Měření teploty rozhodně není něčím novým a jeden by tak mohl dojít k závěru, že zde již nebude moc prostoru ke zdokonalení.
Opravdu není co zlepšovat?
Velmi častá úloha s dobře popsanými metodami nicméně potrápí i po staletích a to zejména v případech, máme – li teplotu měřit s přesností větší než 0,5 nebo dokonce 0,1 °C. Termočlánky, RTD, termistory nebo obyčejné diody – převod elektrických signálů z těchto čidel na číslicové vyjádření předpokládá určité povědomí o chování senzorů, návrhu analogových obvodů, digitálních systémů a zapomínat nesmíme ani na potřebný firmware. Nebylo by proto pěkné mít jeden společný obvod, ke kterému všechna čidla prostě jen připojíme a zbytek necháme již na jeho algoritmech?
Ukažme si to na příkladu. O referenčních návrzích Analog Devices jsme psali již dříve např. v sérii článků Analog Devices a řešení pro IO. Od A až po D. Jedním z nich je též CN0271, Thermocouple Temperature Measurement System with Amplifier - Based Cold Junction Compensation. Netvrdíme, že je zlý, ale v porovnání s popisem, který rozvineme níže, bude prostě jiný. Vidíme to na obrázku, prostě kompletní, slušně navržený, odzkoušený a zadokumentovaný obvod pro zpracování signálu z termočlánku konkrétního typu s možností kompenzace jeho studeného konce, následovaný 16bitovým A/D převodníkem typu sigma-delta. Podporu termočlánkům typu K zde včetně ošetření jejich „studenější části“ zajišťuje zesilovač AD8495.
Referenční návrh z dílny Analog Devices cílí jen na jednu konkrétní aplikaci s daným typem senzoru
Je to sice podle všeho „a simple, low cost solution“, nicméně takových bude v celém návrhu hned několik, takže již vytváří celkem slušné schéma. Změna termočlánku za jiný typ? Ale ovšem, vyměňte vstupní zesilovač za další, vhodný a zkuste to znovu. Ale termistor?
Jeden pro všechny, všechny do jednoho
Svou listopadovou novinku z roku 2014 představil Linear Technology s velkou slávou. K jedinému integrovanému obvodu LTC2983 totiž připojíte všechna základní čidla teploty v nejrůznějších konfiguracích a tím to prakticky končí. Zbytek je know-how výrobce a 48 vývodů pouzdra o rozměrech 7 x 7 mm dobrý začátek.
V následujícím textu přehledně rozebereme praktické otázky precizního měření teploty s termočlánky, diodami, RTD a termistory. Každé čidlo má svá specifika, která musíme zohlednit. Budeme tak činit buď „na vlastní pěst“ nebo si do akce přizveme právě tuto strukturu - jednu pro všechny. Názorné obrázky, kdy všechny senzory zapojíme do jednoho obvodu, mluví za vše.
Nedalo nám to a porozhlédli jsme se též u konkurence. Vytipovali jsme několik horkých kandidátů, kteří by mohli řešit věci srovnatelným způsobem. Cross Reference ztroskotaly hned jako první, následované vyhledáváním klíčových slov. Když Vám pak z technické podpory odpoví, že k realizaci - náhradě všech základních funkcí bude nutné použít více různých čipů s tím či oním logem, zavětříte příležitost.
V případě potřeby se ještě „prokoušete“ příručkou znalých, kterou naleznete dole pod článkem, a hra může začít. Měření zdar, a to hned 24x, protože tolik se sešlo i bitů.
Termočlánek nebo jen kus drátu?
Termočlánky generují napětí jako funkci teplotního rozdílu mezi špičkou a elektrickým spojem na desce. Také zde bude vyžadováno přesné měření teploty související s kompenzací studeného konce. K tomuto účelu pak poslouží samostatné teplotní čidlo. Obvod LTC2983, kterému dnes věnujeme zvýšenou pozornost, na tomto místě umožňuje použít diody, RTD nebo termistory.
Typická chyba při měření teploty s obvodem LTC2983 a různými čidly
Na cestě mezi napěťovým výstupem termočlánku a údajem o teplotě se však setkáváme s polynomy až 14. stupně, které bude nutné řešit jak pro měřená napětí, tak též teplotu studeného konce. LTC2983 má podporu těchto operací naštěstí již vestavěnou a to pro všech osm běžných typů termočlánků (J, K, N, E, R, S, T a B). Pro speciální případy zde pak nechybí ani uživatelsky definovatelná tabulka.
Struktura souběžně měří obě teploty, provádí veškeré potřebné výpočty a stanovuje tak přesnou teplotu termočlánku ve °C.
Termočlánky: na co si dát pozor
Výstupní napětí termočlánku nebývá velké (< 100 mV), což klade vyšší požadavky na offset a šum použitého A/D převodníku. Absolutní čtení si zase bude žádat přesný zdroj referenčního napětí s minimálním driftem. LTC2983 v této věci nabídne nízkošumový, 24bitový A/D převodník typu delta-sigma s nepřetržitou kalibrací offsetu (offset a rušení < 1 μV) a referenci 10 ppm/°C max.
Otázky řešené při návrhu obvodů s termočlánky
Vystavíme – li hrot termočlánku teplotám nižším než na jeho studeném konci, můžeme se též dostat s výstupním napětím pod nulu. To již s sebou nese určité komplikace, např. potřebu zdroje záporného napájení nebo vstupní obvody pro posun úrovní. LTC2983 však může díky svému front - endu digitalizovat signály pod úrovní země s využitím jednoduchého napájení.
Měření s termočlánkem využívající diodu ke kompenzaci svého studeného konce
Precizní měření, to je též potlačení rušení, ochrana vstupu a samozřejmě antialiasingový filtr. Vstupní impedance obvodu bude vysoká s maximálním vstupním proudem méně než 1 nA, takže vnější ochranné rezistory spolu s filtračními kapacitami nemusí vnášet zbytečně velkou chybu. Zahrnuje vestavěný čislicový filtr s potlačením 75 dB nebo též 120 dB v pásmech 50 a 60 Hz.
Nedílnou součástí řady měřicích systémů s termočlánky bude i detekce poruchy v čele s přerušeným či odpojeným čidlem. V minulosti se k tomuto účelu na vstupu běžně používaly proudové zdroje nebo pull-up rezistory, což ovšem vedlo k přídavným chybám, dalšímu rušení a vzájemnému ovlivňování se vstupními ochrannými prvky.
Blokové schéma obvodu LTC2983 (Multi-Sensor High Accuracy Digital Temperature Measurement System)
LTC2983 jde na to jinak, protože termočlánek na případné přerušení kontroluje výhradně před měřicím cyklem, takže budicím proudem neovlivní přesnost měření. Jeho hlášení se ale vztahuje též k poruchám senzoru na studeném konci. Detekuje, hlásí a zotavuje se po elektrostatických výbojích (na HW.cz čtěte též Odolnost vůči elektrostatickému výboji aneb jak se pozná poctivá práce), které nejsou v průmyslových podmínkách s dlouhými přívody ničím neobvyklým. Rovněž se dozvídáme, zda je měřená teplota nad nebo pod předpokládaným rozsahem konkrétního senzoru.
Diody a dění na přechodu
Nestojí mnoho a např. na studeném konci termočlánku se s nimi setkáme docela často. Napětí ve funkci teploty a budicího proudu, nejlépe ze dvou dobře přizpůsobených proudových zdrojů se známým poměrem (na HW.cz čtěte též Fotodiodou může být každá, i LED. Naopak to nezkoušíme).
Prostá dioda jako čidlo teploty
LTC2983 k tomuto účelu využije architekturu delta-sigma s možností převzorkování. Nejen samotný přechod, ale také vývody součástky vedoucí k A/D převodníku vnáší nežádoucí vlivy. Náš obvod proto funguje v režimu se třemi měřicími proudy, kterými vliv parazitních odporů přívodů potlačuje. Kromě toho dokáže pracovat i s individuálním popisem „neidealit“ každé z diod. Absolutní měření napětí opět vnáší silnější požadavky na zdroj referenčního napětí a jeho drift.
Struktura automaticky generuje odstupňované proudy, měří z toho plynoucí úbytky na diodě, na základě stanovené odchylky od ideálního prvku počítá teplotu a na výstupu ještě stanovuje výsledek ve °C. Bude – li dioda přerušená, zkratovaná nebo špatně zapojená, LTC2983 to zjistí a nahlásí ve výstupním wordu s výsledkem převodu, příp. odpovídajícím výsledku měření termočlánku, slouží – li PN přechod ke kompenzaci jeho studeného konce.
RTD: tři písmena, stovky stupňů
Pod označením Resistive Temperature Detector si představíme teplotně závislé odporové prvky, jejichž pracovní rozsah bude skutečně široký, od -200 °C až do +850 °C. V sérii s RTD pak ještě bývá zapojen přesný snímací rezistor s nízkým driftem. Vzniklou síť budíme proudem a provádíme poměrová měření, z nichž lze stanovit velikost odporu RTD v ohmech. Vztah mezi odporem snímače a teplotou určuje lookup tabulka.
Návrh s RTD a jeho úskalí
Buzení automaticky obstarává obvod LTC2983, který pak dále souběžně měří úbytky na snímacím rezistoru a RTD, počítá odpor čidla a výsledek hlásí ve °C. Pracovat může s většinou typů RTD (PT-10, PT-50, PT-100, PT-200, PT-500, PT-1000 a NI-120), přičemž bude mít k dispozici vlastní koeficienty pro celou řadu standardů - americké, evropské, japonské a ITS-90.
Co se hlídá u RTD
Přehled principů el. měření teploty - 1. díl
- Zjišťování teploty je stále jednou z nejčastějších forem elektrického měření. Samotné její měření a převod na elektrický signál však lze provést mnoha různými způsoby. V prvním díle stručného přehledu principů měření teploty se podíváme na dotykové způsoby.
Přehled principů el. měření teploty - 2. díl (bezdotykové)
- Rychlé a bezpečné měření i vysokých teplot se zanedbatelným vlivem samotné měřicí techniky na měřený objekt. To jsou hlavní výhody bezkontaktního / bezdotykového měření teploty. Pojďme se stručně podívat na přehled nejčastěji používaných principů a provedení senzorů k tomu využívaných.
Ke zmiňovaným měřením dvojice RTD a snímacího rezistoru dříve stačil jediný převodník. Úbytek napětí na rezistoru posloužil jako referenční vstup A/D převodníku měřicího úbytek na RTD. Zapojení si žádalo velikosti rezistorů 10 k nebo ještě více, které musely být dále vhodně odděleny bufferem, aby se zamezilo nežádoucím poklesům způsobeným dynamickým odběrem referenčního vstupu převodníku.
Snímací rezistor zde hrál důležitou roli, takže oddělovací zesilovače musely mít malý offset, drift a také šum. S takto navrženou architekturou bylo dále obtížné střídat jednotlivé proudové zdroje pro vyloučení parazitních vlivů vzniklých termočlánků. A aby toho nebylo málo, referenční vstupy A/D převodníku typu delta-sigma jsou mnohem více náchylné na rušení než jeho signálové vstupy a malé velikosti referenčního napětí ještě mohou vést k nestabilitě.
Co s tím? Na tomto místě zapojíme třeba náš LTC2983 s přizpůsobenými, oddělenými a automaticky kalibrovanými převodníky, jedním pro vstup a dalším pro referenci. Necháme obvod souběžně měřit jak na RTD, tak snímacím rezistoru, počítat odpor RTD, pracovat s lookup tabulkou ROM a ve výsledku předložit naměřenou teplotu ve °C.
Odporový prvek zapojíme ve dvou, tří nebo čtyřdrátové konfiguraci, obvod se totiž jednoduše přizpůsobí každé z nich. Sdílet může jediný snímací rezistor mezi více RTD. Vstupy s vysokou impedancí dále umožní připojit mezi RTD a vstupy A/D převodníku vnější ochrany, které nebudou vnášet zbytečně velké chyby. Také zde můžeme automaticky střídat proudová buzení s cílem vyloučit vliv parazitních termočlánků. A konečně, bude – li mít na přesnost měření nežádoucí vliv parazitní odpor přívodů snímacího rezistoru, sáhneme po Kelvinovu vícesvorkovém připojení.
Způsob měření teploty s RTD a obvodem LTC2983
Také v tomto případě využijeme detekčních obvodů pro stanovení případného přerušení nebo zkratu RTD či rezistoru. Stejně tak bude struktura varovat v případě vybočení z limitů pro měřenou teplotu. Rozhodneme – li se RTD použít jako senzor ke studenému konci termočlánku, budou v akci současně hned tři A/D převodníky - jeden pro termočlánek, snímací rezistor a RTD. Selhání RTD se promítá do výsledků měření termočlánku a zjištěná teplota RTD zároveň automaticky slouží ke kompenzaci jeho studeného konce.
Termistory a jak na ně
Také u termistorů, které obvykle pracují v rozsahu -40 °C až +150 °C, se bude jejich odpor měnit s teplotou, na rozdíl od RTD však mnohem výrazněji. Rovněž zde budeme do série připojovat snímací rezistor, budit dělič proudem a realizovat s ním poměrová měření. Máme velikost v ohmech, kterou pak „přetvoříme“ na výslednou teplotu řešením Steinhart-Hartovy rovnice nebo přes tabulku.
Termistory a jejich úskalí při návrhu
Obvod LTC2983 také zde automaticky generuje budicí proud, měří úbytky souběžně na snímacím rezistoru a termistoru, stanovuje odpor termistoru a výsledek měření hlásí ve °C. Struktura sice pamatuje na koeficienty pro výpočet teploty standardních prvků 2,252 k, 3 k, 5 k, 10 k a 30 k, což však v praxi nemusí stačit. Máme proto možnost nadefinovat si svou vlastní tabulku (R vs T) nebo výsledek opřít o Steinhart-Hartovy koeficienty.
Termistory: na co se nezapomíná
Odpor termistoru se s teplotou mění docela výrazně. Kupříkladu prvek vykazující při pokojové teplotě odpor 10 kΩ se může v případě nejvyšší teploty dostat až na 100 Ω, resp. > 300 kΩ v případě opačného extrému - a to se další běžné termistory smí pohybovat i nad 1 MΩ.
Abychom mohli pracovat s takto velkými odpory termistoru a snímacího rezistoru, pouštíme do děliče velmi malé budicí proudy, které pak na spodním rozsahu znamenají též minimální signálové úrovně. K vyloučení vlivu vstupních dynamických proudů A/D převodníku na velkých odporech oddělujeme vstup spolu s referencí buffery. Ty však poblíž zemních úrovní nepracují bez souměrných napájení spolehlivě a také zde potřebujeme minimalizovat chybu offsetu / vliv rušení.
Měření teploty s termistorem připojeným k obvodu LTC2983
Naposledy se v tomto článku vracíme k novince Linear Technology LTC2983 s vícenásobnou architekturou A/D převodníků a soustavně kalibrovanými buffery schopnými zpracovat signály poblíž, na nebo dokonce pod zemní úrovní. Velké snímací rezistory naštěstí nejsou vyžadovány, takže RTD a termistory rozličných typů mohou sdílet jediný snímací prvek. Struktura si v závislosti na výstupním odporu termistoru může dále automaticky přizpůsobit rozsah buzení. Ani v tomto případě konečně nechybí ochranné prvky detekující přerušení nebo zkrat na děliči, resp. překročení měřené teploty. Pro kompenzaci studeného konce termočlánku termistorem pak platí totéž, co v případě RTD výše.
Sčítáme, podtrhujeme a (hlavně) měříme
V článku jsme postupně zmínili způsoby měření teploty s termočlánky, diodami, RTD a konečně i termistory, úskalí, která jednotlivé metody provází, a vše názorně ilustrovali na novince Linear Technology, obvodu LTC2983, se kterým bude jedno z nejčastějších měření v jeho precizní podobě zase o něco snazší a univerzálněji uchopitelné. Ze začátku třeba přes dostupné vývojové desky.
Přesné měření teploty, řešené univerzálně a s jediným obvodem
S každou ze čtyř verzí zapojení z obrázku budeme přímo digitalizovat signály ze tří- nebo tež čtyř-vodičového zapojení s RTD, termistorů nebo též termočlánků a to beze změny výchozího hardwarového řešení. Za současné softwarové konfigurace se bude každé z čidel dělit o tytéž čtyři vstupy A/D převodníku, spolu s nezbytnými obvody ochran nebo filtrů. Jediný snímací rezistor pro všechny a kompenzace studeného konce termočlánku, třeba s využitím obyčejné diody. Bude celkem 21 analogových vstupů dost i pro Vás? Nebo Vám při rozhodování pomůže spíše video?
Není pro všechny, zvládne ale vše
Ano, je univerzální a nepochybně též chytře vymyšlený na způsob „vše v jednom“. Nabízí nejen předchystané profily senzorů, ale pamatuje i na uživatelská řešení za hranicí běžných standardů RTD, termočlánků, termistorů a jejich tabulek. Prostě 24bitové převodníky s dobře přidanou hodnotou. Za vše krásné se ale platí, takže hromadu času ušetřeného ve vývoji zde zákonitě vyvážíme jinak, kupříkladu penězi.
DC2296A-KIT - Starter Kit for LTC2983 | LTC2983 Motherboard (DC2209) + 20-Input Breakout Board (DC2210) + Linduino One (DC2026). Zaplatíte za něj $195.00
Samostatné ADC sigma-delta sice nejsou zdarma, ale v tomto případě si výrobce při odběru 100 kusů a více cení jedno vyhotovení Multi-Sensor High Accuracy Digital Temperature Measurement System na $27.22 (ILX), resp. $23.67 (CLX), a stejnou politiku drží třeba i Farnell. „Výhodnost“, zejména pak v případě jednoúčelových návrhů s přesně danou konfigurací, si tak bude muset spočítat již každý sám. Třeba se pak znovu vrátí k úvodnímu referenčnímu řešení Analogu a bude spokojený.
Nám se však novinka líbí a máme zato, že rozhodování nebude jednoduché. Zvláště, když tu máme ještě LTC2984 s EEPROM.
Download a odkazy:
-
Domovská stránka Linear Technology: www.linear.com
- Stránky obvodu LTC2983: www.linear.com/product/LTC2983
- Temperature-to-Bits: One IC for All Sensor Types, 0.1°C Conformity
- Domovská stránka Analog Devices: www.analog.com
Komentáře
DS1820
Já už léta používám senzory DS1820, ty stojí kolen 20,-Kč a přesnost pod 0,5°C rozhodně udrží
Stránky