Jste zde

Teplotní čidla v praxi – 5. díl

Jan Robenek, 28. Květen 2010 - 7:20
100_per.jpg

Pátým dílem završujeme českou verzi příručky Temperature Sensor Design Guide – Temperature Measurement Solutions for Silicon IC Temperature Sensor, Thermocouple, RTD and Thermistor-Based Applications, vydané společností Microchip.

Termočlánky (Thermocouples)

Při stanovení teploty pomocí termočlánků využíváme jejího vztahu vůči referenční teplotě, kterou můžeme snímat pomocí termistorů, RTD či integrovaných čidel. Široký teplotní rozsah termočlánků je pak předurčuje do spousty nevlídných prostředí. Termočlánky se obecně skládají ze dvou různých kovů („drátků“), spojených na dvou různých místech styku – jednom pro

  • měření teploty a dalším pro
  • referenci.

Teplotní rozdíl mezi dvěma přechody se pak (v souvislosti s měrným spojem) určí na základě měření napěťových změn, vznikajících na rozdílných materiálech. Pokud jde o technické parametry, ISA (Instrument Society of America) definuje několik komerčně dostupných typů termočlánků. Typy

  • E, J, K a T zastupují základní termočlánky (base-metal thermocouples),

určené k měření teploty přibližně od -200 °C až do 1 000 °C. Typy

  • S, R a B pak vytváří ušlechtilejší prvky (noble-metal thermocouples),

zvládající teplotní měření v rozmezí od cca -50 °C až do 2 000 °C.

Na připojeném obrázku vidíme, jak se dá s pomocí termočlánku dálkově měřit teplota. Připojení termočlánku přitom zajišťuje stíněný kabel, podepřený EMI filtry. Vstupním linkám je pak ještě přes velké rezistory vnucováno kladné a také záporné napájení. Struktura si tak může zároveň ohlídat poruchový stav, vzniklý v důsledku přerušení termočlánku.

Příklad konkrétního zapojení s termočlánkem

Na čestnou pozici operačního zesilovače s téměř nulovým driftem (auto-zeroed) byla zvolena struktura

  • TC913A,

které dopomáhá její

  • malý napěťový offset 15 μV (max.) a také
  • vysoké CMRR (Common Mode Rejection Ratio) 116 dB (typ.).

Zesilovače, označované jako Auto-zero a Chopper, se pro zapojení s termočlánky jeví jako dobrá volba. Důvodem je jejich malý napěťový offset a také CMRR. Kompenzaci studeného konce pak zajišťuje integrovaný teplotní senzor

  • TC1047A,

osazený přímo na desce plošného spoje.

Základní vlastnosti termočlánku

  • „Samonapájení“
  • Teplotní rozsah -270 °C až 1 750 °C
  • Podpora dálkového snímání
  • „Blbuvzdorné“ (Robust) čidlo

Některé aplikace s termočlánky

  • Kamna, sporáky, plotny, pece
  • Motory
  • Termoelektrické baterie

Integrovaná čidla pro kompenzaci studeného konce

  • Analogový teplotní snímač TC1047A
  • 12bitový teplotní senzor se sériovým výstupem MCP9800

RTD (RTDs)

Odporová teplotní čidla, známá také pod zkratkou RTD (Resistive Temperature Detectors), řadíme v souvislosti s měřením teploty mezi precizní prvky, zejména kvůli jejich

  • vynikající opakovatelnosti měření a také
  • stabilitě.

S pomocí RTD získají vývojáři absolutní výsledky, které bývají s teplotou docela lineární. Lineární spojitost mezi odporem RTD prvku a teplotou pak zjednodušuje návrh podpůrných signálových obvodů. Na přiloženém obrázku A vidíme možnost jednoduchého přizpůsobení žádanému teplotně – frekvenčnímu rozsahu. Pro dosažení vysoké přesnosti pak budeme potřebovat buď

  • precizní struktury s malým driftem nebo vymyslíme nějakou
  • kalibraci.

Dle obrázku B zase upotřebíme pull-up a pull-down rezistory, budící RTD prvek, včetně operačního zesilovače TC913A, zpracovávajícího malé napěťové změny, odpovídající měřené teplotě.

Příklad obvodu pro měření teploty s RTD prvky

Základní vlastnosti RTD

  • Vynikající přesnost se skvělou linearitou
  • Různá zapouzdření
  • Drátové provedení nebo tenký film

Některé aplikace s RTD

  • Přístrojová (průmyslová) technika
  • Měřiče rychlosti větru, využívající tepelného drátu
  • Laboratorní měřidla

Doporučené obvody

  • TC913A/B – Operační zesilovače typu Auto-zero
  • TC7650/2 – Operační zesilovače, které prakticky odstraňují chybu napěťového offsetu (Chopper Stabilized)
  • MCP616/7/8/9 – Bi-CMOSové operační zesilovače Micropower
  • MCP6021/2/4 – Operační zesilovače se šířkou pásma 10 MHz
  • MCP6041/2/3/4 – 600 nA operační zesilovače se vstupy a výstupy typu Rail-to-Rail
  • MCP6541/2/3/4 – Komparátory s odběrem pod 1 μA (Sub-Microamp) a výstupem typu Push-Pull
  • MCP6S21/2/6/7 – Single-ended PGA (Programmable Gain Amplifiers) s malým zesílením a vstupy / výstupy typu Rail-to-Rail

Termistory – teplotně citlivé odpory (Thermistors – Thermally Sensitive Resistors)

Termistory se vyrábí z polovodičových materiálů a mohou vykazovat buď

  • kladný (PTC) nebo také
  • záporný (NTC)

teplotní koeficient.

Nicméně, pro snímání teploty se běžně využívá právě NTC varianta.

Mezi výhody termistorů řadíme

  • velmi vysokou citlivost vůči změnám teploty (při pokojové teplotě 25 °C mohou mít odezvu až -100 Ω/°C),
  • rychlou odezvu nebo
  • nízkou cenu.

Celé kráse však přitěžuje základní nedostatek v podobě

  • změny odporu s teplotou, která bude při teplotách pod 0 °C, resp. větších než 70 °C dosti nelineární.

Na připojené grafice můžeme vidět tradiční zesilovač s pevným ziskem, určený ke spolupráci s termistorem. Pomocí referenčního rezistoru R1 a termistoru Rt vyrábíme jednoduchý napěťový dělič, živený ze zdroje stálého napětí Vref. Výstup napěťového děliče Vth pak přímo odráží danou teplotu. Celou odezvu vidíme vpravo na grafu, zobrazujícím závislost výstupního napětí na teplotě. Jak můžeme vidět, v teplotním rozsahu od 0 až do 70 °C bude celkem lineární, ale pokud nepřidáme další podpůrné struktury, žádné zázraky v souvislosti s přesností nečekejme.

Tradiční zesilovač s pevným ziskem, určený pro zapojení s termistory (jen mám určité pochybnosti o velikosti kondenzátoru C1)

Na dalším obrázku zase vidíme možnost výhodného nasazení PGA zesilovače. Porovnejme tedy vynesené strmosti výstupního napětí Vout pro tradiční zapojení a variantu s PGA. Strmost Vout pro zapojení s PGA a teploty nad 35 °C odpovídá min. 30 mV, takže vystačíme jen s 9bitovým A/D převodníkem. Abychom však dosáhli srovnatelného rozlišení teploty i v případě napěťového děliče a jednotkového zesílení, budeme muset použít 11bitové nebo ještě větší rozlišení A/D převodníku. Rozlišení obvodů s termistory přitom hraje důležitou úlohu v mnoha aplikacích, např. při spouštění shutdownu během přehřívání.

Základní vlastnosti termistorů

  • Nízká cena
  • Dvoudrátové měření
  • Rozmanitost pouzder

Některé aplikace s termistory

  • Nabíjení baterií
  • Napájecí zdroje
  • Kompenzace studeného konce (viz termočlánky)

Rozhraní termistoru, řešené pomocí PGA

Zbývající část dokumentu, kterou již nezahrnujeme do našeho překladu, pak už jen tvoří přehled

  • aplikačních poznámek,
  • demonstračních a vývojových kitů,
  • dostupných čipů a
  • něco málo doplňujících informací včetně kontaktů.

Související odkazy na hw.cz:

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

Hodnocení článku: