Кварцевые датчики температуры
Кварцевые термометры – это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов, прежде всего, заключается в их высокой чувсвительности, высокой стабильности и простоте использования. Сигнал от резонаторов можно сразу обрабатывать в цифровой форме, что удешевляет процесс контроля температуры. Измерение температуры с помощью термочувствительных кварцевых резонаторов основано на использовании анизотропии кристалла кварца. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая в общем случае является нелинейной функцией температуры и описывается следующим выражением:
В широком диапазоне температур ТЧХ кварцевого резонатора с достаточной точностью аппроксимируется полиномом третьей степени (m = 3).
Для измерения температуры нужны кварцевые резонаторы с максимальным ТКЧ и монотонным изменением ТЧХ на рабочем участке. Современные кварцевые термочувствительные резонаторы имеют чувствительность 60 ppm/°C , что составляет 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с опорной частотой, равной 32 и 64 кГц соответственно.
Диапазон измеряемых температур ограничен снизу азотными температурами, а сверху - примерно величиной +(150…200) °С. Ограничение определяется наличием провалов добротности резонаторов при использовании искусственного кварцевого сырья, а также уменьшением крутизны преобразования при понижении температуры. Для достижения высокой точности измерения температуры необходима индивидуальная градуировка с учетом нелинейных членов в аппроксимирующем полиноме, однако, в настоящее время это не является сложной задачей. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике. Существуют термометры позволяющие измерять температуру в диапазоне –30...+100 °С с точностью 0,06 °С.
Типовой кварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента, частотного преобразователя и специального вычислителя (микроконтроллер). Созданный на базе кварцевых резонаторов цифровой термометр можно использовать как многоканальную систему контроля температуры. Можно осуществить передачу частоты с преобразователя температуры на расстояния до нескольких сотен метров. Преимущественная область использования кварцевых термометров - научные исследования, связанные с высокоточными и длительными измерениями.
Интегральные датчики температуры (ic temperature sensors)
Интегральные диодные датчики температуры – самые современные и быстро развивающиеся температурные датчики, которые встраиваются в микросхемы и широко используются в электронике. Международная абривиатура – IC (Integrated Circuit temperature sensors). Принцип работы датчиков основан на зависимости вольт-амперной характеристики полупроводникового диода от температуры.
Температурный диапазон диодных термометров довольно ограниченный, по сравнению с платиновыми термометрами сопротивления и термопарами – они работают только до 150 °С. Однако датчики имеют ряд преимуществ перед термометрами сопротивления. Они очень компактны, относительно дешевы, и, как уже отмечалось, могут легко встраиваться в усилители, регуляторы, микроконтроллеры и др. электронные приборы. При этом диодные термометры обладают высокой чувствительностью и достаточно высокой точностью. Сфера их применения непрерывно расширяется, они могут использоваться в системах измерения локальной температуры процессоров, измерительных плат, в сложных системах многопараметрического контроля, в которых производиться одновременный мониторинг давления, расхода и др. параметров. Важное значение приобретает применение микродатчиков для систем дистанционного мониторинга температуры и пожарной безопасности, где сигнализация срабатывает при превышении определенного температурного порога.
Даже самые ранние разработки IC термометров имели большое преимущество перед термисторами в том, что исключали необходимость линеаризации выходной характеристики, которая, как известно, у термисторов крайне не линейна.
Существует два основных типа диодных датчиков – аналоговый и цифровой, и несколько вариаций каждого из типов. Аналоговые датчики выдают сигналы тока или напряжения, пропорциональные температуре. Аналоговые IC термометры все еще довольно широко применяются, преимущество таких IC - широкий диапазон напряжений – от 4 до 30 В и нечувсвительность к падению напряжения на длинных линиях передачи сигнала.
Большинство современных приборов требуют преобразования сигнала в цифровой формат данных, что может быть осуществлено преобразованием аналогового сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. С развитием технологии изготовления диодных датчиков встраивание функции АЦП стало технически и экономически эффективным способом решения многих измерительных и мониторинговых задач. Выходной сигнал с цифрового IC термометра выдается в цифровом формате в виде «0» и «1», таким образом делая удобным их применение с микроконтроллерами. Цифровые термометры могут иметь дополнительные функции: регистрировать температуры удаленных объектов, отслеживать изменение напряжения, скорости потока, сигнализировать о превышении заданной температуры.
Наиболее популярными компонентами 1-Wire-сетей являются цифровые термометры типа DS18S20 (фирма Dallas Semiconductor ), более известные под обозначением уже давно снятого с производства устройства DS1820, успевшего стать международным брендом. Преимущества этих цифровых термометров с точки зрения организации магистрали, по сравнению с любыми другими интегральными температурными сенсорами, а также неплохие метрологические характеристики и хорошая помехоустойчивость, уже на протяжении полутора десятков лет неизменно выводят их на первое место при построении многоточечных систем температурного контроля в диапазоне от -55°С до +125°С. Они позволяют не только осуществлять непосредственный мониторинг температуры в режиме реального времени, но и благодаря наличию встроенной энергонезависимой памяти температурных уставок, могут обеспечивать приоритетную оперативную сигнализацию в 1-Wire-линию о факте выхода контролируемого параметра за пределы заданных значений.
Более совершенные термометры – модель DS18В20, их скорость преобразования определяется разрядностью результата, программируемой непосредственно по 1-Wire-линии. Цифровой код, считываемый с такого термометра, является прямым результатом измеренного значения температуры и не нуждается в дополнительных преобразованиях. Некалиброванная, но в тоже время более дешевая версия DS18B20 под обозначением DS1822 представляется оптимальным решением для разработчиков недорогих многоточечных систем контроля температурных процессов. Для потребителей, использующих только паразитный режим питания однопроводной линии, компания Dallas Semiconductor выпускает экономичные двухвыводные устройства - DS18S20-PAR, DS18B20-PAR, DS1822-PAR. Кроме того, фирма Dallas Semiconductor поставляет однопроводные термометры DS1825, которые имеют четыре отдельных адресных вывода, что позволяет формировать до 16 локальных адресов на 1-Wire-линии. Благодаря такой особенности, мастер может оперативно определять место положения до 16 термометров такого типа в 1-Wire-сети многоточечного температурного контроля, без использования таблиц соответствия 64-битных индивидуальных адресов, что значительно увеличивает производительность системы в целом.