Как я уже не раз говорил, любая система автоматизации на основании входной информации о состоянии управляемого объекта осуществляет воздействие на этот объект. Этому была посвящена одна из первых статей канала "Автоматизация. Начало. Что и почему." В ней же я впервые коснулся темы датчиков. И сегодня мы снова поговорим именно о датчиках. Датчики являются источниками информации об управляемом, или наблюдаемом, объекте. Это те самые органы чувств системы автоматики, которые заменяют ей наши зрение, слух, осязание.
Я уже рассказывал об одной из прикладных задач, где применяются различные типы датчиков, и возникающих при этом сложностях "Влажность почвы. Почему все так не просто?" Эта же статья показывает, что невозможно быть "чистым технарем", нужно всегда становиться "немного специалистом" в прикладной области.
Но из всех возможных типов датчиков я пока рассказывал только о емкостных. "Ёмкостные датчики. Принцип работы и особенности." и "Емкостные датчики. Измерения и обработка сигнала". Пришло время познакомиться с еще одним типом датчиков - датчиками температуры.
Необходимость измерения температуры возникает очень часто, в самых разных задачах. Это может быть и простое измерение температуры воздуха в помещении или на улице. И измерение температуры жидкости, в том числе, агрессивной. И измерение температуры в муфельной печи или кузнечном горне. И измерение температуры хладагента или сжиженного газа.
И точность может потребоваться разная. Иногда допустима погрешность в пару градусов, а иногда и 0.01 может быть недопустимым. Да и тип подключения/сигнала к системе может быть разным.
Давайте оставим в стороне крайности, равно как и простейшие случаи. Поэтому сегодня не будет биметаллических пластин, болометров (и вообще бесконтактных датчиков) разной экзотики. Я расскажу лишь о типах датчиков температуры, которые могут с большей вероятностью использоваться в любительских проектах и устройствах:
- термопары
- термопреобразователи (термометры) сопротивления
- терморезисторы
- аналоговые полупроводниковые датчики температуры
- цифровые полупроводниковые датчики температуры
Особенности измерения температуры
Казалось бы, мы измеряем температуру и никакой физики с теплотехникой тут быть не должно. Мы не конкретную прикладную задачу решаем, а сам процесс рассматриваем.
Однако, без физики никак не обойтись. Поскольку измерение температуры это несколько большее, чем простая установка термометра. К счастью, физики будет немного, причем вообще обойдемся без формул. Так как статья не о физике а о датчиках температуры.
Количество теплоты
Что бы датчик мог измерить температуру необходимо его нагреть, или охладить. Причем даже не сам датчик, а его чувствительный элемент, который может быть помещен в корпус.
Что бы изменить температуру тела (физического!) необходимо передать ему, или забрать у него, определенное количество теплоты, пропорциональное его массе, разности между начальной и конечной температурой, удельной теплоемкости тела.
В общем случае, датчик температуры состоит из нескольких элементов с разной массой и удельной теплоемкостью. Но перед нами не стоит задача точного аналитического расчета, нам просто нужно некоторое понимание процесса измерения.
Можно провести некоторую аналогию с электрическими явлениями. Если рассматривать тело как конденсатор, то напряжение на обкладках будет условно соответствовать температуре. И для изменения этого напряжения конденсатор должен получить, или отдать, некоторое количество заряда.
Теплопередача, теплопроводность, тепловое сопротивление
Теплота, передаваемая датчику температуры, не берется из ничего. Она передается от тела, температуру которого мы измеряем, нашему датчику. Причем в большинстве случаев не напрямую, а через промежуточные тела.
Процессы теплопередачи бывают разными. И они отличаются для твердых тел, жидкостей, газов. Причем на эти процессы влияют не только тепловые характеристики, но и, например, скорость движения потока газа или жидкости.
Неизменным остается только направление передачи теплоты от тела с более высокой температурой телу с более низкой температурой.
В реальных ситуациях зачастую передача тепла может идти сразу несколькими путями. Например, установленный на печатной плате датчик температуры, на некотором расстоянии от которого расположен радиатор с установленным мощным транзистором, будет получать теплоту и через печатную плату (твердое тело), и через воздух (газ и конвекция), и за счет излучения (если между радиатором и датчиком нет препятствий).
Во многих случаях достаточно учитывать лишь основной путь передачи тепла. Так для датчика, установленного на радиаторе мощного транзистора, основным путем передачи теплоты будет передача через радиатор, как твердое тело.
Одним из физических параметров различных материалов является теплопроводность, которая характеризует способность материала передавать теплоту. Чем выше теплопроводность, тем легче теплота передается через материал.
Если опять прибегнуть к электрическим аналогиям, то теплопроводность можно считать примерным аналогом электрической проводимости, причем удельной проводимости.
Есть и другой параметр - тепловое сопротивление. И именно его можно встретить в документации на электронные компоненты (транзисторы, микросхемы, диоды, и т.д) и описании методик расчета элементов их охлаждения. Этот параметр характеризует способность материала сопротивляться передаче теплоты.
В электрической аналогии тепловое сопротивление можно считать аналогом электрического сопротивления.
Если вернуться к нашей аналогии с конденсатором, то можно сказать, что процесс передачи теплоты датчику похож на процесс заряда (разряда) конденсатора через резистор.
Тепловое поле
Источник тепла создает в пространстве тепловое поле, которое не является эквипотенциальным. Опять таки, можно в качестве аналогии привести электрическое поле создаваемое заряженным телом.
Напряженность электрического поля в заданной точке зависит, в том числе, от расстояния до заряженного тела. Точно так же, температура в заданной точке зависит от расстояния до источника тепла. И точно так же, на это поле влияют различные дополнительные факторы. Например, отверстие с вкрученным винтом в радиаторе, или ребро радиатора, искажают поле и влияют на распределение тепла.
Немного промежуточных выводов
Как и в большинстве случаев, процесс измерения температуры является вмешательством в тепловые процессы, происходящие в объекте измерения.
Так прикладывая датчик температуры (или даже просто палец) к корпусу транзистора, что бы измерить или оценить его температуру, мы неизбежно снижаем его температуру. Причем тем сильнее, чем меньше масса транзистора, или чем больше масса датчика. И требуется время, что установилось новое равновесное состояние.
Транзистор с закрепленным изначально датчиком температуры будет прогреваться до равновесного состояния немного дольше. И его температура будет отличаться от температуры без датчика, так условия теплообмена будут другими.
Температура кристалла транзистора будет всегда (почти всегда, если точно) выше температуры его корпуса. И тем более, температуры радиатора, на котором транзистор может быть установлен.
В подавляющем большинстве случаев температура не может измениться мгновенно. Так как передача тепла процесс не мгновенный. Особенно, с учетом теплоемкости и теплопроводности участвующих в процессе тел (корпус транзистора, изоляционная прокладка, термопаста, слой припоя, фольга, стеклотекстолит).
Кроме того, на скорость теплопередачи влияют и не тепловые параметры, например, скорость потока воздуха. В качестве примера приведу график из документации на датчик AD22100
Здесь показано время установления состояния для трех разных случаев: алюминиевого блока (радиатора), подвижного воздуха (газа), неподвижного воздуха.
Для алюминиевого блока равновесное состояние устанавливается примерно за 9 секунд. Для подвижного воздуха (скорость потока не указана) примерно за 18 секунд. А для неподвижного воздуха недостаточно и 100 секунд.
Поэтому слишком быстрые колебания выходного сигнала датчика могут считаться шумом и помехами, а значит, должны отфильтровываться. Кроме того, имеет смысл выполнять усреднение уже после отбрасывания артефактов.
В двух разных точках, даже если они расположены близко друг от друга, температура может отличаться. Это абсолютно нормальное явление.
Общие параметры датчиков температуры
Что бы не повторяться при описании каждого типа датчиков, давайте сразу выделим несколько общих параметров.
Рабочий диапазон температур
У каждого типа датчиков он свой. Причем этот диапазон совсем не обязательно определяется материалами, из которых датчик изготовлен. Ограничения на рабочие температуры может накладывать и возрастающая нелинейность преобразования, и снижение точности измерений.
Линейность
Многие датчики имеют нелинейную зависимость выходного сигнала от температуры по причине нелинейности измерительного элемента. В некоторых случаях нелинейность может быть скомпенсирована встроенной в датчик схемой предварительной обработки.
Кривая преобразования может быть задана аналитической функцией или в виде калибровочной таблицы. Причем аналитическая функция может быть довольно сложной. Примером могут служить датчики NTCLE100E3 или HEL-775. Примером датчиков с калибровочной таблицей могут служить опять таки NTCLE100E3 (для которого заданы и формула и таблица) или KTY81.
При этом нет абсолютно линейных датчиков, даже если это заявлено в их описании. Некоторая нелинейность, если она не приводит к ошибкам измерения выходящим за допустимые пределы, допустима и вызвана естественной неидеальностью датчиков. Или недостаточно точной компенсацией внутренней схемой обработки.
Так для датчика LM335, который считается линейным, документация определяет допустимую нелинейность 1.5 градуса (типовая 0.3).
Точность (погрешность) и разрешающая способность
Эти два параметра иногда путают. Или воспринимают не совсем верно. Я не буду погружаться в метрологию и рассказывать о разных типах погрешностей. Скажу лишь, что систематическую погрешность можно скомпенсировать калибровкой.
Обратите внимание, что погрешность возрастает при приближении к границам диапазона температур. И как выглядят кривые погрешности, для 4 типичных микросхем.
Видно, что кривые погрешности могут быть разными, они тоже нелинейны, но не выходят за установленные границы. И зависят от температуры. Вот такая погрешность и может быть скомпенсирована калибровкой.
А вот погрешность случайная, которая возникает в каждом измерении, и которую заранее предсказать невозможно, не может быть скомпенсирована.
Возможности калибровки можно увидеть на примере датчика LM335. Для не калиброванного датчика погрешность может достигать 6 градусов (типовая 4). А если датчик откалибровать, то погрешность снижается до 2 градусов (типовая 1). Причем в данном случае речь идет о калибровке лишь в одной точке, а не в нескольких, что позволило бы еще больше повысить точность измерений.
Разрешающая способность определяет, минимальную разницу между двумя отсчетами, которая позволяет считать их различными. Для аналоговых шкал (стрелочный аналоговый измерительный прибор) разрешающая способность может определяться, например, как 1/3 от цены деления шкалы. Для цифровых приборов разрешающая способность может определяться разрешающей способностью АЦП.
Так для датчика LM95071, с погрешностью в диапазоне температур от 0 до 70 градусов +- 1 градус, который имеет встроенный 14-битный АЦП, заявлена разрешающая способность 0.03125 градуса.
Реальная же разрешающая способность определяется с учетом случайной погрешности измерений и уровнем шума в преобразованном сигнале. Причем после усреднения и фильтрации.
Тип выходного сигнала
В общем и целом, датчики могут выдавать на выходе аналоговый сигнал (сопротивление, напряжение, ток) или цифровой. Рассматривать выход типа "сухой контакт" я не буду. Аналоговый сигнал может быть и частотным, но это уже скорее экзотика в наше время.
Цифровой выходной сигнал, чаще всего в двоичном виде, может выдаваться через разные интерфейсы и протоколы. Это может быть и SPI, и I2C, и UART через RS-485.
Аналоговый выход позволяет использовать датчик не только в схемах с микроконтроллером (требует дополнительной обработки), но и в аналоговых схемах. А датчики с цифровым выходом в подавляющем большинстве случаев требует использования микроконтроллеров.
Тип среды
Датчики могут использоваться для измерений в самых разных средах. Например, термопары могут использоваться для измерения в газах, жидкостях, для измерения температуры твердых тел. Причем они работают даже при очень высоких температурах, чем не может похвастаться большинство датчиков других типов. Но в большинстве случаев, достаточно разместить датчик в соответствующем корпусе, что бы его можно было использовать, например, не только в газе, но и в жидкости.
Долговечность
Многие типы датчиков весьма долговечны физически. Но с течение времени их параметры могут изменяться. Герметичные датчики (например, полупроводниковые) менее подвержены деградации. А вот незащищенные терморезисторы (например, ММТ производства СССР), которые покрыты лишь слоем краски (иногда еще лака) могут деградировать достаточно быстро при работе, например, во влажном воздухе или при частых резких перепадах температуры.
Кстати, не лучшим образом на параметрах датчиков, и их долговечности, сказывается регулярный выход за допустимые условия эксплуатации.
Заключение
На этом первая часть статьи заканчивается. Во второй части я рассмотрю уже собственно датчики температуры разных типов и особенности их применения.