячим спаем) и другими точками (холодным спаем) возникает ЭДС, которую можно измерить с помощью соответствующей цепи. На рисунке 1 показана схема термопары.
| Рис. 1. Исходная схема термопары |
 |
Фактическое напряжение, генерируемое термопарой, зависит от температуры и типа металлов, входящих в состав этого устройства. Диапазоны чувствительности и рабочей температуры термопары также зависят от сплавов, которые классифицируются следующим образом: тип В (платина/родий), тип J (железо/константан) и тип К (хромель/алюмель). Тип термопары выбирается с учетом требований конкретного приложения.
К основным преимуществам термопары относятся ее прочность, широкий диапазон рабочей температуры (–270…3 000°С), быстрое срабатывание, исполнение в нескольких типах корпусов и низкая стоимость. К числу недостатков можно отнести невысокую точность и большой шум.
Термодатчики
Работа термодатчика основана на принципе изменения электрического сопротивления металла при изменении его температуры. Каждый металл однозначно характеризуется собственным удельным сопротивлением, которое прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально поперечной площади его сечения.
Выбор металла для создания термодатчика определяет точность измерения температуры. В термодатчиках используются платина, никель или медь, причем с помощью платины достигаются наиболее точные и надежные измерения. Изготовленные из нее датчики также менее восприимчивы загрязнению окружающей среды, что влияет на их стабильность и воспроизводимость измерений. Широкий температурный диапазон (–250…900°С), высокая точность и линейная характеристика — главные преимущества термодатчиков. К числу их ограничений можно отнести высокую стоимость и медленное срабатывание.
Термисторы
Как и термодатчики, термисторы работают по тому же принципу изменения сопротивления с температурой. Однако у термисторов, как правило, отрицательный температурный коэффициент. Основным преимуществом термисторов является их низкая стоимость и достаточно хорошая точность, а недостатком — небольшой температурный диапазон и нелинейность. Однако учитывая, что многие современные микроконтроллеры оснащены встроенной флэш-памятью, для частичной компенсации этого недостатка используется справочная таблица. При измерении температуры в диапазоне –100…300°С термисторы обеспечивают надежные и точные показания.
Системы измерения температуры
Во всех системах контроля температуры датчик преобразует ее в электрический сигнал, который затем формируется и поступает в АЦП. Системе также требуются внешние устройства связи для интерфейса с другими системами и обеспечения обратной связи, а также встроенная флэш-память для регистрации полученных значений и дисплей. На рисунке 2 представлена базовая блок-схема системы измерения температуры.
| Рис. 2. Блок-схема системы измерения температуры |
 |
Несмотря на то, что на рисунке 2 сигнал подвергается обработке перед АЦП, может понадобиться его последующая обработка в зависимости от того, какая система — аналоговая или цифровая. Суммарная точность зависит от шума, напряжения смещения и отклонения коэффициента усиления от идеального значения из-за цепи предварительной обработки сигнала и АЦП. В системах промышленной автоматизации используется сбор данных о температуре с удаленных узлов в реальном времени. Эти системы поддерживают протоколы последовательной связи UART и I2C для передачи данных в главный контроллер.
Повышение точности термопары
Термопары наиболее широко применяются в системах промышленной автоматизации за счет очень большого диапазона рабочих температур. При этом предполагается, что температура холодного спая в точности равна 0°С. Однако в реальных приложениях такая температура недостижима. Для точного измерения требуется метод компенсации холодного спая.
В этом методе система для точного измерения температуры оснащается дополнительным термодатчиком, который устанавливается на точку холодного спая. Наиболее часто применяемым датчиком в таких случаях является термистор, т.к. у него низкая стоимость и достаточно широкий диапазон рабочих температур. Для измерения напряжения с помощью этого метода прежде всего определяется температура холодного спая, а затем — ЭДС термопары. Суммарная величина ЭДС и напряжения холодного спая определяет соответствующую искомую температуру.
По той причине, что ЭДС термопары составляет всего несколько микровольт, измерения с ее помощью чувствительны к шуму. Кроме того, прежде чем сигнал поступит в АЦП, его необходимо усилить, за счет чего возникают шум и напряжение смещения. Чтобы устранить НЧ-шум и смещение на этапе формирования сигнала, в прецизионном измерении используется метод коррелированной двойной дискретизации (Correlated Double Sampling, CDS).
АЦП работает как НЧ-фильтр, отсекая ВЧ-шум. Однако фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) на выходе АЦП позволит далее ослабить шум в полосе пропускания АЦП. Предлагаемые на рынке контроллеры смешанного сигнала оснащены цифровыми фильтрами, которые выполняют фильтрацию аппаратными, а не программными методами и не требуют поддержки ЦП. На рисунке 3 показана схема системы контроля температуры на основе термопары с использованием устройств PSoC3 и PSoC5 от компании Cypress Semiconductors. Эти устройства оснащены встроенным 20-разрядным АЦП DelSig, буфером с программируемым усилением и блоком цифрового фильтра (DFB). Данная измерительная система обладает высокой степенью интеграции, однако ей может понадобиться дополнительный каскад усиления на основе имеющейся в схеме термопары. Эта функция обеспечивается инструментальным усилителем, который реализуется с помощью встроенных усилителей с программируемым усилением (PGA).
Точное измерение температуры в системах промышленного контроля
В системе (см. рис. 3) аналоговые мультиплексоры AMuxCDS и AMuxCDS_1 используются для переключения положительного входа АЦП между отрицательным и положительным выводами выходного сигнала датчика для реализации метода CDS. Возникает вопрос, как установить ноль шкалы для обеих цепей датчика, если используется один и тот же АЦП. У термистора и термопары разные диапазоны рабочего напряжения и, следовательно, им требуется разное усиление. АЦП в устройствах PSoC3 и PSoC5 имеет несколько конфигураций, которые можно изменять в процессе эксплуатации. При разных параметрах усиления смещение разное. Требуется, чтобы метод CDS был реализован для обеих цепей датчика, чтобы устранить смещение во всей цепочке аналогового сигнала. Мультиплексор AMux используется для выбора датчика между термопарой и термистором. DMA считывает значение АЦП и записывает его в блок цифровой фильтрации (DFB) для последующей фильтрации шума.
| Рис. 3. Измерительная система с использованием термопары |
 |
Термодатчики и термисторы
Измерение температуры с помощью термодатчика и термистора требует измерения сопротивления, способ которого определяет точность системы. Для прецизионного измерения сигнала необходимо использовать дифференциальные входы, которые устраняют синфазный шум и обеспечивают чувствительность порядка мкВ (несимметричные входы позволяют добиться чувствительности величиной в несколько мВ). Рассмотрим два способа подключения вывода «–» АЦП в дифференциальном режиме (см. рис. 4).
| Рис. 4. Два разных способа подключения вывода «–» |
  |
Схема, показанная в правой части рисунка 4, лучше схемы слева. Сигнал на вывод «–» в правой схеме непосредственно подается с резисторного делителя. Цепь справа уменьшает шум в измеренном сигнале и ошибки, связанные с определенным сопротивлением проводников платы и проводов.
Система измерения температуры на основе термистора представляет собой расширенную комбинацию схем, представленных на рисунках 3 и 4. Рассмотрим измерительную систему с использованием термодатчика. Падение напряжения на нем измеряется, что и на термисторе, тем же способом, известном под названием двухпроводного метода. Если термодатчик и измерительная система соединены с помощью достаточно длинного кабеля, его сопротивление становится главным источником ошибки измерения. Она возникает в том случае, если в качестве схемы возбуждения применяется источник напряжения. На рисунке 5 показана разница между методами 2- и 4-проводного измерения.
| Рис. 5. Схемы 2- и 4-проводного соединения |
  |
В 2-проводной схеме сопротивление термодатчика (Rтд) измеряется в соответствии с уравнением (1). Однако видно, что существует и другое сопротивление — Rпр, которое приводит к ошибке измерений:
Rтд = (Rоп + Rпр)∙(V2 – V1)/(V – V2) (1)
С другой стороны, сопротивление Rтд в 4-проводной схеме измерения определяется уравнением (2). Поскольку у измерительной системы очень высокий входной импеданс, по ней не протекает ток и потому наличие последовательных сопротивлений между каскадами резисторного делителя и измерительной системой никак не сказывается на точности измерений. Уравнение (2) получается путем приравнивания тока, протекающего через Rоп и сопротивление Rтд:
Rтд = Rоп ∙ (V2 – V1)/(V4 – V3) (2)
Исходя из этих уравнений, можно сделать вывод, что точность измерений зависит от точности измерения Rоп. Чтобы решить эту проблему, термодатчики возбуждаются с помощью источника постоянного тока, а не напряжения. При этом падение напряжения на Rтд зависит только от его сопротивления и величины постоянного тока. Однако точность измерений с использованием источника постоянного тока зависит от его точности. Для прецизионных измерений ток ЦАП должен быть откалиброван. На рисунке 6 показана возможная схема измерительной системы на основе термодатчика и устройств PSoC3 и PSoC5. Эти устройства имеют встроенный источник тока, который устраняет необходимость в другой аналоговой цепи на базе операционного усилителя. Кроме того, эти устройства имеют встроенную цепь, с помощью которой выполняется калибровка IDAC.
 |
| Рис. 6. Измерительная система на основе Rтд |
Выводы
Для построения прецизионных систем измерения температуры необходимо учесть следующие соображения.
1. Каждое конкретное приложение диктует использование определенного датчика.
2. Метод коррелированной двойной дискретизации позволяет выполнить точные измерения с помощью датчика и избежать ошибок путем устранения НЧ-шума.
3. В системах на основе термопары для устранения шума используются фильтры.
4. Схема возбуждения током позволяет повысить точность системы, устранив из цепи неточно измеренное сопротивление Rоп.
5. При использовании источника напряжения в качестве схемы возбуждения необходима 4-проводная система измерений.
6. Суммарная точность системы определяется точностью и разрешением цепи сигнала. По этим причинам рекомендуется использовать дельта-сигма АЦП высокой точности и разрешения.
7. Для того чтобы при изменении требованиям к проекту не происходило ухудшение точности измерений, рекомендуется использовать комплект базовых схем обработки смешанных сигналов.
Блок измерения температуры является важной частью многих промышленных или встраиваемых систем. Мы обсудили вопросы прецизионного измерения и методы повышения точности, которые в равной мере можно применять и в других интерфейсах датчиковых цепей.
Литература
1. www.eetimes.com/design/industrial-control/4209829/Using-precision-temperature-sensing-in-industrial-monitoring-systems?cid=NL_IndustrialControl&Ecosystem=industrial-control.