Мостовая схема включения датчиков с компенсацией температуры работа датчика

Обновлено: 15.05.2024

Температура относится к наиболее часто контролируемому физическому параметру, который можно измерить с помощью разных типов датчиков. Самые распространенные из них — термопары, резистивные детекторы температуры RTD (Resistance Temperature Detector) и NTC-термисторы (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления).

RTD, или резистивные детекторы температуры — терморезистивные датчики температуры, работающие при прохождении через них электрического тока. Чаще всего используются в мостовых схемах. Самые стабильные и линейные датчики такого типа изготавливаются из платины, поэтому платиновые RTD прочно заняли свое почетное место в качестве международного эталона. Платиновые датчики температуры имеют более высокую стоимость по сравнению с термопарами и термисторами.

NTC-термисторы имеют самую высокую чувствительность к измеряемой температуре, однако линейность их передаточной характеристики часто далека от желаемой. Основные свойства и некоторые параметры температурных датчиков для удобства сравнения сведены в таблицу 1.

Диапазон температур, °С

Реакция на изменение температуры

Чувствительность в конечной точке

* RTD (Resistance Temperature Detector) — резисторный детектор температуры.

Texas Instruments выпускает специализированные микросхемы для коррекции нелинейности характеристики и усиления сигналов датчиков. Основные параметры микросхем для этих целей, рекомендуемые производителем, показаны в таблице 2.

Табл. 2. Параметры микросхем Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков

Тип активации датчика

Двухпроводные передатчики 4…20мА

Нормализатор и усилитель сигнала RTD* (100 Ом) с линеаризацией

Усилитель сигнала мостового датчика с линеаризацией

Усилитель сигнала RTD (10 Ом… 10 кОм), 6-канальный мультиплексор, линеаризация, внешняя EEPROM для калибровки

Усилитель сигнала RTD (1 кОм) с линеаризацией

Усилитель сигнала RTD (10 кОм) с линеаризацией

Преобразователь тока датчика в стандартные уровни токовой петли 4.. 20 мА (коэффициентусиления задается внешним резистором)

Vопор. = 5 В (от встроенного cтабилизатора)

Усилители и нормализаторы сигналов мостовых датчиков

Усилитель сигнала мостового датчика с линеаризацией; выходной сигнал — напряжение; 1-/2-проводный интерфейс

2,5 В; 4,096 В или Uпит.

(0,05…4,9)В при Vпит. = 5 В

Усилитель сигнала мостового датчика с однополярным питанием, программируемым усилением и Auto-Zero

(0,1…VmiT.-0,1B) при Iвых = 4 мА

Драйверы-преобразователи напряжение/ток и ток/напряжение

Преобразователь напряжение/ток с выбором входных и выходных диапазонов

0…20 мА; 4…20 мА; 5…20 мА

Преобразователь напряжение/ток с выбором входных и выходных диапазонов; встроенный стабилизатор напряжения

Vопор. oт встроенного стабилизатора (3… 15 В)

Драйвер-преобразователь ток/напряжение (возможность выбора типа выхода — ток или напряжение)

Приемник токовой петли 4…20 мА

*RTD (Resistance Temperature Detector) — резистивный детектор температуры.

Несмотря на очень широкое использование цифровых сетей, аналоговые каналы передачи информации до сих пор не утратили своей актуальности. В системах промышленной автоматики аналоговые каналы передачи данных используют многие исполнительные устройства (насосы, клапаны) и регистрирующие устройства, например самописцы. Замена этого оборудования требует огромных средств. Полный быстрый перевод такого оборудования на цифровое управление практически невозможен, т.к. потребуется полная остановка всего технологического процесса, что в большинстве случаев недопустимо. Часто в этом и нет острой необходимости, поэтому аналоговая передача данных еще долго будет мирно сосуществовать вместе с цифровыми интерфейсами.

Во многих случаях невозможно разместить схему усиления и коррекции нелинейности датчика в непосредственной близости от самого чувствительного элемента. Это может быть связано с необходимостью размещения датчика в агрессивной среде или при очень высоких температурах (см. табл. 1 с диапазонами измерения температуры). Кроме того, сами соединительные проводники могут вносить недопустимую погрешность измерения физического параметра, что особенно заметно при низкоомном источнике сигнала. Более длинные проводники гораздо чувствительнее к наводкам (нередко поблизости находится частотный инвертор, который может создавать проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью).

Для снижения отрицательного влияния соединительных проводников, как это ни странно, необходимо увеличивать количество соединительных линий. Наиболее распространенные варианты включения — схемы из двух, трех или четырех соединительных проводников между датчиком и измерительной схемой. Типовые схемы таких вариантов включения показаны на рисунке 1 (в качестве примера взята микросхема XTR108).

При двухпроводной схеме подключения резистивного датчика может появиться недопустимая ошибка измерения, поэтому такая схема применяется только при очень короткой длине соединительных проводников. Кроме того, в этой схеме часто невозможно обойтись без RC-фильтра для подавления помех. Резистор RZ необходим для более точного обеспечения равенства протекающих токов через RTD и RZ.

Трехпроводная схема подключения резистивного датчика позволяет существенно уменьшить ошибку измерения благодаря выбору встроенным мультиплексором оптимального значения резистора из пяти возможных (RZ1, RZ2, RZ3, RZ4 или RZ5). Выбор определенного резистора для конкретной температуры позволяет минимизировать ошибку измерения и обеспечить высокую точность в широком диапазоне рабочих температур. Однако для достижения высокой точности трехпроводная схема требует практически идеального равенства сопротивлений проводников.

Добиться еще более высокой точности и стабильности измерений позволяет четырехпроводная схема включения резистивного датчика (см. нижнюю схему на рис. 1). На входе микросхемы XTR108 добавлен прецизионный операционный усилитель OPA277 (можно, конечно, использовать и другие современные ОУ с еще более высокими параметрами напряжения смещения, дрейфа и коэффициента ослабления синфазного сигнала). ОУ также компенсирует разницу суммарных сопротивлений в каждой линии. Четырехпроводная схема практически полностью исключает влияние соединительных проводников на точность измерения.

Некоторые современные мостовые датчики состоят из чувствительного элемента и интегрированной схемы усиления и обработки сигнала, но такие функционально законченные датчики измеряют физические величины в относительно узких пределах и обычно в неагрессивных средах. Эти ограничения вынуждают размещать электронную схему обработки отдельно от чувствительного элемента. Мостовой датчик характеризуется чувствительностью, диапазоном выходного сигнала, нелинейностью, температурным дрейфом, начальным смещением выходного сигнала и другими параметрами, влияющими на точность измерения. Наиболее популярны мостовые датчики на основе полупроводниковых резисторов. Для многих приложений, где необходима высокая точность измерения, необходима обязательная коррекция характеристики мостового сенсора. Типовые передаточные характеристики мостового чувствительного элемента представлены на рисунке 2. В верхней части этого рисунка показаны нескорректированная характеристика датчика и скорректированная кривая с помощью микросхемы XTR106. Коррекция нелинейности позволила уменьшить неравномерность коэффициента передачи датчика до 20 раз (см. зеленую кривую в верхней части рис. 2). Датчик может иметь положительную или отрицательную нелинейность. Средняя и нижняя части рисунка 2 иллюстрируют положительную и отрицательную нелинейность мостового датчика при нормированных воздействиях на чувствительный элемент.

Кроме коррекции нелинейности для достижения высокой точности измерений в широком диапазоне температур необходимо вводить температурную компенсацию мостового чувствительного элемента. Температурный дрейф нуля и выходного диапазона мостовых датчиков с полупроводниковыми резисторами настолько значителен, что обязательно приходится вводить дополнительные резисторы. На рисунке 3 для этой цели служат резисторы R1 и R2. В документации производителя для микросхем серии XTR1xx приведен подробный расчет для выбора номиналов электронных компонентов для достижения необходимой точности измерения.

Рис. 3. Термокомпенсация мостового чувствительного элемента с помощью микросхемы XTR106 и дополнительных резисторов R1 и R2

В некоторых случаях приходится останавливать выбор на низкоомных мостовых датчиках, имеющих лучшие параметры по стабильности характеристик и точности измерения. Напряжение и ток активации задаются встроенными генераторами тока или стабилизаторами напряжения микросхем серии XTR1xx. Например, для микросхемы XTR106 при формируемом опорном напряжении 5 В целесообразно задать ток через мостовой датчик не более 1 мА. На рисунке 4 приведена схема включения для мостового датчика с сопротивлением 350 Ом и током активации через него 700 мкА от источника напряжения 5 В. В этом случае приходится последовательно с датчиком включать внешние токоограничивающие резисторы 3.4 кОм. По этой причине выходной сигнал с мостового чувствительного элемента резко уменьшается, из-за чего приходится устанавливать дополнительные ОУ, например OPA2277, с коэффициентом усиления каждого усилителя около 50. Схема подключения мостового низкоомного датчика приведена на рисунке 4.

Рис. 5. Организация аналоговой линии передачи с гальванической развязкой с помощью изолирующего усилителя

Термопара (термоэлектрический преобразователь) — один из самых распространенных датчиков температуры. Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматических системах управления и контроля благодаря своей простоте, низкой цене и возможности работы в широком диапазоне температур при высокой надежности. Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов с разными термоэлектрическими свойствами. Спаянное соединение проводников для подключения измерительной схемы называют рабочим спаем. Именно он размещается в измеряемой среде.

Свободные концы проводников (холодный спай) подключаются ко входу измерительной схемы. Если температуры холодного и рабочего спаев отличаются, то термопара вырабатывает термоЭДС, пропорциональную разности температур спаев. ТермоЭДС зависит только от материалов термоэлектродов и разности температур между спаями. Для получения корректных измерений необходимо учитывать температуру холодного спая. Датчиком его температуры обычно служит полупроводниковый диод, который располагается в непосредственной близости от клеммной колодки для коммутации выводов термопары и соединительных проводников с измерительной схемой. Основные параметры и материалы (или сплавы) термоэлектродов наиболее распространенных термопар приведены в таблице 3.

Обозна чение по стандарту ANSI

Диапазон измеряемых температур (°С)

платина (87% Pt) — родий (13% Rh)

платина (90% Pt) — родий (10% Rh)

платина (70% Pt) — родий (30% Rh)

платина (94% Pt) — родий (6% Rh)

никросил (Nicrosil = Ni-Cr-Si)

нисил (Nisil = Ni-Si-Mg)

вольфрам (95% W) — рений (5% Re)

вольфрам (80% W) — рений (20% Re)

В таблице 3 представлены обозначения термопар по американскому стандарту ANSI (American National Standards Institute) и по ГОСТ соответственно. Материалы термоэлектродов у некоторых термопар изготовлены из сплавов двух или более металлов. Минимальная температура, измеряемая термопарами, составляет –270°С, максимальная температура достигает 2200°С и более (до 2300°С) при кратковременном режиме измерения. Термопары гораздо более линейны, чем многие другие датчики. Нелинейность термопар очень хорошо изучена и подробно описана в специальной литературе. Термопары вырабатывают термоЭДС в диапазоне от мкВ до мВ, но для высокой точности измерения необходимо обеспечить высокую стабильность усиления схемы нормализации сигнала. Вольт-температурные характеристики широкораспространенных термопар показаны на рисунке 6.

Наилучшей линейностью обладают термопары типа K (ТХА). Они предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Термопары тип N (ТНН) имеют высокую стабильность термоЭДС (по сравнению с термопарами типов K, R и S) и обладают высокой стойкостью к окислению электродов, что очень важно при работе в агрессивных средах. Термопары A-1, A-2 (отечественное наименование ТВР) имеют самую высокую рабочую температуру измерений 2200°С (2300°С при кратковременном режиме) в неокислительных средах. Они устойчиво работают в азоте, гелии, аргоне, водороде.
На рисунке 7 приведена схема усиления сигнала термопары типа K, рекомендуемая компанией Texas Instruments. Диод 1N4148 служит для измерения и компенсации температуры холодного спая термоэлектрического преобразователя.

Одно из решений для нормализации сигналов датчиков давления или веса с очень высокой точностью — применение усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA или Programmable Gain Amplifier) PGA308 и PGA309. В этих микросхемах аналоговый тракт передачи имеет цифровую коррекцию усиления и напряжения смещения для корректировки температурной погрешности мостового датчика. Цифровая коррекция исключает необходимость применения потенциометров и ручной подстройки датчика. Усиление и смещение в PGA308 и PGA309 изменяется в соответствии с измеренной температурой окружающей среды и запрограммированными характеристиками чувствительного элемента. Для рабочего диапазона температур датчика для конкретных значений температуры рассчитываются необходимые коэффициенты усиления, которые хранятся в энергонезависимой памяти. Для PGA309 требуется внешняя микросхема энергонезависимой памяти. Новые программируемые усилители PGA308 имеют встроенные банки памяти для хранения температурных коэффициентов.

Главная составная часть микросхем PGA308 и PGA309 — программируемый инструментальный усилитель на входе с автоматической коррекцией нуля (Auto-Zero PGA). Усилители имеет грубую и точную подстройку напряжения смещения для компенсации начального сдвига выходного напряжения мостового чувствительного элемента. Дополнительная регулировка усиления осуществляется с помощью встроенных ЦАП. Благодаря такому решению удается оптимальным образом согласовать выходной диапазон мостового датчика с полной выходной шкалой всех каскадов усиления. Встроенная схема измерения температуры обеспечивает контроль внутренней температуры кристалла микросхем. Необходимо отметить, что измерение температуры с помощью встроенного температурного датчика не всегда обеспечивает желаемую точность из-за ощутимой разницы температур кристалла и окружающей среды. На точность измерения может влиять и инерционность температурных измерений из-за высокого температурного сопротивления между кристаллом усилителя и окружающей средой. В процессе эксплуатации происходит считывание значений температуры, по результатам которых в соответствующие регистры микросхем записываются требуемые температурные коэффициенты, по которым устанавливаются оптимальные коэффициенты усиления и напряжения смещения. Микросхемы PGA309 и PGA308 имеют автомобильный диапазон рабочих температур –40…125°С.

На рисунке 9 показана структурная схема нового более точного программируемого усилителя PGA309. Микросхема выпускается в корпусе TSSOP-16.
Для этих микросхем PGA309 и PGA308 производитель выпускает отладочные наборы PGA309EVM-EU (EU — версия для Европы) и PGA308EVM, соответственно.

Все приборы, в которых используются проводники, требуют соблюдения определенного температурного режима. Очень часто, при повышении тока и напряжения, такие устройства перестают работать. Для того, чтобы избежать неприятных ситуаций, существует схема датчика температуры, применяемая в составе многих электронных приборов и устройств.

Использование термодатчика

Основной функцией датчика является своевременное обнаружение отклонений от температурного режима. При наступлении критического перегрева, термодатчик подает световой сигнал. Действие прибора основано на сравнении нормального напряжения с повышенным напряжением, возникающим при увеличении температуры.

Устройство оборудовано инвертирующим входом, соединенным через анод с кремниевым диодом, непосредственно выполняющим функцию термодатчика. Кроме того, здесь имеется неинвертирующий вход, подключенный к переменному резистору. Он предназначен для установки температурного порога, когда происходит срабатывание сигнализатора.

В случае изменения температуры в сторону увеличения, происходит падение напряжения на диоде. В этом случае, значение температурного коэффициента сопротивления будет отрицательным. Физические свойства датчика позволяют обнаруживать даже незначительные колебания температуры.

Дополнительные компоненты и схема датчика

Кроме основных диодных устройств, схема датчика температуры включает в себя ряд дополнительных элементов. Прежде всего, это конденсатор, позволяющий защитить прибор от посторонних влияний. Дело в том, что операционный усилитель обладает повышенной чувствительностью на воздействие переменных электромагнитных полей. Конденсатор снимает эту зависимость с помощью наведения отрицательной обратной связи.

При участии транзистора и стабилитрона образуется опорное стабилизированное напряжение. Здесь используются резисторы с повышенным классом точности при низком значении температурного коэффициента сопротивления. Тем самым, вся схема приобретает дополнительную стабильность. В случае возможных значительных изменений температурного режима, прецизионные резисторы можно не применять. Они используются только для контроля небольших перегревов.

При расположении датчика на дальнем расстоянии от сигнализатора, они должны соединяться между собой двухжильным экранированным проводом. При этом, выводы датчика не должны касаться металлических частей устройства, находящегося под контролем.

Кроме основных диодных устройств, схема датчика температуры включает в себя ряд дополнительных элементов. Использование термодатчика

Датчик температуры

Зависимость падения напряжения на p-n переходе от температуры было замечено сразу после создания самого этого перехода. Это свойство полупроводников используется в электронных термометрах, датчиках температуры, термореле и т.д.

Простейшим датчиком температуры является p-n переход кремниевого диода, температурный коэффициент напряжения, которого равен, примерно, 3 мВ/°C, а прямое падение напряжения находится в районе 0,7В. Работать с таким маленьким напряжением неудобно, поэтому в качестве термозависимого элемента лучше использовать p-n переходы транзистора, добавив к нему базовый делитель напряжения. Полученный двухполюсник обладает свойствами цепочки диодов, т.е. падение напряжения на нем можно устанавливать намного больше, чем 0,7В. Зависит оно от соотношения базовых резисторов R1 и R2 см. рис. 1.

Терморегулятор для вентилятора.

Схема датчика температуры

В этой статье мы обсудим различные типы датчиков температуры и возможность их использования в каждом конкретном случае. Температура – это физический параметр, который измеряется в градусах. Она является важнейшей частью любого измерительного процесса. К областям требующим точных измерений температуры относится медицина, биологические исследования, электроника, исследования различных материалов, и тепловых характеристик электротехнической продукции. Устройство, используемое для измерения количества тепловой энергии, позволяющее нам обнаружить физические изменения температуры известно как датчик температуры. Они бывают цифровые и аналоговые.

Основные типы датчиков

В целом, существует два методы получения данных:

1. Контактный. Контактные датчики температуры находятся в физическом контакте с объектом или веществом. Они могут быть использованы для измерения температуры твердых тел, жидкостей или газов.

2. Бесконтактный. Бесконтактные датчики температуры производят обнаружение температуры, перехватывая часть инфракрасной энергии, излучаемой объектом или веществом и чувствуя его интенсивность. Они могут быть использованы для измерения температуры только в твердых телах и жидкостях. Измерять температуру газов они не в состоянии из-за их бесцветности (прозрачности).

Типы датчиков температуры

Есть много различных типов датчиков температуры. От простых контролирующих процесс вкл/выкл термостатического устройства, до сложных контролирующих системы водоснабжения, с функцией её нагрева применяемых в процессах выращивания растений. Два основных типа датчиков, контактные и бесконтактные далее подразделяются на резистивные, датчики напряжения и электромеханические датчики. Три наиболее часто используемых датчика температуры это:

Термисторы
Термопреобразователи сопротивления
Термопары

Эти датчики температуры отличаются друг от друга с точки зрения эксплуатационных параметров.

Термистор – это чувствительный резистор, изменяющий свое физическое сопротивление с изменением температуры. Как правило, термисторы изготавливаются из керамического полупроводникового материала, такого как кобальт, марганец или оксид никеля и покрываются стеклом. Они представляют собой небольшие плоские герметичные диски, которые сравнительно быстрое реагируют на любые изменения температуры.

За счет полупроводниковых свойств материала, термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), т.е. сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Однако, есть также термисторы, с положительным температурным коэффициентом (ПТК), их сопротивление возрастает с увеличением температуры.

График работы термистора

Большая скорость реагирования на изменения температуры, точность.
Низкая стоимость.
Более высокое сопротивление в диапазоне от 2,000 до 10,000 ом.
Гораздо более высокая чувствительность (

200 ом/°C) в пределах ограниченного диапазона температур до 300°C.

Зависимости сопротивления от температуры

Зависимость сопротивления от температуры выражается следующим уравнением:

где A, B, C – это константы (предоставляются условиями расчёта), R – сопротивление в Омах, T – температура в Кельвинах. Вы можете легко рассчитать изменение температуры от изменения сопротивления или наоборот.

Как использовать термистор?

Термисторы оцениваются по их резистивному значению при комнатной температуре (25°C). Термистор-это пассивное резистивное устройство, поэтому оно требует производства контроля текущего выходного напряжения. Как правило, они соединены последовательно с подходящими стабилизаторами, образующими делитель напряжения сети.

Пример: рассмотрим термистор с сопротивлением значение 2.2K при 25°C и 50 Ом при 80°C. Термистор подключен последовательно с 1 ком резистором через 5 В питание.

Следовательно, его выходное напряжение может быть рассчитано следующим образом:

При 25°C, RNTC = 2200 Ом;

При 80°C, RNTC = 50 Ом;

Однако, важно отметить, что при комнатной температуре стандартные значения сопротивлений различны для различных термисторов, так как они являются нелинейными. Термистор имеет экспоненциальное изменение температуры, а следовательно-бета постоянную, которую используют, чтобы вычислить его сопротивление для заданной температуры. Выходное напряжение на резисторе и температура линейно связаны.

Резистивные датчики температуры

Температурно-резистивные датчики (термопреобразователи сопротивления) изготовлены из редких металлов, например платины, чье электрическое сопротивление изменяется от соответственно изменению температуры.

Резистивный детектор температуры имеет положительный температурный коэффициент и в отличие от термисторов, обеспечивает высокую точность измерения температуры. Однако, у них слабая чувствительность. Pt100 являются наиболее широко доступным датчиком со стандартным значение сопротивления 100 Ом при 0°C. Основным недостатком является высокая стоимость.

Преимущества таких датчиков

Широкий диапазон температур от -200 до 650°C
Обеспечивают высокий выход по току падения
Более линейны по сравнению с термопарами и термосопротивлениями

Наиболее часто используются датчики температуры-термопары, потому что они точны, работают в широком диапазоне температур от -200°C до 2000°C, и стоят сравнительно недорого. Термопара с проводом и штепсельной вилкой на фото далее:

Термопара изготовляется из двух разнородных металлов, сваренных вместе, что даёт эффект разности потенциалов от температуры. От разницы температур между двумя спаями, образуется напряжение, которое используется для измерения температуры. Разность напряжений между двумя спаями называется “эффект Зеебека”.

Если оба соединения имеют одинаковую температуру, потенциал различия в разных соединениях равен нулю, т.е. V1 = V2. Однако, если спаи имеют разную температуру, выходное напряжение относительно разности температур между двумя спаями будет равно их разности V1 – V2.

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, виброустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и другие.

Схема датчика температуры В этой статье мы обсудим различные типы датчиков температуры и возможность их использования в каждом конкретном случае. Температура – это физический параметр, который

Температурный датчик

Принципиальная электрическая схема температурного датчика общего применения приведена на рис. 4.2. Электронная часть температурного датчика включает в свой состав входные и выходные цепи, сетевой понижающий трансформатор питания 77, выпрямительное устройство и устройство сравнения. Работает температурный датчик от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Подключается датчик к сети с помощью электрического соединителя XL На входе установлен плавкий предохранитель F1, защищающий датчик от коротких замыканий и перегрузок во входных цепях. Включение и выключение электронного датчика осуществляются с помощью однополюсного переключателя SI и контролируются неоновой лампочкой HI тлеющего разряда.

Сетевой понижающий трансформатор 77 изготавливается на шихтованном броневом магнитопроводе типа Ш или УШ. Активная площадь поперечного сечения стали магнитопровода должна быть выбрана в пределах от 3 до 5 см 2 . В устройстве можно использовать унифицированный трансформатор кадровой развертки

Рис. 4.2. Схема 1емпера iурного датчика общею применения.

типа ТВК с перемоткой вторичной обмотки на выходное напряжение 12 В. Сетевой трансформатор обеспечивает расчетный уровень выпрямленного напряжения постоянного тока, трансформирует высокое напряжение сети в низкое переменное напряжение, что создает более безопасные условия эксплуатации, а также обеспечивает полную гальваническую развязку вторичных цепей электронного датчика температуры от первичной сети переменного тока.

Выпрямитель собран на четырех выпрямительных диодах VDI—VD4 по однофазной двухполупериодной мостовой схеме, которая характеризуется повышенной частотой пульсаций выпрямленного выходного напряжения, пониженным обратным напряжением на комплекте выпрямительных диодов и более полным использованием габаритной мощности сетевого трансформатора. На выходе выпрямителя действует постоянное напряжение 12 В. Работает выпрямитель на емкостный фильтр, собранный на конденсаторе С/ и сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения. Основным элементом температурного датчика является терморезистор R2 с нелинейной вольт-амперной характеристикой, отличительной особенностью которого является резко выраженная зависимость электрического сопротивления от температуры, напряжения, магнитного поля и других факторов. Терморезисторы с положительным и отрицательным температурными коэффициентами сопротивления используются в системах дистанционного и централизованного измерения и регулирования температур, противопожарной сигнализации, теплового контроля и защиты электронных устройств, в системах температурной компенсации ряда элементов электрических цепей и контуров, в частности для термокомпенсации кварцевых резонаторов и генераторов, используются для стабилизации режимов транзисторных каскадов, для измерения мощности, а также в качестве дистанционных бесконтактных переменных резисторов, ограничителей и предохранителей, реле времени, стабилизаторов напряжения, применяются в cxeivax размагничивания масок цветных кинескопов и др.

Активный элемент схемы датчика — терморезистор — реагирует на окружающую температуру изменением своего сопротивления. Как только температура достигает определенной заданной величины, схема срабатывает, включая электромагнитное реле /С/, которое через свои контакты подает соответствующие команды на исполнительные механизмы, например на включение электромагнитов. С помощью переменного резистора R4 можно регулировать температуру срабатывания температурного датчика в пределах от 0 до 40 °С.

При изготовлении температурного датчика использованы следующие комплектующие ЭРЭ: транзисторы VT1 типа МП25, VT2 — МП37Б; терморезистор R2 типа MMT-4; конденсатор С/ типа K50-6-16B-200 мкФ; выпрямительные диоды VD1—VD4 типа Д105А; резисторы R1 типа ВСа-2-200 кОм, R3 — ВСа-0,5-2 кОм, R4 — СП-Н-1Вт-А-2 кОм, R5 — ВСа-0,5-10 кОм, R6 — ВСа-0;5-22 кОм, R7 — ВСа-0,5-2 кОм, R8 — ВСа-0,5-20 Ом, R9 — ВСа-0,5-1,6 кОм; реле электромагнитное К1 типа РЭС-10 (паспорт PC4.524.302).

Область применения датчика может быть расширена, если использовать его на садово-огородном участке в пристенных и пленочных теплицах, а также для определения весенних заморозков.

Первичная обмотка сетевого трансформатора 77 содержит 3120 витков провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм, вторичная обмотка — 179 витков провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.

Техническая характеристика температурного датчика общего применения

Номинальное напряжение питающей сети

Номинальная частота питающей сети

Пределы изменения напряжения питающей сети

Пределы изменения частоты питающей сети

Коэффициент нелинейных искажений питающей сети

Напряжение переменного тока на вторичной обмотке

Выпрямленное напряжение постоянного тока,

питающее электронную часть датчика, В …….. 12

Температура регулирования, при которой

Погрешность измерения на краях •

Потребление тока в ждущем режиме, мА, не более . .4 Габаритная мощность сетевого понижающего

Сидоров И. Н. С34 Самодельные электронные устройства для дома: Справочник домашнего мастера.— СПб.: Лениздат, 1996.- 352 е.. ил.

Принципиальная электрическая схема температурного датчика общего применения приведена на рис. 4.2. Электронная часть температурного датчика включает в свой

Схема датчика температуры на основе транзистора

При измерении температуры высокая точность обычно не требуется, особенно когда речь идет только о фиксации превышения заданного порогового значения. Это относится, в частности, к схемам термической защиты, которыми оснащены устройства определенного класса. Долгое время в таких схемах использовались электромеханические датчики температуры, однако в настоящее время разработчики все чаще применяют электронные компоненты, необязательно специализированные. Измерить температуру можно и с помощью обычного транзистора, как это сделано в схеме на рис. 1.

Рис. 1. Измеритель температуры на транзисторном датчике

Собственно датчиком служит переход база-эмиттер первого транзистора, так как при нагревании напряжение на переходе существенно изменяется. Два других транзистора нужны для усиления снимаемого с датчика напряжения и для его преобразования в логический сигнал, который переключается при достижении заданной температуры (обычно 80-100 °С). В данном устройстве необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между датчиком и радиатором, как и в случае монтажа охлаждаемых компонентов. Однако на этом контакте должно соблюдаться условие полной электрической изоляции во избежание сбоев логического сигнала.

Введение

Метод измерения неизвестного электрического сопротивления посредством моста Уитстона весьма популярен и положен в основу различных технологий промышленных датчиков. Наиболее известны из них датчики механических деформаций, объединяющие датчики давления, веса или силы.

Датчики механических деформаций широко применяются в промышленности.

Актуальным примером являются тензометрические измерения на основе металлических тензорезисторов, которые способны изменять свое сопротивление при изменении длины. Важнейшим современным применением тензодатчиков являются электронные весы, пересчитывающие посредством микроконтроллера предварительно оцифрованное напряжение с измерительной диагонали моста.

Популярная разновидность резистивных преобразователей — пьезорезисторы, проявляющие чувствительность электрического сопротивления к механическому напряжению вследствие пьезорезистивного эффекта в металле или полупроводниках. Этот тип преобразователей широко используется для измерения давления, веса, механического напряжения, упругой и неупругой деформации — обычно с помощью моста Уитстона. Полупроводниковые пьезорезисторы чувствительны к малым механическим напряжениям и весьма широко используются как датчики, чувствительные к небольшим давлениям или воздействиям.

Базовая архитектура выглядит так, как показано на рис. 1а. В пьезорезистивном датчике давления, например, на одной монолитной стеклянной подложке располагается несколько полупроводниковых пьезорезисторов, чувствительных к давлению, электрически соединенных в типовую измерительную схему, которой является мост Уитстона (рис. 1б). Питание моста осуществляется от входов +IN и –IN, +OUT и –OUT представляют собой сигнальные, или измерительные выходы моста.

Рис. 1. Типичные полупроводниковые пьезорезистивные датчики: а) базовая архитектура; б) мост Уитстона

Под действием приложенной механической нагрузки каждый полупроводник на подложке — резистивный чувствительный элемент — изменяет свое сопротивление, что регистрируется на сигнальных выходах моста. На рис. 1б показана так называемая полномостовая схема, в которой все четыре резистора чувствительны к механической деформации.

На практике выполнение мостовых измерений в датчиках является далеко не таким простым, каким может показаться ассоциируемый с рис. 1б базовый измерительный принцип моста Уитстона (измерение неизвестного сопротивления при трех известных).

Мостовые измерительные методы в современных датчиках требуют внимания к таким аспектам мостовых измерений, как балансировка, калибровка и температурная компенсация, вследствие чего мостовые схемы содержат дополнительные резисторы и другие внешние компоненты вплоть до микроконтроллеров, а алгоритмы измерений включают более одного этапа.

Интеллектуальные датчики незаменимы в современной и будущей промышленной автоматизации и решают задачи не только оцифровки и цифровой обработки (пересчет данных в весах), но и коррекции первичных мостовых данных. Имеются в виду требования компенсации смещения, регулировки чувствительности (усиления) вместе с температурной компенсацией. Пьезорезистивные интеллектуальные датчики позволяют с высокой точностью не только измерять статическое распределение воздействия механических нагрузок по сенсорной поверхности, но и регистрировать их динамику (изменение во времени).

При этом современный рынок формирует потребность одновременно как в высокоточных (и более сложных), так и в миниатюрных, маломощных и высокоскоростных датчиках, обладающих высокими рабочими характеристиками и предъявляющих минимальные требования при интеграции в клиентскую систему.

Всем этим объясняется появление на рынке ряда предложений специализированных микросхем, выполняющих весьма сложную обработку выходного сигнала мостовых датчиков. Выдающимся примером могут послужить микросхемы на основе инновационной технологии PICOSTRAIN компании Acam. В этой статье читателям предлагается общий обзор современных решений Acam для автоматизации на основе технологии PICOSTRAIN с пьезорезистивными датчиками, где сделан акцент на отличия и преимущества по сравнению с обычными электронными схемами. Но для более наглядной демонстрации функций, отличий и преимуществ технологии PICOSTRAIN сначала рассмотрим ряд важных вопросов, касающихся теории и практики применения моста Уитстона для промышленных измерений.

Общие вопросы применения моста Уитстона в датчиках

Мост Уитстона был изобретен в 1833 году С. Кристи, а впоследствии исследовался Чарльзом Уитстоном и был назван его именем. Базовый измерительный принцип основан на том факте, что при четырех одинаковых сопротивлениях в каждом плече или при равном соотношении сопротивлений плеч двух делителей напряжения, питаемых от того же источника (тока или напряжения), выход на измерительной диагонали моста будет равняться нулю. Такой мост является сбалансированным. Тогда при трех известных сопротивлениях сбалансированного моста можно определять четвертое неизвестное. При включении его в мост это сопротивление вызовет разбаланс моста, и, добиваясь его балансировки подбором добавочного сопротивления к резистору в смежном плече делителя напряжения, можно определить неизвестное сопротивление.

В датчиках практически используется тот факт, что при разбалансировке моста под влиянием внешнего воздействия по величине изменения электрического сопротивления моста можно определить величину внешнего воздействия. Например, при механической деформации датчиков возникает механическое напряжение. Поэтому сенсорная часть таких мостовых датчиков в виде моста Уитстона должна включать либо одно чувствительное к механическому напряжению сопротивление (четвертьмостовая схема), либо два переменных сопротивления (полумостовая схема), или все четыре (в полномостовой схеме) резистора чувствительны к механическому напряжению (а в других типах датчиков — к иному виду воздействия, например магнитному полю или температуре).

Базовый вариант измерительного моста в современных датчиках фактически не применяется или встречается весьма редко. Промышленным стандартом для использования моста Уитстона в датчиках физических величин стала полномостовая схема, которая обеспечивает в четыре раза более высокую чувствительность, чем в схеме с одним переменным резистором, и нативную линейность. Полумостовая схема с двумя активными резисторами обеспечивает удвоенную чувствительность и встречается часто. Также для некоторых типов датчиков допускается использование одиночных резисторов, делителей напряжения, одного или двух полумостов, но мостовым схемам традиционно отдается предпочтение.

Независимо от выбора типа мостовой схемы стандартным этапом измерения неизвестного сопротивления является предварительная балансировка, или обнуление моста, соответствующее нулевому сигнальному выходу на измерительной диагонали при взаимной компенсации сопротивлений двух параллельно подключенных полумостов, включая измеряемое сопротивление. Для этого сопротивление в диагонально противоположном плече второго вертикального полумоста подгоняется до достижения нулевого выхода напряжения, и этот процесс может быть ручным (выполняется вручную) или автоматическим (выполняется сервоприводом и программой). Процесс балансировки моста можно осуществлять при производстве датчика или непосредственно в рабочих условиях, во втором случае это гарантирует максимальную адаптацию к ним.

Автоматический способ балансировки моста, несомненно, более интересен по сравнению с ручным для применения в современной промышленности ввиду общей тенденции по автоматизации процессов и не зависит от типа производимых измерений.

Автоматизированный метод дает более высокую производительность, скорость работы — при высокой точности, также являющейся ключевым требованием современной промышленности.

Кроме автоматического способа балансировки, интересно применение несбалансированных мостов, когда измеряемую величину определяют сразу по показаниям измерительного прибора без предварительной балансировки. Но этот тип мостов менее точен даже теоретически, поэтому для данного метода проблемы повышения точности только усугубляются.

Современные датчики и электроника допускают высокую точность (мгновенные измерения), но нуждаются в компенсации смещения, температурного дрейфа смещения, регулировки чувствительности (коэффициента усиления) и температурного дрейфа. Подобные проблемы решаются посредством калибровки, или установления зависимости между выходом и действительным значением измеряемой величины и процесса подстройки показаний выходной величины. Для минимизации смещения, например, используется подстройка смещения с помощью подстроечных резисторов или метод потенциометра. Можно также удалять смещение не аппаратными методами, а программными.

Проблемы температурной компенсации также решаются добавлением внешних резисторов и датчика температуры. Сопротивление мостового датчика напряжения изменяется в соответствии с приложенным напряжением, но полупроводниковый материал также способен изменять свое сопротивление под действием температуры. Поэтому производители датчиков механических напряжений компенсируют тепловое расширение материала, но удалить его полностью невозможно, для этого используются схемотехнические средства. В частности, два резистора в полумостовой схеме позволяют уменьшить влияние температуры.

Отдельный вопрос — устранение влияния сопротивления проводов, которым в обычных условиях можно пренебречь. Но эта проблема становится существенной как с повышением температуры, так и в удаленных измерениях. Для минимизации влияния проводов применяется трехпроводная схема, а в удаленных схемах осуществляется компенсация переменного сопротивления проводов не только по цепи выхода, но и питания.

Схемы питания, усиления, фильтрация (при работе в зашумленном окружении), калибровка чувствительности (калибровка шунта) — следующие важные факторы, влияющие на обеспечение точности мостовых измерений. Но более подробно в рамках этой статьи мы говорить о них не будем. Вопросам усовершенствования мостовых измерений для практического использования в датчиках уделено много внимания в специальной литературе; теория и практика мостовых измерений хорошо проработана. В настоящее время разработчикам доступен ряд специализированных микросхем, полностью отвечающих за подключение моста и обработку сигнальных данных, включая балансировку, калибровку, температурную компенсацию и использование для коррекции, пересчета и индикации измеренных величин микроконтроллеров с АЦП и интеллектуальных алгоритмов.

В настоящее время рыночные требования к датчикам еще более повышаются, в особенности — в плане точности, энергопотребления, функциональной и системной интеграции вплоть до уровня SoC с минимальным числом внешних компонентов и полностью цифровым выходом.

Современным и инновационным предложением в ответ на рыночный спрос в высокотехнологичных решениях является технология PICOSTRAIN, разработанная компанией Acam. В основе этого решения — преобразование электрического сопротивления в код при использовании метода измерения отношений временных интервалов. Преобразователи на основе технологии PICOSTRAIN уже применяются для тензометрических датчиков, используемых в электронных весах, и перспективны для применения в пьезорезистивных датчиках.

По сравнению с существующими преобразователями для пьезорезистивных датчиков метод PICOSTRAIN обеспечивает ряд важных преимуществ. Недавним достижением компании стало, в частности, то, что даже механика процесса температурной компенсации датчика может быть упрощена.

Инновационная технология PICOSTRAIN Acam . Принцип и преимущества

О компании

С момента основания в 1996 году компания Acam Messelectronic GmbH (Германия) занимается разработкой и производством решений и концепций измерительной техники, основанных на измерениях временных интервалов в пикосекундном диапазоне [1, 2].

Компания Acam разработала ряд цифровых CMOS-преобразователей, основанных на технологии время-цифровых преобразователей и адаптированных к измерениям скорости вращения, емкости и сопротивления. Новые семейства получили наименования PICOTURN, PICOSTRAIN и PICOCAP, которые отражают пикосекундный уровень разрешения и точности, достижимый посредством этого измерительного принципа.

Кубок KARDUX, которым была награждена Acam за создание микросхемы PS02, члена семейства PICOSTRAIN, показывает особую значимость инновационных технологий и продуктов компании. Преимущества PS02, включая очень низкое энергопотребление, высокую точность и широкий измерительный диапазон, дополняются конкурентным ценообразованием.

Важнейшей стратегией компании является широкое внедрение своих оригинальных цифровых измерительных методов как более эффективных по сравнению с традиционными аналоговыми методами. Измерительный метод PICOSTRAIN — уникальное инновационное предложение от Acam для мостовых датчиков, заслуживающее особого внимания.

Технология PICOSTRAIN

Принцип измерения PICOSTRAIN демонстрирует новый подход к измерениям посредством датчиков механических деформаций. В отличие от обычной конфигурации моста Уитстона, в которой изменение сопротивления переводится в изменение напряжения, с помощью метода PICOSTRAIN можно проводить высокоточные измерения интервалов времени. Для этого резисторы датчиков соединяются с конденсатором, образуя при этом фильтр низких частот.

Микросхемы PICOSTRAIN не включают каких-либо аналоговых компонентов и позволяют обойтись без них, это полностью цифровые схемы.

Измерение электрического сопротивления осуществляется посредством измерения времени разряда конденсатора (рис. 2).

Рис. 2. Измерительный принцип ВЦП в основе технологии PICOSTRAIN:
а) временная диаграмма;
б) схема подключения ВЦП к мостовому датчику

Вначале конденсатор заряжается до уровня напряжения питания, а затем разряжается при протекании тока через резисторы мостового датчика. Время разряда до установленного уровня триггера измеряется с очень высокой точностью при помощи ВЦП. Типовое время разряда находится в диапазоне 100 мкс. Типичное разрешение одного измерения модулем ВЦП составляет 20 пс. При использовании метода не нужен полный мост, достаточно полумоста. Полумост получает питание напрямую от схемы. Поэтому нет необходимости в организации отдельного электропитания тензодатчика, и опорное напряжение здесь также не требуется. Вследствие импульсного характера измерений метод PICOSTRAIN позволяет легко контролировать ток всей системы и значительно снижать его потребление по сравнению с традиционными системами с АЦП.

Процесс измерения повторяется в определенном порядке очередности с обоими резисторами полумоста, при этом используются одни и те же конденсатор и компаратор. Вычисление соотношения результатов позволяет исключать из результата абсолютные значения и температурную зависимость конденсатора и компаратора. Дополнительные запатентованные схемы и алгоритмы компенсируют ошибки, и в частности, влияние внутреннего сопротивления драйверов выхода (R_dson) и времени задержки компаратора. Результат отличается высокой точностью и стабильностью практически без ошибок усиления. В одно измерение входят восемь циклов заряда-разряда, что позволяет решить задачу компенсации.

Запатентованные методы, которые используются при подключении резисторных мостов и обработке данных, открывают путь к уровням точности, сравнимым с точностью 24‑битных АЦП. В отношении регулировки дрейфов смещения, усиления метод PICOSTRAIN также выигрывает по сравнению с применением традиционных АЦП. Продукты PICOSTRAIN предназначены для измерения сопротивлений датчиков механических напряжений. Но самым выдающимся свойством PICOSTRAIN разработчики считают очень низкое потребление мощности всей измерительной системы сенсоры-преобразователь-система. Потребление тока микросхем серии PICOSTRAIN — порядка мкА. Поэтому измерения с приборами PICOSTRAIN перспективны для автономных беспроводных устройств для долговременной передачи данных с надежным питанием от простых батареек малого размера или солнечных батарей.

Используя технологию TDC, Acam заявила о создании нового стандарта в дизайне и технологии мостовых датчиков со следующими преимуществами:

Отсутствие необходимости в разработке цепи питания датчиков.
Отсутствие необходимости в полномостовой схеме, достаточно двух резисторов в полумостовой конфигурации.
Снижение тока потребления чувствительных элементов и общего системного потребления до нескольких мкА.
Легкая температурная компенсация.
Отсутствие опорного напряжения.
Гибкость в отношении частоты обновления, точности и потребления тока.
Широкий температурный диапазон.

Технологию PICOSTRAIN можно применять в следующих устройствах:

Датчики механических деформаций.
Датчики силы.
Датчики давления.
Ключи с регулируемым крутящим моментом.
Цифровые датчики нагрузки.
Весы для взвешивания тела человека (солнечные и батарейные).
Кухонные весы (солнечные и батарейные).
Торговые весы.

Продуктовая линия серии PICOSTRAIN

На данный момент серия PICOSTRAIN объединяет три кристалла — PS09, PS081 и PS021, первые два — PS09 и PS081 — представляют собой решения, рекомендованные для новых разработок. Основные параметры и отличия этих микросхем представлены в таблице.

Таблица. Основные технические характеристики кристаллов PICOSTRAIN