in English

Jak projektować urządzenia, w których mierzona jest temperatura

Temperatura to najczęściej mierzony na Świecie parametr. Mimo to, trudno go zmierzyć dokładnie. Najczęściej do pomiaru temperatury w urządzeniach elektronicznych stosuje się termopary, diody półprzewodnikowe oraz elementy rezystancyjne, zależne od temperatury, takie jak termistory i termometry rezystancyjne (RTD). O ile metody ich implementacji są dobrze znane, wyzwaniem jest próba pomiarów z dokładnością większą niż 0,5 °C lub 0,1 °C. Pokonanie tych wyzwań oraz integracja takich czujników z układami sterowania lub monitorowania, opartymi o procesory, wymaga wiedzy z zakresu projektowania zarówno obwodów analogowych, jak i cyfrowych oraz z dziedziny tworzenia firmware’u.

Niniejszy artykuł ma na celu pomóc inżynierom, którym przyszło implementować czujniki temperatury w ich projektach, niezależnie od tego, czy planują oni bezpośrednio monitorować lub sterować temperaturą, zabezpieczać coś przed przegraniem, czy też kalibrować inne sensory zależne od wpływu temperatury, a mierzące np. przepływ gazu czy cieczy. Gdy zaczyna się rozważania na temat czujnika temperatury, który ma zostać umieszczony w nowej aplikacji, pierwsze pytanie powinno odnosić się nie do tego, jak dobry ma być ten czujnik. Ta kwestia zostanie poruszona później. Najpierw należy ocenić, na ile dane rozwiązanie pasuje do aplikacji.

Zgodnie z powyższym, zaczniemy od patrzenia na czynniki, które definiują, który z typów czujników będzie najlepszy do danej aplikacji. Następnie przyjrzymy się różnym rodzajom dostępnych czujników, tak by jasno przedstawić ich zalety i wady. Mając porównywalne ze sobą opisy czujników, będziemy mogli przyjrzeć się głębiej i zwrócić uwagę na bardziej praktyczne aspekty; na sprawy, które trzeba mieć na uwadze, gdy rzeczone czujniki umieszcza się w realnych aplikacjach. Na koniec wskażemy niektóre z obecnie dostępnych zestawów i podzespołów, które można wykorzystać by zacząć pracę nad systemem czujnikowym.

Przemyśl swoją aplikację i dobierz do niej czujnik

Sensory charakteryzują się wieloma parametrami, które można w ogólności podzielić na elektryczne, fizyczne i środowiskowe. Opisy sensorów w odniesieniu do tych parametrów mogą być porównane z wymaganiami tworzonej aplikacji, by znaleźć te najlepiej pasujące. Przykładowo, domowy termostat nie wymaga bardzo dużej dokładności, ale powinien być niedrogi w produkcji masowej. Odwrotnie będzie w przypadku urządzenia medycznego, gdzie zazwyczaj kluczowe są takie parametry jak wysoka dokładność, rozdzielczość oraz odporność na zakłócenia zewnętrzne.

Różne aplikacje będą skutkowały różnymi wymaganiami odnośnie dokładności czujnika. Samą dokładność definiuje się jako zdolność czujnika do podawania wartości jak najbliższych faktycznie mierzonej temperaturze. Istotny jest także parametr, który mówi o tym, jak małe zmiany na wejściu czujnika będą generować wykrywalną zmianę na jego wyjściu. W końcu zwrócić uwagę należy także na precyzję, a więc na zdolność czujnika do wskazywania tej samej wartości podczas kolejnych pomiarów, wykonywanych w identycznych warunkach.

Czujnik temperatury będzie także wrażliwy na błędy, które mogą być albo systematyczne, albo losowe. Błędy systematyczne mogą powstać np. z uwagi na dryft, albo w wyniku zmian, jakie sam proces pomiarowy powoduje w obiekcie mierzonym. Pobieranie sygnału z czujnika również może zmieniać mierzoną wartość lub tłumić ją. Natomiast błędy losowe mogą być spowodowane przez szum, który może być wynikiem pól elektromagnetycznych, zjawisk termoelektrycznych, gradientu temperaturowego pomiędzy czujnikiem i elementem poddawanym pomiarom, tolerancjom wykonania podzespołów, rezystancją obwodów i prądami upływu.

Niewątpliwie kluczowy jest zakres temperatur, w jakich może pracować czujnik, czyli temperatura minimalna i maksymalna, ale istotne są także inne, powiązane z nimi parametry. Przykładowo – czułość – jest ważna gdy czujniki łączone są z powiązanymi z nimi obwodami mierzącymi. Jest definiowana jako nachylenie krzywej kalibracji y = f(x). Czujnik może wykazywać błędy związane z czułością, takie jak nasycenie lub martwe pasma. Liniowość, czyli po prostu to, jak bardzo krzywa kalibracji przypomina linię prostą, jest problemem w większości czujników i zostanie omówiona później.

W niektórych przypadkach, znaczenie ma także charakterystyka dynamiczna czujnika. W jaki sposób fizyczne masy obiektów, induktancja oraz elektryczna czy termiczna pojemność wpływają na dynamiczną odpowiedź czujnika na impuls, krok czy inną zmianę na wejściu?

W wielu aplikacjach tak samo jak parametry techniczne, ważna jest odporność czujnika na warunki panujące w docelowym środowisku. Jeśli przykładowo nastąpi korozja, powierzchnia przekroju elementu przewodzącego w czujniku zmniejszy się, zwiększając jego rezystancję i wpływają na dokładność. W przypadku czujników RTD wybiera się takie metale szlachetne jak platyna, by zapobiec temu problemowi. Inaczej jest w przypadku zanieczyszczeń, które mogą zmniejszyć rezystancję poprzez tworzenie alternatywnych połączeń elektrycznych lub zwarć na zewnątrz elementu. Zarówno zanieczyszczenia, jak i korozja wpływają na dryft i zmniejszają stabilność wyjścia czujnika.

Długotrwale wstrząsy mechaniczne i wibracje mogą zmienić odczyty czujnika lub potencjalnie poskutkować jego częściowym, a nawet całkowitym uszkodzeniem. Pojawić się może także dryft czujnika, lub zmniejszyć jego stabilność. W przypadku czujników RTD, wrażliwe może być połączenie pomiędzy sensorem i jego wyprowadzeniami. W typowych komponentach, odporność na wstrząsy czujnika RDT to 100 G przez 8 ms, a na wibracje to 20 G w zakresie częstotliwości od 10 Hz do 2 kHz.

Ekstremalne temperatury, wilgoć i agresywne materiały mogą ograniczyć rezystancję izolacji, powodując zwarcia pomiędzy elementem i jego obudową, obniżając w ten sposób wartości odczytów. Z tego względu niektóre czujniki są produkowane jako odporne na substancje chemiczne, szczelne zgodnie z wymaganiami norm IP, z certyfikatami ATEX, lub przygotowane do pracy w środowisku o dużych wibracjach. Ale należy wziąć pod uwagę również wpływ czujnika na środowisko, w jakim ma pracować. Np. może się okazać, że czujnik musi być przystosowany do pracy z produktami spożywczymi.

Sposób w jaki czujnik ma być zintegrowany z otoczeniem również wymaga uwagi. Jakie są wymiary obszaru przeznaczonego na montaż? Co trzeba zrobić, by przygotować obszar do montażu? W jaki sposób podzespół będzie podłączony do powiązanych z nim obwodów elektronicznych?

Istnieją także inne czynniki wpływające na wybór sensora, wliczając w to łatwość montażu, użytkowania i kalibracji oraz to, czy czujnik będzie wymagał zewnętrznego zasilania do pracy. W końcu znaczenie będzie miał też koszt. Wszystkie te czynniki zostaną omówione w ramach przedstawionego poniżej porównania.

Różne rodzaje dostępnych czujników temperatury

Do czterech obecnie popularnych czujników temperatury, które wymagają kontaktu z mierzonym obiektem należą: termopary, czujniki rezystancyjne (RTD), termistory i krzemowe układy scalone.

Termopary

Termopary są popularne ze względu na ich atrakcyjne ceny, prostotę, szybką odpowiedź temperaturową, szeroki zakres temperatur pracy oraz odporność. Ich sposób użytkowania jest bardzo prosty, głównie z tego względu, że nie wymagają napięcia zasilania. Jednakże mają ograniczoną dokładność, silnie nieliniową charakterystykę i wymagają stosowania mocnych algorytmów linearyzujących. Ponadto ich napięcie na wyjściu jest względnie małe z punktu widzenia przetworników analogowo-cyfrowych. Oznacza to, że konieczne staje się zastosowanie analogowych obwodów wzmacniających.

Termopara składa się z pary termoelementów (przewodów), wykonanych z różnych materiałów i połączonych ze sobą na jednym z końców – w miejscu spoiny pomiarowej. Drugi koniec nazwany jest spoiną odniesienia. Punkt pomiarowy styka się z medium, którego temperatura T2 ma być mierzona, podczas gdy punkt odniesienia utrzymywany jest w temperaturze odniesienia, np. w temperaturze otoczenia.

Ponieważ pomiędzy dwoma spoinami występuje różnica temperatury, pojawia się też różnica napięcia, którą można zmierzyć pomiędzy dwoma termoelementami. Termopara jest więc przetwornikiem temperatury na napięcie.

Zależność pomiędzy temperaturą a napięciem jest podana za pomocą równania 1:

Równanie 1: Zależność pomiędzy temperaturą a napięciem w termoparze

W powyższym równaniu EMF to siła elektromotoryczna (po polsku oznaczana najczęściej jako SEM), lub napięcie wytwarzane przez termoparę na jej końcu; T1 i T2 to odpowiednio temperatury odniesienia i pomiarowa, S12 to współczynnik Seebecka, a S1 i S2 to współczynniki Seebecka obydwu termoelementów. Współczynniki te zależą od materiałów, z których wykonane są termoelementy oraz od temperatur.

W równaniu 1 widać również, że siła termoelektryczna zależy zarówno od wartości T1, jak i T2. W związku z tym, w idealnej sytuacji, spoina referencyjna powinna być utrzymywana w kąpieli lodowej, by zapewnić stałą temperaturę odniesienia, równą 0 °C. Jednakże w rzeczywistych aplikacjach przemysłowych, kąpiel lodowa jest zazwyczaj zastępowana kompensującym obwodem scalonym.

Termopary są podzielone na rodzaje określane za pomocą liter: B, R, S, K, N, E i J, w zależności od ich charakterystyki napięciowo-temperaturowej, tak jak to pokazano na ilustracji 1. Więcej informacji na temat tych charakterystyk dla poszczególnych termopar można znaleźć na stronie internetowej amerykańskiego instytutu NIST (National Institute of Standards and Technology).

Ilustracja 1. Zależność pomiędzy napięciem a temperaturą dla termopar o różnych oznaczeniach. Źródło: Premier Farnell Ltd

Aplikacje, w których stosuje się termopary obejmują piece wysokotemperaturowe, domowe oraz inne przemysłowe, a takżę silniki rakietowe, systemy monitorowania bezpieczeństwa urządzeń gazowych, instalacje produkcji substancji chemicznych, rafinerie naftowe, systemy przetwarzania i produkcji żywności oraz huty żelaza, stali i aluminium.

Termistory

Termistory to zazwyczaj ceramiczne elementy półprzewodnikowe, wykonane z tlenków metali. Mogą mieć albo dodatni (PTC), albo ujemny (NTC) współczynnik temperaturowy, przy czym zazwyczaj termistory NTC są wykorzystywane do kompensacji wpływu temperatury. Są niedrogie i dostępne w postaci elementów o małych wymiarach oraz w różnorodnych obudowach. Cechują się dużą dokładnością (zazwyczaj do +/- 0,05% czy nawet +/- 0,02%) i czułością w wąskim zakresie temperatur oraz wymagają niewielkiego napięcia zasilania, co pozwala zmniejszyć straty energii na przewodach doprowadzających. Są całkiem odporne na szumy elektryczne oraz łatwe do podłączenia do innych podzespołów elektronicznych.

Ich główną wadą jest bardzo nieliniowa charakterystyka rezystancyjno-temperaturowa, w zakresie poniżej 0 °C i powyżej 70 °C. Ponadto mają małą masę, co sprawia, że same mogą się nagrzać i dawać błędne wskazania oraz mogą się szybko rozkalibrować (wykraczając poza parametry ze specyfikacji).

Linearyzacja charakterystyki może zostać przeprowadzona programowo, choćby za pomocą macierzy korygujących. Jednakże obwody do linearyzacji zazwyczaj składają się z szeregowych, równoległych oraz szeregowo i równolegle połączonych kombinacji rezystorów i innych termistorów. Najprostszym obwodem korygującym jest równolegle umieszczony rezystor, którego wartość można policzyć za pomocą równania 2:

Równanie 2: Sposób obliczania wartości rezystora kompensującego

Aplikacje, w których stosowane są termistory obejmują urządzenia medyczne, domowe termostaty, systemy monitorowania temperatury w zasilaczach, ładowarkach akumulatorów, a także mechanizmy kompensacji spoiny odniesienia w termoparach oraz zabezpieczenia przed przegrzaniem.

Termometry rezystancyjne (RTD)

Większość termometrów rezystancyjnych bazuje na wykorzystaniu platyny w postaci przewodu lub warstwy, ale część jest zbudowana z niklu, stopu niklu z żelazem, lub miedzi. Do zalet tego typu układów należy wysoka dokładność, powtarzalność i stabilność oraz niski dryft błędu w zakresie od -200 °C do +850 °C. Termometry rezystancyjne mają też całkiem liniowe charakterystyki.

Układy RTD cechują się pewną nieliniowością, którą należy kompensować za pomocą macierzy w mikrokontrolerze. Są droższe niż termopary i termistory. Wymagają prądu do zasilania i samodzielnie się ogrzewają. Muszą bowiem równoważyć swoje parametry pracy, tak by zapobiec nadmiernemu wzrostowi prądu, który mógłby prowadzić do wprowadzenia niedokładności oraz niedoborowi prądu, który mógłby zwiększyć podatność układu na szumy.

Zazwyczaj do zasilania wystarczy źródło prądu o wydajności 1 mA lub nawet mniej. W takich warunkach dokładność termometru rezystancyjnego może wynosić +/-4,3 °C w całym zakresie pracy. Jeśli potrzebna jest większa dokładność, model Callendar-Van Dusena zaprezentowany na równaniu 3 może zostać użyty do wygenerowania macierzy kompensacyjnej.

Równanie 3: Równanie Callendar-Van Dusena dla wysoce dokładnych termometrów rezystancyjnych

Aplikacje, w których stosowane są układy RTD obejmują instrumenty przemysłowe, wiatrometrze cieplne oraz przyrządy laboratoryjne.

Półprzewodnikowe sensory scalone

Rozwój półprzewodnikowych układów scalonych napędzany jest przez rynek motoryzacyjny, konsumencki, medyczny, komputerowy oraz inne branże. Są one często zintegrowane z bardzo wieloma układami scalonymi i zainstalowane w praktyce na większości płytek drukowanych.

Cechują się najlepszą liniowością na wyjściu i nie wymagają dodatkowych układów linearyzujących ani kompensacji spoiny odniesienia. Mogą być wykonane w ramach tego samego układu i procesu technologicznego, jak wszelkie inne obwody półprzewodnikowe, dzięki czemu można z łatwością je stosować w podzespołach o wysokiej skali integracji. Ich napięcia wyjściowe są wysokie, dzięki czemu mają niezłą odporność na szumy i łatwo można je podłączyć do dowolnych obwodów analogowych lub cyfrowych. Dzięki szerokiemu zakresowi temperatur pracy, nadają się do stosowania w różnorodnych obwodach elektronicznych, szczególnie że są dostępne w wersjach o różnych formach sygnałów wyjściowych: w postaci poziomów logicznych, impulsów, czy danych cyfrowych albo sygnałów analogowych.

Półprzewodnikowe czujniki scalone można znaleźć w wielu podsystemach samochodowych, wliczając w to hybrydowe i elektryczne napędy oraz silniki. Do innych aplikacji należą serwery korporacyjne, przemysłowe systemy sterowania, automatyka budynkowa, automatyka sieci zasilających, urządzenia medyczne, zdrowotne i do fitnessu, aparatura kontrolno-pomiarowa, zdalne wykrywanie, wyświetlacze oraz elektronika użytkowa.

Podsumowanie

Ilustracja 2 podsumowuje kluczowe cechy poszczególnych typów czujników temperatury

Ilustracja 2: Porównanie cech różnych czujników temperatury. Źródło: Premier Farnell Ltd

Dostępność sygnałów wyjściowych

Kluczową zaletą półprzewodnikowych, lub cyfrowych czujników jest ich zdolność do wytwarzania na wyjściu sygnałów w różnych, potrzebnych postaciach. Przykładowo, czujniki firmy Microchip pozwalają na podawanie wyników pomiarów za pomocą poziomów logicznych, sygnału napięciowego, lub interfejsu szeregowego.

Wyjście za pomocą poziomów logicznych w czujnikach temperatury pozwala uzyskać bardzo dużą dokładność (typowo +/-1 °C), przy bardzo niskim poborze prądu zasilania, poniżej 600 µA. Układy te mogą zastąpić przełączniki mechaniczne w wielu systemach sterowania.

Wyjście napięciowe w czujnikach pozwala na podawanie napięcia proporcjonalnego do zmierzonej temperatury ze współczynnikiem 6,25 mv/°C, lub 10 mV/°C. Przetworniki tego typu mogą mierzyć temperaturę z zakresu od -40 °C do +125 °C, przy czym wynik może być podawany z offsetem, tak by nie trzeba było stosować ujemnego napięcia zasilania. Bardzo niskie zapotrzebowanie na prąd zasilający pozwala zminimalizować samonagrzewanie się układu oraz wydłużyć czas pracy na baterii.

Wyjścia szeregowe w czujnikach pozwalają uzyskać wspaniałą dokładność (typowo do +/-0,5 °C), przy bardzo niskim poborze prądu, poniżej 250 µA. Komunikacja z tymi podzespołami prowadzona jest najczęściej z użyciem takich protokołów jak SMBus, I2C czy SPI. Zazwyczaj układy te bardzo szybko reagują na zmiany temperatury, a rozdzielczość uzyskiwanych z nich pomiarów wynosi od 0,0625 °C do 1 °C.

Praktyczne rozważania odnośnie integracji czujnika temperatury

Praktyczne powody sugerujące wybór termopary

Firma Peak Sensor opublikowała podręcznik wyboru termopar, w którym znalazły się informacje na temat tego, jak wybierać odpowiednią termoparę do aplikacji – tak jak to pokazano poniżej, na rysunku 3. Do poszczególnych rodzajów aplikacji przypisano optymalne rodzaje sensorów.

Ilustracja 3: Dobór termopar do aplikacji. Źródło: Premier Farnell Ltd

Średnie i lekkie termopary, tak jak zostało to pokazane na rysunku 3, są głównie używane w sprzęcie, który rzadko kiedy pracuje w ekstremalnych warunkach. Zazwyczaj stosuje się je w niższych temperaturach, a często są montowane wewnątrz urządzeń klientów. Można je produkować w dużych ilościach i są niedrogie oraz łatwe w użyciu, a koszt ich implementacji w projekcie dzieli się następnie na wiele sztuk produkowanych urządzeń. Są dostępne w trzech postaciach:

elastycznych kabli,
sztywnych, metalowych tulejek,
czujników w płaszczowej izolacji mineralnej.

Termopary do trudnych warunków są najczęściej stosowane w zakładach przemysłowych, systemach kontroli procesów i w fabrykach. Są produkowane w mniejszych woluminach i dla wyższych temperatur oraz mogą być odporne na agresywne chemikalia, materiały ścierne, ciśnienie i nawęglanie. Często są użytkowane na granicy ich możliwości i dlatego kosztują więcej w przeliczeniu za sztukę, ale można je też rozmontować w celu naprawy, lub odzyskać z nich cenne metale. Ze względu na typowe aplikacje, zazwyczaj wymagają stosowania płaszczy osłonowych, które chronią te czujniki przed środowiskiem. Zazwyczaj są wytwarzane w trzech podstawowych postaciach:

w ceramicznym płaszczu,
w płaszczu metalowym do zastosowań w wysokich temperaturach,
w płaszczu metalowym do zastosowań w środowiskach agresywnych chemicznie.

Warunki pracy termistorów

Termistory NTC, użytkowane najczęściej do pomiarów i kompensacji temperatury, zbudowane są z mieszaniny tlenków metali, zawierających nikiel, kobalt, mangan i czasem innych. Zazwyczaj mają kształt kuleczek, dysków, pręcików, prostopadłościanów i cienkich pasków. Termistory kulkowe są najczęściej kroplami pasty półprzewodnikowej, umieszczonej na dwóch przewodach wykonanych ze stopu platyny, spieczonych w wysokiej temperaturze. Przewody są następnie przycinane, by utworzyć pojedyncze termistory. Termistory o kształcie prostopadłościanów i dysków są wytwarzane w postaci cienkich płytek, a następnie spiekane w wysokiej temperaturze. Ich brzegi są posrebrzane by móc podłączyć wyprowadzenia, a całe płytki są następnie cięte do postaci dysków lub prostokątów. Termistory w postaci pręcików są po prostu wytłaczane.

Określone warunki pracy mogą znacząco obniżyć dokładność lub niezawodność podzespołu i powinny być unikane. Przykładowo, samonagrzewanie się może być ukrytą przyczyną dużych błędów pomiaru, gdyż termistory same generują ciepło jeśli ich prąd zasilania jest zbyt wysoki. Układy z dużą zdolnością do rozpraszania ciepła, niską rezystancją termiczną punktu montażowego oraz innymi dobrymi możliwościami odprowadzania ciepła będą w mniejszym stopniu nagrzewały się w opisanej sytuacji. Ale kluczowym czynnikiem by zapobiec nadmiernemu samonagrzewaniu jest utrzymywanie prądu zasilającego na jak najniższym poziomie.

Większość błędów pomiarowych oraz przedwczesnych uszkodzeń układu wynika z nieuważnego montażu i użytkowania. Przykładowo, pomimo że termistory uważa się za dosyć odporne podzespoły, należy zadbać o to, by nie uszkodzić ich obudowy, zerwać wyprowadzeń, lub przekraczać górnej granicy temperatury pracy.

W końcu problemem o którym wiele osób zapomina jest starzenie. Jeśli nie zostanie ono uwzględnione w harmonogramie konserwacji, może prowadzić do utraty dokładności pracy komponentu po dłuższym czasie jego działania. Objawia się w praktyce jako dryft rezystancyjny wyprowadzeń w czasie, co wynika ze zmiany rezystancji zastosowanego materiału w całej jego objętości oraz w miejscach kontaktu wyprowadzeń i samego przetwornika.

Ilustracja 4. Wewnętrzne komponenty termistora – źródło: Imgur

Typowe przyczyny błędów w RTD

Samonagrzewanie się jest najbardziej poważnym źródłem problemów w układach RTD. Odczyty mogą być błędne szczególnie w przypadku pomiarów temperatur poniżej 0 °C, dlatego ważne jest ograniczenie prądu zasilającego do jak najniższej wartości. Błędy do pomiarów mogą także zostać wprowadzone przez wyprowadzenia. Jednakże te problemy można ograniczyć korzystając z połączenia trójprzewodowego, a jeszcze lepiej – czteroprzewodowego. To ostatnie umożliwia zniwelowanie wpływu rezystancji wyprowadzeń w trakcie pomiarów napięcia.

Innym typowym błędem jest wybór nieodpowiedniego zakresu pomiarowego. Próba pomiarów poza zakresem pracy termometru rezystancyjnego może spowodować większe błędy, a nawet uszkodzenie czujnika.

W artykule opublikowanym w serwisie Sensors Online, 1 stycznia 2008 roku, Emmy Denton umieściła wiele użytecznych informacji na temat praktycznych aspektów lokowania scalonych czujników temperatury na płytce drukowanej. Wiele z tej wiedzy zostało podane poniżej.

Scalone czujniki temperatury, w postaci układów RTDS (Remote Diode Temperature Sensor) bazują na monitorowaniu złączy półprzewodnikowych diod w wysoce zintegrowanych, energochłonnych układach, takich jak procesory czy tranzystory bipolarne. Układ RDTS wraz z odpowiednim multiplekserem może być niedrogim sposobem na prowadzenie pomiarów w kilku punktach. Omówione techniki implementacji tego rozwiązania mogą być także zastosowane do innych analogowych czy cyfrowych, scalonych czujników temperatury.

Standardowe równanie na spadek napięcia pomiędzy bazą a emiterem w tranzystorze bipolarnym, opisane w modelu Ebbersa-Molla dla tranzystorów, obejmuje odwrotny prąd nasycenia (Is), który różni się pomiędzy poszczególnymi podzespołami. Metoda bazująca na pojedynczym prądzie może zostać wykorzystana, jeśli dokładność nie jest bardzo ważna (jeśli wystarczy by była na poziomie od 4°C do 8 °C).

Aby zneutralizować prąd Is, można skorzystać z metody dwuprądowej. We właściwym modelu, istotnym parametrem jest wielkość gęstości prądu płynącego przez złącze baza-emiter, ale można to uprościć poprzez uczynienie geometrii obu złączy diodowych identycznymi. Taki obwód pozwala na wykonanie pojedynczego pomiaru różnicowego, który ułatwia niwelowanie szumu, jaki pojawia się na diodzie, poprawiając tym samym niewrażliwość obwodu na szum.

Ponieważ czujniki RTDS mogą jednocześnie mierzyć prąd tylko na jednej diodzie, dwa różnicowe pomiary są wykonywane w określonych odstępach czasowych, a następnie są one odejmowane, by uzyskać sygnał na poziomie około 240 µV/°C. Różnica w czasie pomiaru powoduje, że nie uzyskuje się tak samo dobrej odporności na szum, jak w przypadku jednoczesnego pomiaru różnicowego, ale nadal jest to akceptowalne rozwiązanie. Dokładność takich czujników będzie się mocno różniła w przypadku gdy są one elementami wysoce złożonych, układów scalonych dużej mocy. Dlatego zaleca się szczegółową analizę specyfikacji podanej przez producenta.

Rozważania na temat rozmieszczenia elementów na PCB: Degradacja sygnału analogowego na płytce drukowanej wynika z zakłóceń elektromagnetycznych, efektów termoelektrycznych, rezystancji ścieżek oraz prądów upływu. Integralność sygnałów cyfrowych zależy natomiast głównie od długości ścieżek i impedancji na częstotliwości z którą pracują zamontowane układy.

Szeregowa rezystancja powinna być zminimalizowana tak bardzo, na ile to tylko możliwe. Ponieważ im wyższa jest impedancja ścieżek, tym większe prawdopodobieństwo, że problemem staną się sprzężenia spowodowane szumem. Aby tym bardziej zminimalizować wpływ rezystancji szeregowej, w układach RDTS wbudowane są wewnętrzne obwody kompensacyjne. Cyfrowy rejestr pozwala programowo ustalić wartość offsetu, która będzie dodawana do zbieranych odczytów – to często stosowana technika, która świetnie sprawdza się w przypadku problemu szeregowej rezystancji. Jej wpływ jest liniowy dla konkretnego sensora, gdyż sekcje wejściowe większości układów RDTS pozwalają poradzić sobie z kilkoma omami rezystancji szeregowej.

W niektórych układach RDTS stosuje się metody eliminacji rezystancji szeregowej, ale zazwyczaj skutkują one wprowadzeniem dodatkowego szumu w odczyty temperatury. Natomiast układy bez tego mechanizmu biorą pod uwagę różnice pomiędzy dwoma napięciami na diodach przy różnych wartościach prądów. Eliminacja wpływu rezystancji szeregowej jest często prowadzona poprzez wprowadzenie kolejnego poziomu prądu i kolejnego pomiaru napięcia na diodach. Jednakże – tak jak i wcześniej – są to pomiary wykonane niejednocześnie, a więc minimalizowanie szumu staje się trudniejsze.

Pierwszą linią walki z szumami stanowią obwody wbudowane w układy RDTS. Tak jak zostało to pokazane na rysunku 5, analogowy układ wejściowy, architektura przetwornika analogowo-cyfrowego oraz dodatkowe filtry cyfrowe – wszystkie one odgrywają rolę w zapewnieniu stabilnych, niezaszumionych wskazań temperatury. Większość sensorów zawiera filtr analogowy przy wyprowadzeniach. Niektóre korzystają z przetworników analogowo-cyfrowych ΣΔ (sigma-delta), które zawierają cyfrowy filtr uśredniający, nieobecny w przetwornikach pracujących w oparciu o metodę kolejnych przybliżeń (SAR). Ostatnim sposobem walki z szumami jest cyfrowy filtr, zawarty w większości układów RDTS i potocznie nazywany cyfrowym filtrem wygładzającym. Ponieważ szczegóły implementacyjne różnią się pomiędzy poszczególnymi producentami, konieczne jest szczegółowe zapoznanie się z kartami katalogowymi wybieranych czujników.

Ilustracja 5: Diagram blokowy układów RDTS – źródło: Premier Farnell Ltd

Dobry układ ścieżek na płytce jest zawsze ważny, a szczególnie jeśli przetwarzane sygnały sięgają poziomu rzędu 240 µV/°C. Nawet w przypadku czujników analogowych, których czułość wynosi 10 mV/°C, efektywny poziom sygnału jest niski i wymaga dbałości. W środowisku cyfrowym, gdzie poziomy szumów mogą sięgać setek miliwoltów, ważnym jest by obwody analogowe były odseparowane od cyfrowych. Należy zwrócić szczególną uwagę na sprzężenia indukcyjne pomiędzy ścieżkami na płytce. Warto unikać prowadzenia ścieżek cyfrowych wzdłuż analogowych. Jeśli ścieżki takie muszą się przecinać, należy się upewnić, że będą ułożone do siebie pod kątem prostym. Wypada też chronić obwody analogowe przed wpływem szumu poprzez zastosowanie dodatkowych kondensatorów w sekcji zasilającej oraz stosowanie się do zaleceń producenta. Bez tego, niewystarczająco skompensowana induktancja przewodów może wygenerować szumy w cyfrowych czujnikach.

Słabo dobrany kondensator może spowodować przepływ prądu do ścieżek prowadzących do diod, a błędne procedury oczyszczania mogą także skutkować błędami w odczycie temperatury. 20 nA prądu może wprowadzić ponad 0,2 °C błędu.

Zjawiska związane z EMI to zbyt szeroki temat, by go tu kompleksowo opisać, ale z łatwością można znaleźć wiele dobrych źródeł informacji na ten temat. Zjawiska termoelektryczne można natomiast pominąć, jeśli w schemacie płytki występuje tylko kilka punktów złączenia miedzi i lutowia, a poziom sygnału oscyluje poniżej mikrowoltów.

Fizyczne umieszczenie czujnika jest krytyczne, by mieć pewność, że mierzona temperatura jest tą, którą chcemy mierzyć. Krzywa na rysunku 6 pokazuje skuteczność tranzystora 2N3904/MMBT3904 podczas pomiaru temperatury powietrza, w zależności od sposobu montażu. Zamontowany na płytce układ 2N3904 (T1) w obudowie typu THT w rzeczywistości nie mierzy temperatury powietrza, nawet pomimo tego, że został on przylutowany tak daleko od powierzchni płytki, jak tylko pozwalały na to wyprowadzenia. To dlatego, że mają one bardzo dobrą przewodność cieplną. Jest to zaleta, gdy chcemy mierzyć temperaturę płytki, ale wada, jeśli staramy się zmierzyć temperaturę otocznia. Lepszymi alternatywami są tranzystory T2 i T3. Układ T2 został umieszczony na PCB poza główną płytką, a T3 podłączony za pomocą ekranowanej skrętki. T4 mierzy lokalną temperaturę, wykrywaną przez 4-wejśćiowy układ RDTS, National Semiconductor LM95214. Może on podawać temperaturę czterech zdalnie umieszczonych diod oraz swoją własną.

Jeśli porównamy dokładność układów od T1 do T4, uzyskamy krzywą pokazaną na rysunku 6. Prosty opornik mocy w otoczeniu nieruchomego powietrza nagrzewa tył płytki. W trakcie, gdy rośnie temperatura rezystora, nagrzewają się też zamontowane na płytce układy 2N3904 (T1) i LM95214 (T4). Termopara została w tym przypadku zastosowana jako pomiar odniesienia dla temperatury powietrza. Ekranowana skrętka może być wydłużona nawet na kilka metrów, ale w tym przypadku ograniczono pojemność obwodu do zaleceń producenta układu RDTS i wybrano przewody o przekroju, który zminimalizuje rezystancję szeregową.

Ilustracja 6: Rozmieszczenie czujników temperatury – źródło: Premier Farnell Ltd

O ile możliwa jest kompensacja większości źródeł błędów, to nie da się tak zrobić z wszystkimi. Najlepsze rezultaty uzyskuje się korzystając z czujników z wbudowanymi zabezpieczeniami przed szumem oraz stosując odpowiednie techniki układania elementów. Należy też upewnić się, że czujnik został odpowiednio zamontowany, tak by poprawnie mierzyć pożądaną temperaturę i mieć świadomość elementów, jakie znajdują się w otoczeniu czujnika.

Jak zacząć?

Wprowadzenie na temat czujników temperatury można znaleźć na naszych stronach internetowych. Oferujemy także wiele zestawów ewaluacyjnych i modułów, takich jak podano poniżej.

Płytka ewaluacyjna Texas Instruments TMP112EVM

TMP112 to cyfrowy czujnik temperatury o 12-bitowej rozdzielczości. Układ korzysta z dwuprzewodowych interfejsów I2C i SMBus, które pozwalają na podłączenie do 4 takich podzespołów w ramach jednego interfejsu. Jest to idealne rozwiązanie w przypadku pomiarów wysokich temperatur – może pracować w zakresie od -40 °C do +125 °C. Płytka TMP112EVM to platforma ewaluacyjna, która pozwala zbadać skuteczność TMP112 w różnych warunkach otoczenia, zasilania i prowadzenia sygnału.

Ilustracja 7: Płytka ewaluacyjna TMP112EVM

Zestaw testowy Maxim MAX31730

Zestaw MAX31730 zawiera sprzęt i oprogramowanie graficzne, potrzebne do testowania trójkanałowego zdalnego czujnika temperatury, dostępnego w obudowach µMAXM i TDFN. Zestaw zasilany jest przez USB i zawiera układ MAX31730 oraz trzy zewnętrzne tranzystory, a także interfejs USB-SMBus/I2C

Ilustracja 8: Zestaw ewaluacyjny MAX31730

Podsumowanie

Pomiary temperatury to szeroki temat, w ramach którego znaleźć można wiele różnych typów czujników, gdzie z każdym z nich wiąże się oddzielna teoria i praktyka. W niniejszym artykule postaraliśmy się zapoznać czytelników z tymi informacjami i pomóc im w planowaniu swoich kolejnych projektów.