Измерение температуры с использованием термо чип резисторов. Измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления: принципы работы, схемы подключения и погрешности

Как работают термопреобразователи сопротивления для измерения температуры. Какие существуют схемы подключения термометров сопротивления. Какие факторы влияют на погрешность измерения температуры термопреобразователями сопротивления. Как минимизировать погрешности при использовании термометров сопротивления.

Принцип работы термопреобразователей сопротивления

Термопреобразователи сопротивления (ТС) — это датчики температуры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. При повышении температуры сопротивление чувствительного элемента ТС увеличивается.

Основные типы термопреобразователей сопротивления:

• Платиновые (ТСП)
• Медные (ТСМ)
• Никелевые (ТСН)

Наиболее распространены платиновые ТС, так как они обеспечивают высокую точность и стабильность измерений в широком диапазоне температур.

Схемы подключения термопреобразователей сопротивления

Существует несколько основных схем подключения термометров сопротивления:

Двухпроводная схема

Самая простая, но имеет существенный недостаток — сопротивление соединительных проводов вносит дополнительную погрешность в измерения.

Трехпроводная схема

Позволяет компенсировать влияние сопротивления проводов. Используется наиболее часто.

Четырехпроводная схема

Обеспечивает наиболее точные измерения за счет полной компенсации сопротивления проводов. Применяется для прецизионных измерений.

Погрешности при измерении температуры термопреобразователями сопротивления

Основные факторы, влияющие на погрешность измерений:

• Нелинейность характеристики преобразования
• Влияние сопротивления соединительных проводов
• Саморазогрев чувствительного элемента измерительным током
• Дрейф характеристик ТС со временем

Методы минимизации погрешностей измерения

Для повышения точности измерений температуры термопреобразователями сопротивления применяются следующие методы:

• Использование многопроводных схем подключения
• Индивидуальная градуировка ТС
• Применение схем с малым измерительным током
• Программная линеаризация характеристики
• Периодическая поверка и калибровка ТС

Преимущества термопреобразователей сопротивления

Термометры сопротивления обладают рядом важных достоинств:

• Высокая точность измерений (до 0,1°C и выше)
• Широкий диапазон измеряемых температур
• Хорошая воспроизводимость результатов
• Возможность удаленных измерений
• Простота автоматизации измерений

Области применения термопреобразователей сопротивления

Термометры сопротивления широко используются в различных отраслях:

• Промышленность (контроль технологических процессов)
• Энергетика (измерение температуры в котлах, турбинах и т.д.)
• Метрология (эталонные средства измерения температуры)
• Научные исследования
• Медицина
• Пищевая промышленность

Выбор термопреобразователя сопротивления

При выборе термометра сопротивления необходимо учитывать следующие факторы:

• Диапазон измеряемых температур
• Требуемая точность измерений
• Условия эксплуатации (агрессивные среды, вибрации и т.д.)
• Быстродействие
• Совместимость с измерительной аппаратурой
• Стоимость

Сравнение термопреобразователей сопротивления с другими датчиками температуры

Термометры сопротивления имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами датчиков температуры:

• Более высокая точность по сравнению с термопарами
• Более широкий диапазон измерений по сравнению с термисторами
• Лучшая линейность характеристики по сравнению с полупроводниковыми датчиками
• Возможность измерения как низких, так и высоких температур

Перспективы развития термопреобразователей сопротивления

Основные направления совершенствования термометров сопротивления:

• Повышение стабильности характеристик
• Расширение диапазона измеряемых температур
• Миниатюризация чувствительных элементов
• Интеграция с цифровыми интерфейсами
• Разработка новых конструкционных материалов

Таким образом, термопреобразователи сопротивления являются надежным и точным средством измерения температуры, находящим широкое применение в различных областях. Правильный выбор схемы подключения и методов минимизации погрешностей позволяет обеспечить высокую точность измерений температуры с помощью термометров сопротивления.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

7

Статическая характеристика, как видно из выражений, явно нелинейна. Если провести прямую по первым двум точкам положительного диапазона, то нелинейность станет видна на графике

400

0

400 375 350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25

Рис 5 Статическая характеристика ТСП-100

Элементы теории мостовых схем.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

8

В практике технологических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты различных типов: уравновешенные и неуравновешенные, автоматические и не автоматические.

Широкое применение мостовых схем объясняется большой точностью измерений, высокой чувствительностью, возможностью измерения различных величин и т. д.

Схема моста постоянного тока приведена на рис. 6.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

9

Плечи моста а—б, б—в, а—г и г—в содержат сопротивления

R1, R2, R3 и R4.

В диагональ б—г, называемую выходной, включается нагрузка

(в частном случае — нуль-индикатор индикатор постоянного тока,

например магнитоэлектрический гальванометр) с сопротивлением R0.

Зависимость тока I0 в цепи гальванометра для моста постоянного тока от параметров моста и напряжения питания U, найденная каким-

либо способом, например с помощью законов Кирхгофа, равна:

(3)

Равновесие моста имеет место при подборе плеч, так чтобы I0 = 0,

При

R1R4 = R2R3

(4)

Мосты, в которых измеряемая величина определяется из условия равновесия, называются уравновешенными. В ряде случаев измеряемая величина может определяться по значению тока или напряжения выходной диагонали моста. Такие мосты называются неуравновешенными.

Равенство (4) показывает возможность подключения измеряемого сопротивления в любое плечо моста и определение его значения через сопротивления трех других плеч.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

10

Процесс измерения с помощью моста заключается в том, что в одно из плеч моста (например, а — б) включают резистор с неизвестным сопротивлением RX и, изменяя одно или несколько сопротивлений плеч,

добиваются отсутствия тока в цепи гальванометра. Тогда на основании

(4):

(5)

Принято R3 и R4 называть плечами отношения, R2 — плечом сравнения.

Чувствительность мостов

Важной характеристикой мостовой схемы является ее чувствительность, под которой понимается предел отношения приращения выходного сигнала Δy к приращению входной величины

Δx, когда последнее стремится к нулю, т. е.

(6)

Выходным сигналом мостовой схемы может быть ток,

напряжение или мощность. Входной величиной является измеряемая величина (сопротивление, индуктивность и др.). В соответствии с этим различают чувствительность мостовой схемы по току, напряжению и мощности. Приближенно чувствительность мостовой схемы можно определить как отношение конечных приращений измеряемой величины и выходного сигнала вблизи равновесия:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

11

(7)

При наличии нуль-индикатора чувствительность моста равна произведению чувствительностей мостовой схемы и нуль-индикатора.

На основании уравнения (7) выражение чувствительности мостовой схемы постоянного тока по току, напряжению и мощности можно представить так:

(8)

где I, U, P — соответственно приращение тока, напряжения и

мощности в диагонали моста при изменении сопротивления плеча на значение R1.

При применении в качестве нуль-индикатора магнитоэлектрического гальванометра чувствительность моста

(9)

где Δα — отклонение подвижной части гальванометра.

По выражению (9) определяют абсолютную чувствительность моста постоянного тока. На практике удобно оценивать чувстви-

тельность моста к относительному изменению сопротивления

S’М =

R1 100

R1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

12

Как видно из формулы (10), чувствительность моста к относи-

тельному изменению сопротивления выражается в делениях на процент

изменения сопротивления плеча R1.

Если мост предварительно уравновесить, а затем одному из плеч, например первому, дать приращение сопротивления R1, то в диагонали моста возникнет ток I. При малом приращении сопротивления R1 по сравнению с сопротивлением R1 плеча приращение тока I с учетом уравнения (3) можно выразить следующей формулой:

(11)

т. е. вблизи равновесия моста ток в диагонали в первом приближении изменится пропорционально приращению сопротивления одного из плеч.

Практическое применение мостовых схем.

Обычно изменение сопротивления определяется с помощью мостовой схемы, которая часто расположена на некотором расстоянии от самого датчика температуры, образуя так называемую двухпроводную схему подключения (рис. 7).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

13

Свое собственное сопротивление имеет соединяющий кабель.

Сопротивление кабеля также зависит от температуры. Как следствие,

температура окружающей среды будет вносить свой вклад в результат измерения; измерение оказывается чувствительным к возмущающим воздействиям со стороны окружающей среды. Погрешность за счет изменения сопротивления проводов при колебании окружающей температуры рассчитывается по формуле:

T RЛ RO

где RЛ – изменение сопротивления соединительных проводов (RЛ= RЛ1 + RЛ2), R0 – начальное сопротивление терморезистора (при t=0 ºС), α

– температурный коэффициент.

Чувствительность к температуре окружающей среды можно уменьшить, добавив в измерительную систему один или два дополнительных провода и получая, таким образом, трехпроводную

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

14

схему или четырехпроводную схему. На рис. 8 показана трехпроводная схема соединения термопреобразователя сопротивления с мостом, в

которой используется тот факт, что два проводника имеют одинаковое сопротивление. У четырехпроводной схемы нет подобных ограничений,

но необходим еще один проводник.

При таком соединении питающая диагональ моста доводится до термопреобразователя сопротивления. В результате этого соединитель-

ные провода оказываются разнесенными к двум плечам моста: одно из сопротивлений RЛ — в плече вместе с сопротивлением R1, а другое RЛ

— в смежном плече вместе с RT.

Тогда условие равновесия моста:

(RT+RЛ)R3 = (R1+RЛ)R2 (12)

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

15

(13)

Если сделать мост симметричным (R2=R3), то будем иметь RT = R1, т. е. результат измерения RТ в этом случае не зависит от сопротивления соединительных проводов RЛ.

ПОГРЕШНОСТЬ ОТ САМОРАЗОГРЕВА

Погрешности при измерении температуры возникают еще из-за саморазогрева термометра током, протекающим в цепи. Для уменьшения данной погрешности ограничивают мощность,

выделяемую в термометре сопротивления, так, чтобы самонагревание платинового термометра не превышало 0,2 ºС, что соответствует ГОСТ.

Для определения допустимого измерительного тока через термометр в диапазоне измеряемых температур до 750 ºС приводится соотношение:

I=2000 d3/2 ΔΘ1/2

(14)

где I – ток, мА, d – диаметр проволоки термометра, мм, ΔΘ –

допустимое приращение показаний термометра за счет его нагревания током. Для платиновой проволоки диаметром 0,06 мм величина максимально допустимого тока примерно равна 13,145 мА

принцип работы цифрового устройства, простые схемы

На замену не совсем удобным аналоговым измерителям температуры, в основе работы которых лежит свойство жидкости расширяться и сжиматься, промышленность предложила дискретные устройства. Эти совсем несложные приборы обладают рядом неоспоримых преимуществ. Купить измеритель можно практически в любом магазине бытовой или климатической техники, но гораздо интереснее изготовить электронный термометр с выносным датчиком своими руками.

Суть устройства

Термометр, разговорный аналог — градусник, предназначен для измерения температуры окружающей среды. Первое устройство было изобретено в 1714 году немецким физиком Д. Г. Фаренгейтом. В основе своей конструкции он использовал прозрачную запаянную колбу, внутри которой находился спирт. После в качестве жидкости учёный применил ртуть. Но шкала аналогового измерителя, существующая и по сей день, была разработана лишь только через 30 лет шведским астрономом и метеорологом Андерс Цельсием. За начальные точки он предложил взять температуру тающего льда и кипения воды.

Интересным фактом является то, что изначально числом 100 была отмечена температура таяния льда, а за ноль взята точка кипения. Впоследствии шкалу «перевернули». По некоторым мнениям это сделал сам Цельсий, по другим — его соотечественники ботаник Линней и астроном Штремер.

Вскоре изготовление ртутных измерителей было широко налажено производством в промышленных масштабах. Со временем ртуть из-за своей ядовитости была заменена на спирт, а затем и вовсе был предложен новый тип устройства — цифровой. Сегодня, пожалуй, градусник стал неотъемлемым атрибутом любого жилища. По совету Всемирной организации здравоохранения была принята Минаматская конвенция, направленная на постепенный вывод из обихода ртутных градусников. Согласно ей в 2022 году использование ртути в измерителях будет полностью прекращено.

Поэтому из-за своих отличных характеристик термометр с цифровой схемой практически не имеет конкурентов. Предлагаемые в продаже спиртовые приборы проигрывают ему по точности и удобству восприятия данных.

Электронные модели могут располагаться в любом месте, ведь в контролируемом помещении необходимо расположить только небольшой датчик, подключённый к устройству. Этот тип используется во многих технологических процессах промышленности, например, строительных, аграрных, энергетических. С их помощью контролируется:

• температура воздуха в производственных и жилых зданиях;
• проверка нагрева сыпучих продуктов;
• состояние вязких материалов.

Принцип работы

Перед тем как непосредственно приступить к изготовлению электронного термометра, следует разобраться в принципе его действия и определиться, из каких узлов будет состоять конструкция. Промышленно выпускаемые электронные градусники различаются по своим размерам и назначению. Но все они построены на однотипном принципе действия.

Проводимость материала изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Основываясь на этом и проектируется схема электронного градусника. Так, чаще всего в конструкции применяется термопара. Это электронный прибор, стоящий из двух сваренных между собой металлов. На поверхности каждого из них имеется контактная площадка, подключённая к измерительной схеме. При нагревании или охлаждении контактов возникает термоэлектродвижущая сила, появление и изменение которой регистрируется платой электроники.

В устройствах нового поколения вместо термочувствительного элемента используется кремниевый диод. Полупроводниковый радиоэлемент, у которого наблюдается зависимость вольт-амперной характеристики от температурного воздействия. Иными словами, при прямом включении (направление тока от анода к катоду) значение падения напряжения на переходе изменяется в зависимости от нагрева полупроводника.

Обработанные данные выводятся на дисплей, с которого уже визуально снимаются пользователем. Цифровые градусники позволяют измерять изменения температуры в диапазоне от -50 ° С до 100 ° С.

Всего же в конструкции простого термометра можно выделить пять блоков:

1. Датчик — устройство, изменяющее свои параметры в зависимости от величины воздействующей на него температуры.
2. Измерительные провода — используются для выноса датчика и его расположения в различных местах, требующих контроля над температурой. Чаще всего это небольшого сечения в диаметре проводники, даже необязательно экранированные.
3. Плата электроники — содержит блок анализатора, фиксирующий изменения приходящего от датчика сигнала, а затем передающий его на экран.
4. Дисплей — монохромный или цветной экран, предназначенный для отображения данных об измеренной температуре.
5. Блок питания — собирается на типовых для радиоэлектроники интегральных микросхемах. Используется для стабилизации и преобразования питания, подающегося на все узлы платы.

Особенности изготовления

Человеку, увлекающемуся радиолюбительством, сделать электронный термометр своими руками по схеме не доставит трудностей, но в то же время обычному потребителю понадобится иметь хотя бы навыки паяния. Сегодня существует довольно много различных схем, отличающихся как сложностью повторения, так и дефицитностью радиодеталей.

При выборе схемы учитывают характеристики, которые она сможет обеспечить будущему измерительному устройству. В первую очередь — это диапазон измеряемых температур, а во вторую – погрешность. Конструктивно можно собрать проводную и беспроводную модель. При сборке второго типа используется радиомодуль, значительно удорожающий изделие.

Из-за использования чувствительных специализированных микросхем собирать навесным монтажом схему вряд ли получится. Поэтому предварительно изготавливается печатная плата. Делать её лучше из одностороннего фольгированного стеклотекстолита методом «лазерно-утюжной технологии».

Суть метода заключается в том, что с помощью, например, Sprint Layout, рисуется печатная схема устройства и распечатывается в зеркальном отображении в масштабе 1:1 на лазерном принтере. Затем, приложив отпечатанный рисунок изображением вниз к фольгированному слою, проглаживают чертёж разогретым утюгом. Из-за особенностей тонера изображение линий перенесётся на стеклотекстолит. Далее плата погружается в ванную с реактивом, например, FeCl3.

В качестве индикатора можно использовать светодиодную матрицу, но лучше приобрести любой монохромный экран. Простой экран можно взять буквально за «копейки», например, подойдёт от старых системных блоков, выполненных в форм-факторе АТ. Если планируется конструкция с выносным датчиком, то неплохим вариантом будет использование шлейфа с диаметром проводника от 0,3 мм2, но в принципе подойдёт любой провод. При этом чем вынос датчика больше, тем большего сечения нужен и провод.

В схемотехнике некоторых термометров используются микроконтроллеры. Их применение позволяет упростить электрическую схему и повысить функциональность, но при этом требует навыков программирования и умения загружать прошивку. Для этого понадобится программатор, который можно также спаять самостоятельно, например, для LPT из пяти проводов.

Простой термометр

Конструкция простого термометра состоит всего из трёх деталей и тестера. В качестве датчика температуры в схеме используется LM35. Это интегральный прибор с калиброванным выходом по напряжению. Амплитуда на выходе датчика пропорциональна температуре. Точность измерений составляет 0,75° C. Запитывать интегральную микросхему можно как от однополярного источника, так и двухполярного. Предел измерений от -55 ° до 150° C.

В качестве мультиметра можно использовать стрелочный или цифровой прибор. К датчику согласно схеме подключают источник питания. Например, КРОНу или три соединённых последовательно пальчиковых батарейки. Измеритель же подключают к клеммам V и COM и переводят в режим измерения температуры. Потребление датчика при работе не превышает 10 мкА.

Диапазон измерения мультиметра устанавливается на два вольта. Отображённый на экране результат и будет соответствовать измеряемой температуре. Последняя цифра в числе обозначает десятые доли градуса.

При желании устройство можно сделать двухканальным. Для этого дополнительно необходимо будет изготовить механический или электронный переключатель.

Цифровая схема

Одна из самых простых схем состоит всего из нескольких элементов. В основе конструкции лежит использование датчика, выдающего значение температуры в цифровом коде. Стоимость термодатчика LM 335 не превышает 50 центов, при этом после калибровки его точность измерения составляет от 0,3 ° до 1,5° C. Датчик может измерять температуру от — 40 ° до 100° C. Выпускается он в двух корпусах — TO-92 и SOIC. В качестве аналога можно использовать отечественную микросхему К1019ЕМ1.

При монтаже длина соединительных проводов может достигать пяти метров. Калибровка схемы осуществляется изменением напряжения, подаваемым на вывод один. Необходимое значение рассчитывается по формуле:

Uвых = Vвых1 * T / To, где:

• Uвых – напряжение на выходе микросхемы;
• Uвых1 – напряжение на выходе при эталонной температуре;
• T и To – измеряемая и эталонная температура.

Напряжение, формирующее выходной сигнал, зависит от температуры, поэтому питание, подающееся на датчик, должно осуществляться от источника тока. Собирается он на двух транзисторах КТ209 и не требует дополнительных настроек. Максимальный ток питания не превышает 5 мА. Увеличение выходного напряжения на 10 мВ соответствует приросту температуры на один градус.

Использование микроконтроллера

Применение в схеме самодельного термометра микроконтроллера подразумевает использование программы, управляющей его работой. В качестве микросхемы применяется ATmega8, а датчика температуры — DS18B20.

В схеме используется небольшое число радиодеталей. Она несложная и не нуждается после сборки в какой-либо наладке. Напряжение питания микроконтроллера составляет пять вольт. Для его стабилизации используется микросхема L7805. Транзисторы можно использовать любые с NPN структурой. В качестве индикатора подойдёт трёхразрядный сегментный дисплей с общим катодом.

Температура устройством может изменяться в интервале от -55 ° до 125º С с шагом в 0,1º С. Погрешность измерения не превышает 0,5º С. Обмен данными между датчиком и микроконтроллером происходит по шине 1-Wire. При большом расстоянии выноса измерительной микросхемы DS18B20 от ATmega8 необходимо подобрать подтягивающее сопротивление. Распаять его лучше непосредственно на вывод датчика.

При программировании все установки микроконтроллера оставляются заводскими, и фьюзы не изменяются. Затем к собранному термометру можно добавить ещё один датчик, а также часы. Но для этого необходимо будет обладать знаниями в программировании, чтобы дописать программный код.

Точный термометр

Применение в качестве датчиков полупроводниковых диодов и транзисторов характеризуется сложностью калибровки показаний, что в итоге приводит к погрешности результата измерений. Поэтому для получения точного результата в качестве измерителя применяется бифилярно намотанная катушка из тонкого проводника, размещённая в цилиндре, имеющем размеры порядка 4х20 мм.

Основой конструкции является микросхема ICL707 и светящийся индикатор. Питание можно подавать от любого источника с выходной амплитудой 12 В. На DA3 собран нормирующий преобразователь, изменяющий своё выходное напряжение в зависимости от сигнала, поступаемого с датчика.

Настройка заключается в выставлении на 36 ноге микросхемы напряжения, равного одному вольту. Делается это с помощью резисторов R3 и R4. Вместо датчика подключают резистор на 100 Ом. Изменением сопротивления R14 устанавливают нули на цифровом индикаторе. После чего устройство готово к измерениям.

КИПиА (контрольно-измерительные приборы и аппаратура)Счетчики электроэнергии с дистанционным снятием показаний

КИПиА (контрольно-измерительные приборы и аппаратура)Виды датчиков-уровнемеров для определения уровня жидкости в емкостях

Погрешность измерения температуры термопарой | 2 Схемы

Недавно возникла необходимость снять характеристики термистора NTC. Как известно, термисторы NTC имеют два важных параметра — значение сопротивления при 25C и коэффициент B. Первое проверяется просто, но для подсчета B необходимо иметь измерения сопротивления при разных температурах — обычно 25C и 85C, но не обязательно. И лучше знать эту константу заменяя термистор, чтоб позже измеренные температуры не были сильно разбросаны.

Мы взяли шесть разных электронных приборов, использующих термопару K, но с самого начала было ясно, что их показания различаются. Какому же именно из них доверять? Выбор был следующим: Aneng AN8009, Richmeters 409B, Sanwa PC510a, EnergyLab VC97, Chauvin Arnoux MAX2000, TM-902C — самый дешевый, из Китая, стоит копейки.

Измерения температуры термопарой K

Для контроля был взят точный лабораторный ртутный термометр с диапазоном от 0C до 50C, шаг 0,2C. Это и будет контрольная точка, относительно которой проведем измерения температуры термопары K — сравнение датчиков различных мультиметров.

Для опытов сделаем небольшую камеру из картонной коробки, укутанную пеной, в которой закрыли все термопары и ртутный термометр. В течение часа температура выровнялась и стабилизировалась, а затем пришло время сравнения показаний:

• Ртутный 23,0C
• AN8009 23,0C
• 409B 21,0С
• PC510a 23,0С
• VC97 22,0C
• MAX2000 23,0С
• ТМ -902C 24,1C.

Выиграл MAX2000, потому что показал точно 23,0C. Каждый мультиметр измерял термопарой, которая поставлялась с ним от завода.

Измерения высокой температуры термопарой

В дальнейших измерениях больше нельзя было использовать ртуть ввиду высоких температур, поэтому эталонной точкой стал MAX2000.

Подготовим нагревательную плиту в виде перевернутого утюга и проверим тепловизором распределение температуры, чтоб правильно выбрать область измерения. Установим все термоэлементы и прижмём их куском жаростойкой пены сверху и грузом. Все это для обеспечения равных условий измерения для всех термопар.

Проверку делали в диапазоне температур до 160 градусов.

Результаты измерений сведены в электронную таблицу, но было очевидно сразу, что TM-902C и Richmeters 409B не могут обеспечить слишком высокую точность (мягко говоря).

Во время измерений также замечено, что термопара от Aneng обладает огромной тепловой инерцией и требует длительного времени для стабилизации показаний. Вот почему с ним пришлось повторить серию измерений, но на этот раз с другой термопарой. В таблице обозначена как «AN8009 2». На графике показана ошибка измерения, выраженная в процентах в отношении эталонного мультиметра, то есть MAX2000.

Сравнение термопары с термистором

Теперь возвращаемся к термистору NTC 10k с неизвестным B и попробуем выяснить, что с ним и как. При выполнении всех операций получена следующая диаграмма: Вертикальная ось — логарифмическая шкала. Где надпись «zm.» это эмпирические данные (реальные измерения). Вот почему всё выглядит так красиво линейно. Измерения проводились каждый 1 градус. Это красная линия и теоретически рассчитанная B = 3984. Было куплено несколько подобных, затем измерили их тоже.

Как видите — теория совпала с практикой. Красная линия совпадает с серой, которая показывает измерения купленного термистора с известным B = 3984, но отличается от измерений термистора, купленного с B = 3988, или теоретической кривой для B = 3430.

Таблица параметров термопар

И напоследок приведём ещё одну полезную таблицу — параметры самих термопар:

Использование термодатчика TC74 (Microchip) для измерения температуры

Микросхема TC74 представляет собой серийно доступный цифровой датчик температуры от Microchip Technology, который получает и преобразует информацию о температуре от встроенного твердотельного датчика с разрешением 1 ° C. Температура доступна в виде 8-битного цифрового слова, хранящегося во внутреннем регистре температуры, доступ к которому осуществляется через 2-проводную последовательную шину, совместимую с I2C. В этом руководстве описывается, как использовать датчик TC74 с микроконтроллером PIC для измерения окружающей температуры.

Использование датчика TC74 для измерения температуры

Теория

Цифровой датчик температуры TC74 доступен в корпусах SOT-23 и TO-220. Связь с устройством осуществляется через 2-проводную последовательную шину, совместимую с I2C. Температурное разрешение составляет 1 ° C, а номинальная скорость преобразования составляет 8 образцов / сек. Схема выводов микросхемы TC74 показана ниже для справки.

Схема выводов TC74

TC74 сохраняет измеренную температуру в своем 8-битном внутреннем регистре в двоичном формате с дополнительным двоичным кодом.Самый старший бит — это знаковый бит, который устанавливается в 1 для отрицательных температур. Следовательно, максимальная измеряемая положительная температура составляет + 127 ° C (0111 1111). TC74 также имеет еще один 8-битный регистр конфигурации чтения / записи (RWCR), который используется для перевода устройства в режим ожидания с низким энергопотреблением (I _DD = 5 мкА, типично). В этом режиме аналого-цифровой преобразователь останавливается, а регистры данных температуры замораживаются. Бит 7 RWCR должен быть установлен для перевода TC74 в режим ожидания.

Таблица преобразования температуры и внутренние регистры

Работа последовательного порта

Вход последовательных часов (SCLK) и двунаправленный порт данных (SDA) образуют двухпроводной двунаправленный последовательный порт для связи с TC74.Порт совместим с I2C, и все передачи происходят под управлением хоста, обычно микроконтроллера. Главный микроконтроллер обеспечивает тактовый сигнал для всех передач данных, а TC74 всегда работает как ведомый. По умолчанию 7-битный I2C-адрес TC74 — 1001 101b. Однако также доступны 7 других вариантов адреса, которые можно определить по артикулу устройства. Например, у меня есть TC74A0 в корпусе TO-220. A0 соответствует адресу устройства 1001 000b. Точно так же TC74A3 имеет свой I2C-адрес 1001 011b.Более подробную информацию см. В техническом описании . Если вы не знакомы с протоколом I2C, прочтите мою статью «Связь между интегральными схемами (I2C) в PIC ». Считывание температуры с устройства TC74 через порт I2C включает следующие шаги:

• Главный микроконтроллер выдает условие запуска, за которым следует байт адреса. Байт адреса состоит из 7-битного адреса подчиненного устройства и бита чтения / записи (R / W). Бит чтения / записи всегда равен «0» (запись) в первой фазе.
• Если полученный 7-битный адрес совпадает с адресом его собственного ведомого устройства, TC74 отвечает импульсом подтверждения.
• Затем микроконтроллер хоста отправляет байт команды в TC74, чтобы указать, к какому регистру он хочет получить доступ. Для чтения температуры байт команды должен быть 00h. TC74 отвечает импульсом подтверждения.
• Главный микроконтроллер выдает новое условие запуска, потому что направление передачи данных теперь будет изменено.Новый байт адреса с битом 1 чтения / записи отправляется хостом, что подтверждается подчиненным устройством.
• TC74 передает 8-битные данные о температуре из регистра температуры. После получения байта хост не подтверждает, но генерирует условие остановки.

Принципиальная схема

Я использую PIC18F2550 для демонстрации здесь, но он может быть реализован с любыми другими микроконтроллерами PIC меньшего размера, которые поддерживают связь I2C.Температура считывается с датчика TC74 и отображается на символьном ЖК-дисплее. Не забудьте поставить два подтягивающих резистора (1K) на линии SDA и SCL шины I2C. В этом эксперименте использовался микроконтроллер PIC18F2550 от StartUSB для платы PIC .

Принципиальная схема

Схема на макетной плате

Датчик температуры TC74

Программное обеспечение

Прошивка для PIC18F2550 разработана на языке C с использованием mikroC Pro для компилятора PIC.Компилятор предоставляет встроенную библиотеку для поддержки I2C. Микроконтроллер считывает слово температуры из внутреннего регистра температуры TC74 и отображает его на ЖК-дисплее. Следующая программа работает для всего рабочего диапазона TC74 (от -40 ° C до 125 ° C).

 / *
  Проект: Использование TC74 с микроконтроллером PIC
           для измерения температуры
  MCU: PIC18F2550 на плате StartUSB для PIC
       Тактовая частота 48,0 МГц с использованием HS + PLL
  MCLR включен
* /

// Определяем подключения ЖК-модуля.сбит LCD_RS на RC6_bit;
 сбит LCD_EN на RC7_bit;
 сбит LCD_D4 на RB4_bit;
 сбит LCD_D5 на RB5_bit;
 сбит LCD_D6 на RB6_bit;
 сбит LCD_D7 на RB7_bit;
 sbit LCD_RS_Direction на TRISC6_bit;
 sbit LCD_EN_Direction на TRISC7_bit;
 sbit LCD_D4_Direction на TRISB4_bit;
 sbit LCD_D5_Direction на TRISB5_bit;
 sbit LCD_D6_Direction на TRISB6_bit;
 sbit LCD_D7_Direction на TRISB7_bit;
// Завершить определение подключения ЖК-модуля

беззнаковый символ Temp;
беззнаковое короткое число;
const int TC74A0 = 0x90;

void check_device (unsigned short dev_address) {
 I2C1_Start ();
 if (I2C1_Wr (dev_address)) {
  Lcd_Out (1,1, «Устройство не найдено»);
 }
 else Lcd_Out (1,1, «Устройство TC74»);
  I2C1_Stop ();
}

unsigned short Read_Temp () {
 беззнаковый короткий результат;
 I2C1_Start (); // Выдача сигнала запуска
 I2C1_Wr (TC74A0); // Адрес + бит записи
 I2C1_Wr (0x00); // Считываем температуру
 I2C1_Repeated_Start (); // Выдача сигнала запуска
 I2C1_Wr (TC74A0 + 1); // Адрес + бит чтения
 результат = I2C1_Rd (0u);
 вернуть результат;
}

температура символа [] = "000 C";
пустая функция() {
  CMCON = 0x07; // Отключить компараторы
  ADCON1 = 0x0F; // Отключить аналоговые функции
  TRISA = 0x00;
  TRISC = 0x00;
  TRISB = 0x00;
  I2C1_Init (100000); // Запускаем I2C
  Lcd_Init (); // Инициализировать ЖК-дисплей
  ЖК-дисплей_Cmd (_LCD_CLEAR); // ЧИСТЫЙ дисплей
  Lcd_Cmd (_LCD_CURSOR_OFF); // Курсор выключен
  Lcd_Out (1,1, «Тестирование TC74»);
  Lcd_Out (2,1, «Термодатчик»);
  Delay_ms (1000);
  ЖК-дисплей_Cmd (_LCD_CLEAR);
  делать {
   check_device (TC74A0);
   число = Read_Temp ();

   // Проверяем отрицательную температуру
   if (num & gt; 127) {
    температура [0] = '-';
    число = ~ число +1;
   }
   иначе температура [0] = '+';

   температура [1] = число / 100 + 48;
   температура [2] = (число / 10)% 10 + 48;
   температура [3] = число% 10 + 48;
   температура [5] = 223;

   // удаляем нули в начале
   if (temperature [1] == '0') {
      температура [1] = '';
      if (temperature [2] == '0') temperature [2] = '';
   }

   Lcd_Out (2,4, температура);
   Delay_ms (500);
  } while (1);
} 

Загрузите исходный код mikroC и файлы HEX

Выход

На следующих рисунках показано устройство, отображающее как положительную, так и отрицательную температуру.Наконечник прутка для горячей пайки насыщает датчик при 127 ° C. Чтобы проверить отрицательное значение температуры, устройство помещают в морозильную камеру.

Отображение комнатной температуры

Максимальная измеряемая температура

Измерение отрицательной температуры в морозильной камере

Заключение

Методика сопряжения датчика TC74 Microchip с микроконтроллером PIC для измерения температуры окружающей среды была обсуждена и успешно продемонстрирована.Связь с датчиком TC74 осуществлялась через интерфейс шины I2C PIC18F2550. 8-битное слово температуры было считано из внутреннего температурного регистра и отображено на ЖК-экране микроконтроллером PIC18F2550.

Похожие сообщения

Измерение температуры с помощью термопары, RTD, термисторов

Мы уже упоминали, что термопары являются наиболее часто используемыми датчиками температуры .

Термопара состоит как минимум из двух металлов, которые соединены вместе и образуют два спая. Один связан с телом, температура которого будет измеряться; это горячий или измерительный спай. Другой переход связан с телом известной температуры; это холодный или опорный спай. Следовательно, термопара измеряет неизвестную температуру тела относительно известной температуры другого тела, что соответствует нулевому закону термодинамики, который гласит, что: когда два тела по отдельности находятся в тепловом балансе с третьим телом, тогда два также находятся в тепловом балансе друг с другом ».Из-за этого нам нужно знать температуру холодного спая, если мы хотим получить абсолютное значение температуры. Это делается с помощью метода, известного как компенсация холодного спая (CJC).

Обычно температура CJC измеряется прецизионным датчиком RTD, находящимся в хорошем тепловом контакте с входными разъемами измерительного прибора. Это второе показание температуры вместе с показанием самой термопары используется измерительным прибором для расчета истинной температуры на наконечнике термопары.Комбинируя сигнал от этого полупроводника с сигналом от термопары, можно получить правильные показания без необходимости или затрат на регистрацию двух температур.

Понимание компенсации холодного спая важно, поскольку любая ошибка в измерении температуры холодного спая приведет к такой же ошибке в измерении температуры на наконечнике термопары. Помимо работы с CJC, измерительный прибор должен также компенсировать тот факт, что выходной сигнал термопары является нелинейным.Связь между температурой и выходным напряжением представляет собой сложное полиномиальное уравнение (с 5-го по 9-й порядок в зависимости от типа термопары). Приборы высокой точности, такие как приборы Dewesoft, хранят таблицы термопар в приборах и компенсируют результаты, чтобы устранить этот источник ошибки.

Принцип работы термопар

Теперь давайте посмотрим на принцип работы каждой термопары. Принцип работы основан на эффекте Зеебека, Пельтье или Томсона.

1. Эффект Зеебека предписывает, что цепь, сделанная из двух разнородных металлов, с переходами при разной температуре, вызывает разность напряжений между переходами.

2. Эффект Пельтье противоположен эффекту Зеебека. Вместо того, чтобы использовать тепло для создания разности напряжений, он использует разность напряжений для индукции тепла.

3. Эффект Томсона утверждает, что если электрический ток течет по одному проводнику, в то время как в проводнике существует разница температур, тепловая энергия либо поглощается, либо отклоняется проводником, в зависимости от потока. тока.Более конкретно, тепло выделяется, если электрический ток течет в том же направлении, что и потоки тепла; в противном случае он абсорбируется.

Цепь каждой термопары должна состоять из двух разнородных металлов, например, A и B. Эти два металла соединены вместе, образуя два перехода, p и q, которые поддерживаются на температуры Т1 и Т2 соответственно. Не будем забывать, что термопара не может образоваться, если спай всего один.

Если температура обоих переходов одинакова, на обоих переходах будет генерироваться равная и противоположная электродвижущая сила, а общий ток, протекающий через переход, равен нулю. Если соединения поддерживаются при разных температурах, электродвижущая сила не станет равной нулю, и по цепи будет протекать чистый ток.

Полная электродвижущая сила, протекающая через эту цепь, зависит от металлов, используемых в цепи, а также от температуры двух переходов.В цепь термопары включен амперметр. Он измеряет величину электродвижущей силы, протекающей через цепь из-за двух стыков двух разнородных металлов, поддерживаемых при разных температурах.

Термисторы / Измерение температуры с помощью термисторов NTC

Термисторы (терморезисторы) — это переменные резисторы, зависящие от температуры. Существует два типа термисторов: положительный температурный коэффициент (PTC) и отрицательный температурный коэффициент (NTC).Когда температура увеличивается, сопротивление термистора PTC увеличивается, а сопротивление термистора NTC уменьшается. Они показывают противоположную реакцию при понижении температуры.

Оба типа термисторов используются в различных областях применения. Однако здесь основное внимание будет уделено использованию термисторов NTC для измерения температуры в приложениях на базе микроконтроллеров.

Характеристики термистора
Следующие параметры термистора NTC можно найти в листе данных производителя.

• Сопротивление
  Это сопротивление термистора при температуре, указанной производителем, часто 25 ° C.


• Допуск
  Указывает, насколько сопротивление может отличаться от указанного значения. Обычно выражается в процентах (например, 1%, 10% и т. Д.). Например, если указанное сопротивление при 25 ° C для термистора с допуском 10% составляет 10 000 Ом, то измеренное сопротивление при этой температуре может находиться в диапазоне от 9 000 Ом до 11000 Ом.


• Константа B (или бета)
  Значение, которое представляет соотношение между сопротивлением и температурой в заданном диапазоне температур.Например, «3380 25/50» означает постоянную бета 3380 в диапазоне температур от 25 ° C до 50 ° C.


• Допуск на бета-константу
  Допуск на бета-константу в процентах.


• Диапазон рабочих температур
  Минимальная и максимальная рабочая температура термистора.


• Температурная постоянная времени
  При изменении температуры время, необходимое для достижения 63% разницы между старой и новой температурами.


• Константа теплового рассеяния
  Термисторы подвержены самонагреву при прохождении тока.Это количество энергии, необходимое для повышения температуры термистора на 1 ° C. Он указывается в милливаттах на градус Цельсия (мВт / ° C). Обычно рассеиваемая мощность должна быть низкой, чтобы предотвратить самонагрев.


• Максимально допустимая мощность
  Максимальная рассеиваемая мощность. Он указывается в ваттах (Вт). Превышение этой спецификации приведет к повреждению термистора.


• Таблица температур сопротивления
  Таблица значений сопротивления и соответствующих температур в диапазоне рабочих температур термистора.Термисторы работают в относительно ограниченном диапазоне температур, обычно от -50 до 300 ° C, в зависимости от типа конструкции и покрытия.

Как и любой резистор, вы можете использовать настройку омметра на мультиметре для измерения сопротивления термистора. Значение сопротивления, отображаемое на вашем мультиметре, должно соответствовать температуре окружающей среды рядом с термистором. Сопротивление изменится в ответ на изменение температуры.

Список деталей Полный комплект с Arduino

Список деталей без Arduino

На рисунке 2 показан отклик термистора NTC в диапазоне от -40 ° C до 60 ° C. Из рисунка видно, что термисторы обладают высокой чувствительностью. Небольшое изменение температуры вызывает большое изменение сопротивления. Также обратите внимание, что реакция этого термистора не линейна. То есть изменение сопротивления при заданном изменении температуры не является постоянным в диапазоне температур термистора.

Лист технических данных производителя включает список значений сопротивления термистора и соответствующих температур в его диапазоне.Одно из решений, позволяющих справиться с этой нелинейной реакцией, — это включить в код справочную таблицу, содержащую эти данные о термостойкости. После вычисления сопротивления (будет описано позже) ваш код ищет в таблице соответствующую температуру.

Линеаризирующий отклик термистора

На аппаратной стороне вы можете линеаризовать отклик термистора, разместив постоянный резистор параллельно или последовательно с ним. Это улучшение будет происходить за счет некоторой точности.Сопротивление резистора должно быть равно сопротивлению термистора в середине интересующего температурного диапазона.

Термистор — комбинация параллельных резисторов

На рис. 3 показана S-образная кривая температурного сопротивления, полученная путем размещения резистора 10 кОм параллельно с термистором, сопротивление которого составляет 10 кОм при 25 ° C. Это делает область кривой между 0 ° C и 50 ° C довольно линейной. Обратите внимание, что максимальная линейность находится примерно в средней точке, которая составляет 25 ° C.

Термистор — комбинация последовательных резисторов (делитель напряжения)

Обычно микроконтроллеры собирают аналоговые данные через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Вы не можете напрямую прочитать сопротивление термистора с помощью АЦП. Последовательная комбинация термистора и резистора, показанная на рисунке 4, представляет собой простое решение в виде делителя напряжения.

Для расчета выходного напряжения делителя напряжения используется следующая формула:

Vo = Vs * (R0 / (Rt + R0))

Линеаризованная кривая температуры-напряжения на рисунке 5 показывает изменение выходного напряжения Vo делителя напряжения в ответ на изменение температуры. Напряжение источника Vs составляет 5 вольт, сопротивление термистора Rt составляет 10 кОм при 25 ° C, а сопротивление последовательного резистора R0 составляет 10 кОм. Подобно указанной выше комбинации параллельного резистора и термистора, эта комбинация имеет максимальную линейность в средней точке кривой, которая находится при 25 ° C.

Обратите внимание, что поскольку Vs и R0 постоянны, выходное напряжение определяется Rt. Другими словами, делитель напряжения преобразует сопротивление термистора (и, следовательно, температуру) в напряжение. Идеально подходит для ввода в АЦП микроконтроллера.

Преобразование данных АЦП в температуру путем определения сначала сопротивления термистора

Чтобы преобразовать данные АЦП в температуру, сначала найдите сопротивление термистора, а затем используйте его для определения температуры.

Вы можете изменить приведенное выше уравнение делителя напряжения, чтобы найти сопротивление термистора Rt:

Rt = R0 * ((Vs / Vo) — 1)

Если опорный АЦП напряжения (Vref) и источник напряжения делитель напряжения (Vs) являются одинаковыми, то справедливо следующее:

adcMax / adcVal = Vs / Vo

То есть отношение входного напряжения делителя напряжения к выходному напряжению такое же, как отношение значения полного диапазона АЦП (adcMax) к значению, возвращаемому АЦП (adcVal).Если вы используете 10-битный АЦП, то adcMax равно 1023.

Теперь вы можете заменить соотношение напряжений соотношением значений АЦП в уравнении, которое необходимо решить для Rt:

Rt = R0 * ((adcMax / adcVal) — 1)

Например, предположим, что термистор с сопротивлением 10 кОм при 25 ° C, 10-битный АЦП и adcVal = 366.

Rt = 10,000 * ((1023/366) — 1)
= 10,000 * (2,03)
= 17,951 Ом

После вычисления значения Rt вы можете использовать справочную таблицу, содержащую данные температурного сопротивления для вашего термистора, чтобы найти соответствующую температуру.Расчетное сопротивление термистора в приведенном выше примере соответствует температуре примерно 10 ° C.

9 18,670
10 17,926
11 17,214

Лист технических данных производителя может не включать все значения температурного сопротивления термистора, или у вас может не хватить памяти для включения всех значений в справочную таблицу. В любом случае вам нужно будет включить код для интерполяции между перечисленными значениями.

Посредством прямого расчета температуры

В качестве альтернативы вы можете использовать уравнение, которое аппроксимирует термисторы

NTC для измерения температуры

Пленочные конденсаторы Конденсаторы переменного тока

Серия / Тип: Код заказа: Дата: Ноябрь 2012 Версия: 9 Super MotorCap, 450 В Содержание строк заголовка 1 и 2 спецификации будет автоматически введено в верхние и нижние колонтитулы! Заполните, пожалуйста, таблицу и