Przełom w pomiarach temperatury - jeden układ do wszystkich typów czujników

W zależności od zakresu i wymagań dokładności do pomiaru temperatury wykorzystuje się termopary i termorezystory, czujniki półprzewodnikowe i termistory. Cyfryzacja analogowych sygnałów dostarczanych przez te elementy nie jest banalna i wymaga wiedzy na temat układów analogowych i doświadczenia w panowaniu nad zakłóceniami.

Stąd dostępność specjalizowanego układu scalonego, który takie zadanie spełnia i charakteryzuje się dużą uniwersalnością, jest w stanie przyspieszyć wiele prac projektowych. Układ obsługuje rezystory RTD i termopary oraz półprzewodnikowe czujniki diodowe. Ma wbudowane obwody kondycjonowania sygnałów, linearyzacji i podaje na wyjściu wynik wyrażony w °C.

LTC2983 ma wbudowane charakterystyki linearyzacji wielomianowej dla wszystkich 8 standardowych termopar (J, K, N, E, R, S, T i B) oraz dodatkowo pozwala na użycie tabeli z indywidualnymi współczynnikami użytkownika. Układ ma także obwód pomiaru temperatury i kompensacji zimnego końca termopary, dzięki czemu jest w stanie podać wynik w °C.

Termopary

Rys. 1. Pomiar temperatury termoparą z kompensacją zimnego końca za pomocą czujnika diodowego

Fizyczna konstrukcja termopary jest prosta - wszystko, co jest potrzebne do jej skonstruowania, to skręcone razem lub zespawane druty z odpowiednich stopów. Napięcie wyjściowe termopary jest rzędu kilku miliwoltów na stopień Celsjusza i element ten nie mierzy bezwzględnej wartości temperatury, ale różnicę pomiędzy temperaturą końca "gorącego", czyli tego, którego umieszcza się w nieznanym otoczeniu, a końca "zimnego" stanowiącego punkt odniesienia.

Co więcej, napięcie wyjściowe z termopary jest nieliniowe, więc konieczne jest zapewnienie linearyzacji, w przypadku omawianego układu stosowany jest wielomian 14. rzędu, za pomocą którego charakterystyka rzeczywista jest modelowana w domenie cyfrowej. Temperatura zimnych końców jest zwykle określona poprzez umieszczenie oddzielnie drugiego czujnika temperatury (diody lub RTD) mierzącego temperaturę spoiny w tym miejscu. Na bazie wyniku pomiaru temperatury zimnego końca termopary, odczytu napięcia na końcu gorącym, oraz funkcji linearyzacyjnej układ wylicza temperaturę w stopniach Celsjusza.

Napięcie wyjściowe tego elementu jest relatywnie małe, przez co zakłócenia i szumy muszą być eliminowane skutecznie, aby nie wpłynęły na wynik. To samo dotyczy jakości używanych źródeł odniesienia we wbudowanym w układ 24-bitowym przetworniku delta-sigma. Producent zapewnia dla niego źródło o offsecie i zakłóceniach poniżej 1 µV i stabilności temperaturowej lepszej niż 1,0 ppm/°C.

Napięcie wyjściowe termopary może zmienić znak, gdy mierzona temperatura będzie mniejsza niż odniesienia, co komplikuje układ pomiarowy i wymusza dodanie do układu kondycjonującego ujemnego napięcia zasilającego niezbędnego do prawidłowej pracy wzmacniaczy operacyjnych na wejściu.

Oczywiście wejście musi też być zabezpieczone przed przeciążeniem, mieć określone pasmo przenoszenia odpowiadające pożądanej szybkości pomiarów dla minimalizacji szumów i charakteryzować się niewielką wartością prądu polaryzacji, po to, aby wejściowe obwody filtrujące nie powodowały offsetu. Są one konieczne do wycinania zakłóceń chociażby o częstotliwościach 50 i 60 Hz od sieci energetycznej.

Dalsze funkcje wymagane od takiego układu pomiarowego to np. detektor obecności termopary lub jej uszkodzenia. Niestety standardowe podejście polegające na dodaniu do układu rezystora podciągającego wejście do zasilania i komparatora ma wady, bo powoduje dodatkowe błędy wpływające na sumaryczną dokładność.

Stad w LTC2983 obwód ten nie jest podłączony przez cały czas do termopary i w czasie pomiarów nie jest aktywny. Dodatkowo kontrolowane jest działanie obwodu mierzącego temperaturę zimnego końca termopary, pod kątem tego, czy pomiar mieści się w zakresie dopuszczalnej tolerancji.

Czujnik diodowy

Dioda jest chętnie wykorzystywana w roli taniego czujnika pomiaru temperatury, bo napięcie na niej maleje o ok. 2 mV na °C przy zasilaniu ze źródła prądowego. Niemniej dla minimalizacji błędów konieczne jest stabilne źródło prądu i układ linearyzacji napięcia kompensujący nieidealność charakterystyki.

Ponieważ układ pomiarowy posługuje się bezwzględną wartością napięcia na diodzie, offset układu wejściowego (wynikający z różnicy potencjałów między masą czujnika i masą przetwornika) i napięcie odniesienia mają duże znaczenie. Układ mierzy też temperaturę przy trzech wartościach prądu polaryzacji po to, aby wyeliminować błędy wynikające z reaktancji pasożytniczych.

Czujnik rezystancyjny

Rys. 2. 4-przewodowy pomiar temperatury za pomocą RTD

Precyzyjny termorezystor pomiarowy RTD wykonany jest z cienkiego drutu platynowego i ma standardową rezystancję rzędu setek omów, np. PT-100 to czujnik 100-omowy. Używa się go do pomiarów temperatury w zakresie od -200°C do 850°C. Rezystancja czujnika RTD zmienia się ok. 0,386 Ω na stopień, a w temperaturze 0°C jest rzędu 100 Ω dla PT-100.

Dlatego dokładność rezystancyjnych czujników temperatury zależy w dużym stopniu od rezystancji przewodów. Czujnik RTD jest pobudzany stałym prądem, a do pomiaru napięcia stosuje się metodę 3- lub 4-przewodową. Jeśli RTD znajduje się daleko od układu pomiarowego, to preferowana jest metoda 3-przewodowa ze względu na niższy koszt okablowania.

Jeśli wymagana jest duża dokładność pomiaru, to preferowana jest konfiguracja 4-przewodowa. Impedancja wejściowa toru pomiarowego musi być bardzo duża, aby wyeliminować wpływ prądów wejściowych oraz napięć termoelektrycznych powstających na połączeniach czujnika i układu pomiarowego.

LTC2983 obsługuje wszystkie dostępne czujniki RTD od PT-10 do PT-1000, a także NI-120 i ma wbudowane współczynniki korekcyjne dla standardów EN, US i JP. Wysoka dokładność przetwornika A/C zapewnia dobrą dokładność, bo dla PT-100 i pobudzenia prądem 100 µA 1°C odpowiada zmianie napięcia pomiarowego o 4 µV.

Rys. 3. Pomiar temperatury za pomocą termistora

Wejście pomiarowe może być wykorzystane jako odniesienie pomiarowe dla kompensacji zimnego końca termopary w drugim kanale pomiarowym.

LTC2983 wykorzystuje układ pomiarowy z rysunku 2, w którym rozdzielono obwody pobudzające sensor ze źródła prądowego od obwodów pomiarowych. W ten sposób została też zapewniona możliwość filtracji napięcia wejściowego i zabezpieczenia przed ESD zacisków wejściowych - umożliwiają to cztery dodatkowe rezystory o wartościach ok. 10 kΩ.

Są one na tyle duże, że zapewniają dobrą filtrację, ale jednocześnie dołączone do tej sieci obwody pomiarowe muszą mieć mały offset, dryft i szum, bo niestety wykorzystany przetwornik deltasigma jest podatny na zakłócenia i duże rezystancje mogą prowadzić do niestabilnego wyniku pomiaru. Czyli z jednej strony duże rezystancje w obwodzie pomiarowym są pożądane z uwagi na zakłócenia, a z drugiej niepożądane z uwagi na błędy wynikające z nieidealności obwodów pomiarowych.

Producent z problemem dokładności pomiaru w tym przypadku poradził sobie, wykorzystując dwa równolegle pracujące przetworniki A/C, z których jeden mierzy a drugi pełni funkcję odniesienia (rys. 3). Pozwala to wyznaczyć wartość rezystancji czujnika i wartości RSENSE i zapewnić pomiary w topologii 2-przewodowej, 3-przewodowej i 4-przewodowej. W ten sposób realizowana jest kontrola obecności czujnika.

Termistory

Rys. 4. LTC2983 jako system 4-kanałowy z różnymi czujnikami

Termistory to rezystory wykonane z materiału o rezystywności zależnej od temperatury. Są one elementami mniej dokładnymi w porównaniu do termorezystorów z platyny: mają bardziej nieliniową charakterystykę, większą tolerancję parametrów i pracują w węższym zakresie temperatur, typowo od -40 do +150°C maksymalnie.

Układ pomiarowy z ich użyciem jest podobny jak dla RTD, tu także w szereg z termistorem włączone zostały szeregowe rezystory wymuszające stałość prądu pomiarowego i linearyzujące charakterystykę tego elementu, niemniej z uwagi na to że czułość termistora jest znacznie większa w porównaniu do poprzednich czujników, nie ma tutaj potrzeby dodatkowego filtrowania sygnału lub też bazowania na czteroprzewodowym podłączeniu czujnika do układu pomiarowego.

LTC2983 automatycznie generuje prąd zasilający czujnik i mierzy wartość pomocniczych rezystancji szeregowych oraz wylicza wartość temperatury. Co więcej, producent zapisał w układzie współczynniki linearyzacji dla popularnych wartości termistorów takich jak 2,2, 3, 5, 10 i 30 kΩ. Niemniej oczywiście można zdefiniować je też samemu na bazie metody Steinhart-Hart.

Rezystancja termistora zmienia się w stosunkowo szerokim zakresie. Element NTC o wartości nominalnej 10 kΩ ma około 1 MΩ przy -40°C, co powoduje, że źródło prądowe musi dostarczać prąd niewielkiej wartości, zwłaszcza że płynie on przez dodatkowe rezystory szeregowe. Powoduje to, że napięcia wejściowe przetworników zmieniają się w szerokim zakresie i największą dokładność pomiaru zapewnia wspomniana architektura dwuprzetwornikowa.

Uniwersalny system pomiarowy

Warto zauważyć, że LTC2983 może pracować jako uniwersalny system pomiarowy temperatury zawierający do 4 kanałów pomiarowych obsługujących termopary i RTD w połączeniu 3- i 4-przewodowym (rys. 4). Konfiguracja układu pozwala na programowanie działania poprzez zapisywanie danych do wewnętrznych rejestrów za pomocą interfejsu szeregowego SPI. W pomiarach temperatury taka uniwersalna konstrukcja, o dużej dokładności zapewnianej przez wewnętrzne przetworniki 24-bitowe, stanowi przełom i jest w stanie zapewnić nową jakość w urządzeniach przemysłowych.

Michael Mayes
Linear Technology
Arrow Electronics Poland
www.arroweurope.com