Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Среди всего многообразия датчиков, которые можно подключать к АЦП для обработки с помощью виртуального измерительного комплекса, одним из самых полезных будет датчик температуры. Обладая широким рабочим диапазоном, он может применяться и для регистрации метеорологических процессов, и для анализа температурного режима аккумулятора при быстром заряде, и даже для проверки работы автоматики холодильных камер.

Широкие возможности масштабирования, закладываемые в ПО для виртуального измерительного комплекса, позволяют существенно упростить предварительную обработку сигнала или даже полностью от нее отказаться.

С учетом исключительной простоты схемотехники предлагаемых АЦП логично использовать такой же простой датчик температуры. Не может быть и речи о платиновой проволоке, поскольку ее низкая чувствительность и нелинейность параметров потребуют применения нескольких операционных усилителей; не подойдут и термопары, так как их компенсатор «холодного спая» сложен по конструкции и требует очень серьезной настройки.

Терморезисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) очень чувствительны к изменениям температуры. Они очень просто подключаются, но их характеристики нелинейны, так что их чрезвычайно сложно калибровать.

В температурном диапазоне от -50 °C до +150 °C большие преимущества имеют кремниевые датчики. Достаточно чувствительные и часто обладающие хорошей линейностью характеристик, они, ко всему прочему, дешевы и доступны. Надо ли искать им замену, если известно, что по точности они сравнимы с АЦП, которые описываются в этой книге?

Складывается впечатление, что микросхема LM 335 (или ее варианты LM 135 и LM 235) создана специально для решения данной проблемы! Эта микросхема выпускается многими производителями, в том числе, компаниями National Semiconductor и SGS-Thomson . Она имеет корпус транзисторного типа и может рассматриваться как стабилитрон с температурным коэффициентом напряжения (ТКН), равным 10 мВ/°К. Рабочий диапазон температур микросхемы LM 335 лежит в границах от -40 °C до +100 °C (для варианта LM 135 он составляет от -50 °C до +150 °C). При этом нулевое выходное напряжение соответствует температуре абсолютного нуля 0 °К (-273,15 °C).

По характеристике, приведенной на рис. 6.5, видно, что выходное напряжение меняется от 2,23 В при -50 °C (223 °К) до 4,23 В при + 150 °C (423 °К). Эти параметры удачно соотносятся с рабочим диапазоном описываемых АЦП — от 0 до 5 В.

Рис. 6.5. Температурная характеристика микросхемы LM 335

Если не ввести в схему элементы калибровки, то несоответствие между температурой и выходным напряжением в наихудшем случае может достигать 9 °К. Следовательно, для выполнения задач, рассматриваемых в книге, требуется предусмотреть подстроечный резистор для калибровки. С учетом этого получается, как и предполагалось, исключительно простая схема, приведенная на рис. 6.6.

Рис 6.6. Принципиальная схема датчика температуры

Надо заметить, что для обеспечения нормальной работы этого датчика достаточно одного резистора и небольшой гальванической батареи 9 В, тогда как для большинства изделий других производителей потребовался бы источник стабильного тока.

После калибровки (обычно при температуре +25 °C) точность получаемых результатов в зависимости от группы датчика оказывается лучше чем ±(1–2) °С. Самой точной является группа «А». Это хорошо соотносится с точностью 1 % и разрешением 20 мВ (то есть 2 °C) 8-разрядного АЦП.

При использовании 10- или 12-разрядных АЦП необходимо использовать микросхему датчика группы «А» и уделить особое внимание калибровке.

Печатная плата датчика имеет примерно такие же размеры, как девятивольтовая гальваническая батарея. Топологическая схема печатной платы приведена на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Топологическая схема печатной платы датчика температуры

Для сборки схемы датчика следует руководствоваться монтажной схемой (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Монтажная схема датчика температуры

Стоит обратить внимание на то, что на плате установлены практически все компоненты, а также разъем гальванической батареи и соединительная колодка, подключение к которым может осуществляться самыми разными способами. Внешний вид платы датчика с установленными элементами показан на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Внешний вид платы датчика температуры

Через соединительную колодку с помощью одной пары проводов датчик температуры подключается к АЦП, а с помощью другой пары на плату можно подать напряжение питания от 9 до 12 В, заменив гальваническую батарею на внешний источник. Эта же соединительная колодка позволит, при необходимости, с помощью трех проводов длиной до одного метра вынести датчик на микросхеме LM 335 на безопасное расстояние, чтобы не подвергать остальные устройства измерительного комплекса вредному воздействию.

Для работ, связанных с погружением в жидкие среды, будет необходимо изолировать датчик, поместив его в чехол из термореактивного материала, причем достаточно тонкого, чтобы тепловая инерционность датчика не сильно увеличилась. Идеальный вариант — это чехол, заполненный термоклеем. Понятно, что места паяных соединений проводов и выводов датчика перед размещением в изолирующем чехле для предотвращения замыканий должны быть изолированы отрезками гибкой пластиковой трубки.

Так как датчик определяет точность всего измерительного тракта, калибровать его предельно аккуратно. В принципе, калибровку следует проводить при температуре 25 °C, но ничто не мешает провести ее при другой температуре в пределах от 20° до 30 °C. При этом надо помнить, что температура в разных частях помещения может быть неодинаковой. Поэтому эталонный термометр, как можно более точный, должен располагаться в непосредственной близости от калибруемого датчика на микросхеме LM 335, и, кроме того, нужно выждать некоторое время, чтобы достичь теплового равновесия.

Напряжение калибровки зависит от температуры окружающей среды: например, при температуре 20 °C (или 293 °К) выходное напряжение датчика нужно установить на величину 2,93 В.