Измерительные преобразователи температуры
Возможно, наиболее увлекательной (и наиболее полезной) областью применения электроники являются сбор и использование данных о технологических процессах или при научных экспериментах. Вообще говоря, первичные преобразователи или датчики (устройства, с помощью которых некоторые физические величины, такие, например, как температура или светимость, преобразуются в напряжение или другие электрические сигналы) используются для получения сигналов, которые далее могут обрабатываться в электронных схемах, кодироваться с помощью АЦП, запоминаться и анализироваться компьютерами.
Если исследуемый сигнал настолько мал, что его маскируют шумы и помехи, то используются мощные методы выделения частот сигнала, такие, как «детектирование с захватом», усреднение сигналов, многоканальные счетчики, а также корреляционный и спектральный анализы, с помощью которых требуемый сигнал восстанавливается. В конце концов, результаты таких физических измерений можно использовать для внешнего управления самим экспериментом или для контроля процесса, который обычно обеспечивается небольшим компьютером или микропроцессором, предназначенным для такой задачи. Недавние достижения в развитии мощных и недорогих микропроцессоров привели к бурному проникновению электроники в область управления и регистрации хода процессов, что не имело прецедентов всего десять лет назад.
Иногда бывает, что величина, которую вы хотите измерить, сама по себе является электрической. Примером этому могут служить нервные импульсы (напряжение), проводимость морской воды (сопротивление), поток заряженных частиц (ток) и др. В этом случае измерения оказываются относительно прямыми, а основные трудности связаны с выбором типов измерительных электродов и возможностями обработки сигналов, которые удается получить. Здесь можно столкнуться либо с очень высоким импедансом (как, например, в случае с микроэлектродами), либо с очень слабыми сигналами (ток, возникающий при радиоактивном распаде).
На практике минимальное напряжение питания составляет 5В. На верхнем же краю диапазона напряжений источника питания при переключении возникает значительный ток режима класса А. Также отмечается большая склонность к внезапному выходу схемы из строя от всплесков напряжений в цепи источника питания. Эти КМОП-семейства являются довольно привлекательными в смысле производительности выходного каскада, а именно ток в 1 мА или меньше при напряжении питания 5 В. Серия 74С по электрическим параметрам эквивалентна серии 4000В, включая и диапазон напряжений источника питания, но с реализацией логических функций и расположением контактов, как у 74 серии ТТЛ.
Гораздо чаще требуются приборы, которые могут преобразовывать некоторые физические величины в соответствующие значения электрических сигналов. Сюда можно отнести, в частности, измерения температуры. Поступающие в продажу датчики температуры имеют очень хорошие характеристики. Это касается как диапазона измеряемой температуры, так и точности, воспроизводимости, универсальности кривых, а также габаритов и стоимости.
Термопары
Если соединить между собой два провода из различных металлов, то на их концах возникнет небольшая разность потенциалов (сопротивление такого источника при этом будет низким!), обычно порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ/°С. Такие соединения называют термопарами (см. «Типы термопар и их параметры»), и используются они для измерений температуры в широком диапазоне. Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от — 270 до + 2500 °C с хорошей точностью (0,5-2 °C). Термоэлектрические свойства различных сплавов хорошо известны, поэтому термопарные зонды в любом виде (щупы, прокладки, бронированные зонды и т. п.), изготовленные из одних и тех же сплавов, могут взаимозаменяться без дополнительной калибровки.
Классическая термопарная цепь приведена на рисунке.
Таблица 1. Основные свойства термопар
1) Долговечность термопары ухудшается при продолжительной работе вблизи максимальной температуры.
2) Опорный спай при 0°С
3) Для проводов длиной 60 см (для 24-го калибра величина умножается на 0,25).
Опорный («холодный») спай абсолютно необходим, иначе придется иметь дело с добавочными паразитными термопарами, возникающими в точках, где различные металлы соединяются с зажимами измерительного прибора. Эти лишние неконтролируемые термо-э.д.с. в схеме приводят к странным и неточным результатам. Даже при наличии двух термопар на клеммах все же имеют место термопарные соединения, но это редко вызывает осложнения, поскольку они одинаковы и находятся при той же температуре.
В термопарных схемах напряжение зависит от температуры обоих термосоединений. Грубо говоря, оно пропорционально разности температур между двумя спаями. На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами:
(а) Поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную 0 °C. Обычно для этого используют ванночку с тающим льдом. Но можно приобрести прекрасный небольшой стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу. Если измеряются очень высокие температуры, то можно не беспокоиться о тех небольших ошибках, которые возникают, если опорный спай будет находиться при комнатной температуре.
(б) Более современные методы заключаются в построении компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна 0°С.
На рисунке ниже показано, как это осуществляется.
Основная идея заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т. е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С). AD590 дает на выходе ток (в микроамперах), пропорциональный температуре (в кельвинах). R1 выбирается в соответствии с термоэлектрическим коэффициентом, в данном случае на этом резисторе 1 мкА/°С преобразуется в 51,5 мкВ/°С (см. таблицу1), а опорный трехполюсный источник AD580 (в комбинации с R2 и R3) используется для компенсации тока смещения 273 мкА при 0 °C (273,15 К), даваемого AD590. Таким образом, тока коррекции нет, если опорный спай находится при 0°С. Если же он имеет несколько другую температуру, то к собственному напряжению от пары спаев добавляется 51,5 мкВ/°С (термоэлектрический коэффициент соединения типа J при комнатной температуре).
Следует несколько слов сказать об измерительной схеме. Проблема усиления сигналов термопар связана с низким выходным напряжением (50 мкВ/°С или около этого), большими синфазными помехами промышленной частоты и радиочастотными наводками. Усилитель должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (50 Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление. Кроме того, его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (порядка 10 кОм или более), чтобы предотвратить ошибки от нагруженности датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление (например, выводы длиной ~1,5м соединения типа К 30-го калибра имеют сопротивление 30 Ом). Примером решения этой задачи может служить схема, приведенная на следующем рисунке.
Она представляет собой просто обычный дифференциальный усилитель с Т-образной цепью обратной связи, обеспечивающей высокое усиление по напряжению (в данном случае 200) и в то же время с достаточно большим входным сопротивлением таким, что сопротивление источника не создает заметной погрешности. Операционный усилитель представляет собой прецизионный усилитель, у которого дрейф составляет менее 1 мкВ/°С. Благодаря чему эта составляющая ошибки измерения много меньше 50 мкВ, эквивалентных погрешности в 1 °C. Благодаря входным шунтирующим конденсаторам ослабляются ВЧ-радиопомехи (термопары и их длинные соединительные линии могут вести себя подобно радиоантеннам). Поскольку в любом случае сигнал от термопары очень слаб, полезно дополнительно ограничить полосу, подключая параллельно сопротивлению обратной связи конденсатор, как показано на схеме. В случае возникновения больших трудностей, связанных с радиопомехами, может оказаться необходимым экранировать входные провода и добавить ВЧ-дроссели перед входными шунтирующими конденсаторами.
Заметим, что схема компенсации напряжения на опорном спае термопары подключена к выходной цепи в отличие от обычного способа компенсации напряжения холодного спая термопары на входе. Это сделано для того, чтобы сохранить точный дифференциальный баланс на входе и тем самым обеспечить высокое подавление синфазной помехи, присущее дифференциальному усилителю.
Так как усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 200, то на выходе схемы компенсации напряжение термо-э.д.с. усиливается до 200 х 51,5 мкВ/°С или 10,3 мВ/°С. Отметим, что для ОР-97Е входному току смещения 0,1 нА (макс.) сопутствует на входе ошибка 25 мкВ, которая вместе с Uсм = 25 мкВ (макс.) может быть сведена к нулю. Можно также использовать операционный усилитель 7652 типа модулятор-демодулятор со стабилизацией нуля (Uсм = 5 мкВ макс., Jсм = 40 нА макс.).
Вместо простого дифференциального усилителя можно использовать измерительный усилитель, показанный на рисунке:
в этом случае существенно улучшатся параметры смещения по постоянному току на входе.
Пользователи термопар должны знать, что фирма Analog Devices выпускает усилители сигналов термопар с компенсацией холодного спая AD594 (тип J) и AD595 (тип К). Эти монолитные устройства обладают всем необходимым (включая опорную точку льда) для получения выходного напряжения пропорционального температуре и даже программируемую тройную точку для термопарного входа. Наилучшие из них имеют точность (без подстройки) +1 °C при комнатной температуре и +3 °C при -25 °C и при +75 °C. Фирма Linear Technology изготовляет компенсатор холодного спая микромощной термопары, сконструированные для использования с внешним прецизионным ОУ. В нем предусмотрена компенсация для всех типов термопар (кроме типа В). Благодаря коррекции кривизны второго порядка, точность сохраняется в широкой области температур. Наилучшие (LT1025A) имеют точность (без подстройки) ±0,5 °C при комнатной температуре и +2°C при -25°C и +80°C.
Промышленностью выпускаются комплекты аппаратуры для измерения температур с помощью термопар самых различных конфигураций. Сюда входят вычислительные схемы для преобразования термоэлектрического напряжения в данные о температуре. Например, в цифровых термометрах, изготовляемых фирмами Analog Devices и Omega Engineering, достигается точность около 0,4°C в интервале температур от -200 до +1000°C и около 1°C для температур, превышающих + 2300°C.
При сравнении с другими методами измерения температуры термопары обладают такими преимуществами, как небольшие размеры и широкий интервал температур, кроме того, они особенно хороши для измерения высоких температур.
Термисторы
Термисторы представляют собой полупроводниковые устройства, у которых температурный коэффициент сопротивления отрицателен и обычно равен приблизительно -4%/°С. Они выпускаются во всевозможных видах, от шариков из свинцового стекла до бронированных зондов. Термисторы, предназначенные для точных измерений температур (их можно также использовать, например, в качестве элементов схем температурной компенсации), обычно имеют сопротивление несколько сотен Ом при комнатной температуре, а характеристики их прекрасно укладываются (с точностью до 0,1-0,2 °C) на стандартные кривые. Высокий коэффициент изменения сопротивления делает их очень удобными в эксплуатации, они недороги и стабильны. Для измерения и контроля в области от -50 до +300 °C имеется достаточно богатый выбор термисторов. Относительно легко строятся простые и эффективные схемы «пропорционального регулирования температуры», в которых термисторы используются в качестве чувствительных элементов.
Из-за своего свойства сильно изменять сопротивление в зависимости от температуры термисторы не предъявляют высоких требований к последующим электрическим схемам. Некоторые из простых методов получения выходного напряжения показаны на рисунках
Схема а особенно эффективна при измерениях низких температур, так как сопротивление термистора изменяется по экспоненциальному закону, а схема б имеет несколько более линейный характер изменения выходного напряжения в зависимости от температуры. На следующем рисунке приведены зависимости сопротивления от температуры одного термистора 10 кОм и того же термистора с включенным последовательно сопротивлением 10 кОм.
Последовательная пара имеет линейную характеристику в пределах 3% в области от -10 до +50 °C и 1% от 0 до +45 °C. Такую линейность имеет зависимость выходного напряжения от температуры в схеме с сопротивлением R, изображенной на рисунке б.
На схемах в и г приведены варианты с улучшенной линейностью, в которых использованы составные согласованные термисторы (и соответствующие резисторные пары), изготовляемые Yellow Springs Instrument Company.
Эти 2-термисторные конфигурации обеспечивают линейность 0,2% в области температур от 0 до 100 °C. YSI также выпускает 3- термисторные модули (с тремя резисторами), имеющие еще лучшие показатели линейности. Схема д представляет собой классический мост Уитстона, уравновешенный при RТ/R2 = R1/R3 :
Поскольку здесь измеряются отношения, нельзя не учитывать отклонений, связанных с изменениями напряжения питания. Мостовая схема в сочетании с усилителем, обладающим высоким коэффициентом усиления, особенно широко используется для определения небольших изменений вблизи некоторой опорной температуры. При малых отклонениях выходное (дифференциальное) напряжение линейно зависит от величины разбаланса. Во всех термисторных схемах надо учитывать явления саморазогрева. Обычные небольшие термисторные зонды имеют коэффициент рассеяния, равный 1 мВт/°С, т. е. нагрев, соответствующий I2R, должен не превышать 1 мВт, если вы хотите иметь точность считывания температуры не хуже, чем 1 град.
В продаже присутствует комплект приборов для измерения температур, использующих термисторы с подходящими характеристиками. Эти устройства включают в себя встроенные вычислительные схемы для преобразования считываемого сопротивления непосредственно в данные о температуре. Например, модель цифрового термометра 5800 фирмы Omega перекрывает область от -30 до +100°C, причем считывание температуры возможно как по стоградусной шкале Цельсия, так и по шкале Фаренгейта на 4- цифровом СИД-индикаторе. Точность термометра во всей области 0,5 °C с разрешением 0,1 °C.
Термисторный метод измерения по сравнению с другими проще и точнее, но термисторы чувствительны к саморазогреву, хрупки и пригодны для узкой области температур.
Платиновые термометры сопротивления
Эти устройства представляют собой катушку из очень чистой платиновой проволоки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, равным приблизительно 0,4% /°C. Платиновые термометры чрезвычайно стабильны во времени и имеют кривую, очень точно совпадающую со стандартной (0,02-0,2°C). С ними можно работать в весьма широкой области температур от -200 до +1000 °C, но стоимость их высока.
ИС-датчики температуры
Смещение шкалы от источника опорного напряжения можно получить от датчика температуры, дающего напряжение, пропорциональное абсолютной шкале, т. е. напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. REF-02, например, обеспечивает температурный выход с линейным коэффициентом +2,1 мВ/°С. Если этот выход подключить к усилителю с регулируемым усилением и смещением для калибровки, то можно получить точность почти 0,5°C для интервала от -55 до +125 °C. LM335-удобный 2-клеммный температурный датчик, который в принципе подобен зенеровскому диоду с выходным напряжением +10мВ/К. Например, при 25°C (298,2 К) он работает как стабилитрон на 2,982 В:
Выпускаются эти датчики с начальной точностью + 1 °C и имеют внешнюю подстройку. Простой калибровкой можно обычно улучшить его точность до +0,5 °C максимально в области -55°С- + 125°C. После подстройки точность выхода должна быть 0,1 °C при тестовой температуре и с бюджетом точности на краях +0,5 °C:
LM35 также обеспечивает наклон зависимости выходного напряжения от температуры +10 мВ/°С, но он ведет себя скорее, как 3-полюсный опорный источник (а не как 2-клеммный зенеровский диод), в котором питание (+4 ÷ +30 В) подается на третий зажим. Внутреннее смещение у него такое, что выходное напряжение равно 0 В при 0 °C. При работе вблизи или ниже 0 °C следует использовать понижающий резистор, как показано на рисунке:
