Полупроводниковый датчик температуры: получение и преобразование сигнала в режиме реального времени

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ: ПОЛУЧЕНИЕ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА В РЕЖИМЕ

РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Бирюкова Ольга Витальевна,

ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский университет "МЭИ", старший преподаватель кафеедры физики им. В.А.Фабриканта, Москва, Россия, BiriukovaOV@yandex.ru

Корецкая Ирина Валерьевна,

ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский университет "МЭИ", старший преподаватель кафеедры физики им. В.А.Фабриканта, Москва, Россия, KoretskyaIV@mpei.ru

Ключевые слова: полупроводниковый датчик, термодатчик, температура, нелинейность, чувствительность, микроконтроллер.

Статья посвящена получению и обработке сигнала с датчика температуры, работающего в составе многоцелевого оборудования для полевых испытаний. Рассматриваются возможные типы датчиков, обосновывается выбор для тестирования полупроводникового датчика LM335 (National Semiconductor). Предлагается схема включения, обеспечивающая стабильную работу и возможность программного изменения коэффициента усиления сигнала датчика. Организована передача контролируемой температуры ПК в режиме реального времени. Программа передачи данных обеспечивает два режима работы: непрерывный и по управляющему сигналу. Непрерывный режим позволяет построить временные зависимости сигнала датчика при его выходе на рабочий режим, а также при установлении температуры датчика в различных внешних процессах. На основании анализа этих зависимостей предложено использовать результаты математического моделирования для получения априорной оценки предельного значения температуры по окончании переходного процесса.

Основной целью работы было определение возможности использования данного датчика для контроля температуры вечномерзлых грунтов. Методика получения и обработки сигналов была использована в аппаратуре для статического зондирования, производимой ООО "Научно-технический центр ПИКА-ТЕХНОСЕРВИС".

Для цитирования:

Бирюкова О.В., Корецкая И.В. Полупроводниковый датчик температуры: получение и преобразование сигнала в режиме реального времени // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №1. С. 26-30.

For citation:

Biryukova P.V., Koretskaya I.V.

1. Выбор чувствительного элемента.

Измерение температуры - это всегда косвенное измерение. Оно основывается на зависимости от температуры геометрических размеров (тепловое расширение), сопротивления, термо-эде, резонансной частоты, падения напряжения на р-п переходе и т.п. Как следствие, среди датчиков температуры существуют термометры сопротивления и терморезисторы, термопары, полупроводниковые датчики, датчики излучения или пирометры. Описание принципа действия и базовых схем включения основных датчиков температуры приведено в работе [1]. Первым критерием при выборе датчика является диапазон рабочих температур.

Полупроводниковые датчики температуры предназначены для измерения температуры от -55° до 150" С. В этот диапазон попадает большой процент задач, в том числе и прикладная задача контроля температуры многолетнемерз-лых грунтов, для решения которой предполагается использовать. разрабатываемое оборудование. С другой стороны, полупроводниковая микроэлектроника за последние годы предложила много принципиально новых решений. Это определило выбор для тестирования полупроводниковых датчиков.

Принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на р-п переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной и составляет примерно 2 мВ/К. Схемы, содержащие один р-п переход отличаются низкой точностью и большим разбросом параметров. Для устранения отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода может быть использована схема с двумя чувствительными элементами. Выходной сигнал представляет собой разность падений напряжения на каждом из элементов, что дает возможность увеличить точность. Современные интегральные микросхемы позволяют получить чувствительность до 10 мВ/К при диапазоне измеряемых температур от —40° до 120" С и до 20 м В/К при диапазоне температур от 5° до 100°С, т.е. содержат в себе блок предварительного усиления. Обзор возможностей популярных контакт-пых технологий термометрии и существующей элементной базы приводится в работе [2|. По выходному сигналу асе микросхемы - датчики температуры подразделяются на аналоговые и цифровые. Вид выходного сигнала определяет вс[о схемотехнику последующей обработки информации. Для функционирования в составе разрабатываемого измерительного модуля подойдут датчики с аналоговым выходом. Преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется при помощи высокоточного 16-разрядного сигма-дельта преобразователя (АЦП) МХ7705, который работает под управлением простого и надежного микроконтроллера ATMega-8. Обмен данными между контроллером н АЦП осуществляется посредством синхронного последовательного интерфейса 8РI.

При выборе микросхемы - датчика температуры с аналоговым выходным сигналом определяющими явились возможность измерения отрицательных температур, чувствительность (температурный коэффициент), погрешность в рабочем диапазоне температур, линейность. Кроме того необходимо было подобрать корпус, позволяющий создать выносной датчик.

Прежде чем перейти к анализу предложений рынка, расшифруем смысл введенных характеристик.

Чувствительность - изменение выход!¡ото сигнала в мВ при изменении температуры па 1°С (или 1 К). Для терморезисторов (в том числе полупроводниковых) чувствительность (температурный коэффициент) обычно приводят в миллионных долях от номинальной величины на Кельвин (ppni/K). Например, тон ко пленочные платиновые датчики температуры MI 1220 имеют номинальное сопротивление 100 Ом мри 0°С и температурный коэффициент 3850 ррт/К. Это значит, что при увеличении температуры на I К изменение сопротивления должно составить ДД = 100Ом-3850-10"6 = 0.3850м.

Погрешность в рабочем диапазоне температур - максимальная разность температур, определенных с использованием датчика и при помощи эталонного термометра при заданных в спецификации условиях в отсутствии калибровки. Этой характеристикой удобно пользоваться сравнивая различные датчики одного и того же производителя. Обычно один и тот же датчик выпускается с несколькими градациями точности.

Нелинейность имее т ту же размерность, что и погрешность в рабочем диапазоне температур ("С) и характеризует отклонение от линейности во веем интервале измерений. В нашем случае точность измерения температуры принципиальна в достаточно узком диапазоне, а асе типы микросхем в суженном относительно максимального диапазоне имеют более низкую погрешность по сравнению с заданной в спецификации.

Целью эксперимента было получение максимальной точности и стабильности при условии дополнительной калибровки датчика. Рассматривались микросхемы ТМР36 (Analog Devices), МАХ6610 (Maxim), LM335 (National Semiconductor) имеющие чувствительность 10 мВ/К, близкие значения Декларируемой погрешности и нелинейность.

Микросхемы ТМР36 и LM335 выпускаются в корпусах ТО-92, что позволяет легко создавать выносной датчик малого размера. Микросхема МАХ6610 производится только в корпусе SOT23-6, предполагающем поверхностный монтаж.

Дальнейший выбор датчика для проведения испытаний основывался на величине выходного сигнала датчика при 25°С. У LM335 это значение составляет 2,98В, что позволяет реализовать согласованную с используемым аналого-цифровым преобразователем схему включения. Дальнейшее исследование будет посвящено проблемам применения данного датчика.

2. Схема включении.

Использовалась схема включения, представленная на рис. 1. Питание датчика осуществлялось от источника напряжением 5 В. Токоограничивающее сопротивление 2 кОм определяет рабочий ток через чувствительный элемент порядка 2,5 мА. Согласно спецификации, значение тока на должно превышать 5 мА. Для согласования датчика с измерительной частью использован операционный усилитель КР 1446 УД2, включенный по схеме повторителя.

После повторителя сигнал с датчика попадает на положительный вход АЦП, при этом на соответс твующий отрицательный вход подается опорное напряжение АЦП 2,5 В. Таким образом АЦП измеряет разность между сигналом датчика и высокостабильным опорным напряжением. Последнее определяет также и предел измерений АЦ11.

T-Comm Vol. 11. #1-2017

2.4576 MHz

I.M335Z/NOI'B

+ВхА ВычА

-ВхА

ВыхВ

+ВхВ +Uoc

ВхВ -Ucc

-JUT

KPI446 УД2

ИОкОмМ LM335 Т Z-I,5V

DRDY

XKOUT RESET

CS

DIN

DOUT

SCLK

VDD

AIN2+ gild

мт+

MNI

REF+

Щт

0,1 Spill

I0HF IjOK

Рис. I. Схема включения датчика температуры

Так как при 25° С выходной сигнал термодатчика равен 2,95 — 3,01 В, в зависимости от силы тока в нем, и чувствительность датчика 1 0мВ/°С, то при уменьшении температуры до 0° С, напряжение уменьшится на 0,25 В и составит примерно 2,75 В (на входе АЦП при этом 2,75-2,5 = 0,25В), При дальнейшем уменьшении температуры сигнал па входе АЦП продолжит уменьшаться и при температуре примерно -25иС станет равен нулю. Это нижний предел измерения температуры при рассмотренной схеме включения. Для предварительного усиления этого напряжения используется встроенный в АЦП усилитель с коэффициентом усиления 8. По мере увеличения измеряемого напряжения коэффициент усиления необходимо уменьшать, так чтобы значение напряжения после усиления не превышало 2,5 В. На практике реализован переход с коэффициента усиления 8 на 4 и образно при прохождении температуры через порог примерно равный 8° С. Согласно теоретическому расчету основывающемуся на заданной в спецификации чувствительности ЮмВ/К, следующее изменение коэффициента усиления необходимо провести при достижении температуры 37,5° С. Практически работать с коэффициентом усиления 4 можно до 40" С. Отличие теоретического и экспериментального пределов связано, прежде всего, с проведением градуировки конкретного датчика и привязке ее к температуре таяния льда. Максимальное значение температуры датчика равно +150" С, что соответствует напряжению на выходе примерно 3 В +150 С  0,01 В Г С = 4,5 В, а, следовательно, величине разностного сигнала 2 В, т.е. не превышает предел измерения АЦП при работе с коэффициентом усиления равным единице. Поэтому верхний предел измерения определяется возможностями датчика, и в случае природных испытаний недостижим.

Использование высокостабильного опорного напряжения для подачи на один из входов АЦП позволяет избежать помех, переносимых по общему проводу и рекомендуется в спецификации микросхемы. Подобная схема была использована в работе [3].

3. Градуировка.

Зависимость напряжения на входе АЦП от температуры датчика имеет линейный характер. Нелинейность выбранного датчика согласно спецификации составляет 0,3 - 1,5°С в

интервале температур от - 40 до +100" С, т.е. 0,21 - 1,07%, где первое значение соответствует типичной нелинейности, а второе - максимально возможной. Значит ошибка измерения изменения температуры на 1° С, вызванная нелинейностью, может максимально составить 0,0107" С, Переходя к напряжениям можно сказать, что даже в случае максимальной нелинейности, для учета ее необходимо иметь возможность разрешать напряжения отличающиеся на 0,1 мВ. Предполагая, что эта характеристика не будет существенно влиять на точность прибора в целом, воспользуемся линейной моделью. Для описания ее необходимо определить два коэффициента, т.е. провести измерения при помощи эталонного термометра для двух точек и зафиксировать соответствующие значения выходного напряжения. В качестве одной из точек выбирается, как правило, точка плавления льда -температура льда, находящегося в динамическом равновесии со своей жидкостью. При отсутствии примесей эта температура 0"С. Вторая точка может быть выбрана произвольно. При этом к точности измерения температуры и выходного напряжения терм о датчика в этих точках предъявляются повышенные требования. Обойти эту проблему можно проводя измерения не в двух, а в большем количестве точек. По результатам измерений строится линейная зависимость, коэффициенты которой рассчитываются но методу наименьших квадратов. Таким образом, удается избежать субъективных ошибок при измерении и проводить градуировку, не имея эталонного измерительного прибора с существенно меньшей ценой деления. Последовательность точек для расчета линейных коэффициентов может быть получена при измерении температуры датчика в некотором процессе, при условии, что образцовый термометр обладает той же инерционностью, что и исследуемый датчик. Об инерционности последнего будем говорить отдельно. При решении нашей задачи в качестве образцовых были использованы ртутные стеклянные лабораторные термометры с ценой деления 0,1" С.

4. Выход на рабочий режим.

Для проведения эксперимента датчик температуры был включен в состав блока контроля измерительного комплекса ПИКА-19. Блок контроля представляет собой непосредственно датчик, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (МХ7705), работающему под управлением микроконтроллера (ATMega-8) и простую систему индикации, позволяющую отслеживать полученные данные и сигнализировать при выходе этих данных за установленные рамки. Сигнал с блока контроля может быть, при необходимости, передан непосредственно измерительному преобразователю, одним из назначений которого является связь с компьютером для визуализации информации в режиме реального времени. Реализация такой связи подразумевает создание последовательного протокола передачи данных. Для этого используется модуль MMusb232RL на базе микросхемы FT232R и программа-драйвер, позволяющая приводить данные к нужным единицам измерений. Подробную информацию по работе с модулем можно найти в статье [4]. Передаваемые данные имеют формат, определяемый АЦП, т.е. шестнадцатиразрядные значения (в двоичной системе). Каждое шестнадцетибитпое число разбивают на две восьмибитных посылки и иод управлением микроконтроллера передают последовательно, обеспечивая стандартную скорость пере-

дачи 9600 бит/с. При проведении экспериментов вместо измерительного преобразователя для передачи данных использовался непосредственно микроконтроллер блока контроля.

Программа передачи данных может функционировать в двух режимах: непрерывном и по управляющему сигналу. Использование непрерывного режима позволяет получать результаты измерений с интервалом в одну секунду. При необходимости этот интервал может быть программно уменьшен или увеличен. Алгоритм работы с данными подробно рассмотрен в работе [5].

Непрерывный режим дает возможность построить временные зависимости установления температуры датчика при различных внешних процессах. Например, график, представленный на рис. 2 соответствует процессу изменения температуры датчика, взятого при температуре 24° С при включении питании, т.е. выходу на рабочий режим. Температура окружающей среды при этом не изменяется.

24.4 24.з 24.1 24,1

24 23.9 238 23.7 23,6

23.5

Ï.

100

200

300

400

500

600 Т, С

Рис. 2. Зависимость значения температуры датчика от времени при выходе на рабочий режим

Из графика видно, что время выхода датчика на рабочий режим составляет порядка 200 секунд. Изменение его температуры связано с выделением тепла при протекании тока, согласно закону Джоуля-Ленца. Уменьшить эффект можно увеличением величины токоограничивающего сопротивления, что приведет к меньшей стабильности показаний датчика.

На рис. 3 представлены графики зависимости от времени температуры термодатчика для двух случаев; охлаждения и нагревания. Один график соответствует показаниям датчика, взятого при начальной температуре 23 ° С и помещенного в термостат объемом 1,5 л с водой при температуре О" С, второй — обратному изменению температуры. Вода содержит лед нри температуре плавления, медленно перемешивается, таким образом можно считать, что ее температура поддерживается постоянной. Температура окружающей среды также не успевает измениться за время эксперимента.

Надо отметить, что процесс установления температуры, происходящий при непосредственном контакте датчика с жидкостью, обладает существенно меньшей инерционностью, чем при измерениях в воздухе.

Считая инерционность основным недостатком рассматриваемого полупроводникового датчика можно предложить использовать результаты математического моделирования для получения априорной оценки предельного значения, которого достигнет температура по окончании переходного процесса.

Нагрев Охлаждение

50

100

150

200

250

T, С

Рис. 3. Зависимость значения температуры датчика от времени при охлаждении до 0е

Полученные зависимости изменения температуры позволяют использовать экспоненциальную аппроксимацию и оценить постоянную времени для каждого процесса. На рис. 4 показаны результаты аппроксимации, проведенной с использованием пакета программ для численного анализа данных Origin фирмы OriginLab Corporation. Экспериментальные данные аппроксимировались экспоненциальной зависимостью вида у = у0 + А ехр{Я0д-}

20-

0-

ч

Ï

V

Equation у - уО + A'expi R0*ï)

Reduced Chi-S Ч' 0 14507

Adj R-Square 0.99196

Value Standard Егтог

С уО -0.08372 003039

С А гв.еоетэ 0 25616

С R0 -0.09324 00012

—Г-

50

—1—

100

—Г—

150

—г—

200

т,е

а) Охлаждение

г"С

20-

о-

п

Equation y - уО + A'ffl

Reduced Chi-S qr 0 08S58

Adj. R-Squara 0 99404

Value Standard Егтог

в yO 22 67107 0.02233

В A -27 39697 0 21435

в RQ -0.1074 0.00119

50

100

150

200

т, с

б) Нагревание

Рис. 4. Аналитические зависимости, полученные по экспериментальным данным

T-Comm Vol. II. #1-201 7

Численные значения коэффициентов А {^=28,6 и А =27,4) и Д0 (R0 =-0,0932 и R0 =-0,1074) определенные

для охлаждения и нагрева характеризуют масштаб изменений температуры и постоянную времени датчика при данных условиях. Внесение изменений в алгоритм расчета температуры с использованием рассчитанных коэффициентов должно лечь в основу следующего этапа разработки.

5. Использование.

Основной целыо моделирования было определение возможности использования данного датчика для контроля температуры вечномерзлых грунтов. Для сравнения рассматривалось существующее оборудование, эксплуатируемое в этой области, а именно прибор для измерения температуры грунтов МГЛ-5М. В качестве датчика температуры в этом приборе применяется терморезистор СТЗ-19. Точность измерения температуры при помощи МГЛ-5М в диапазоне от +3 до - 3°С составляет ±0,1°С, в диапазоне ±(3 - 10) -±0,2°С, и в диапазоне ±(10-20)-±0,5UC.

На основании проведенных экспериментов можно сказать, что исследуемый датчик LM335 (National Semiconduc-

tor) позволяет получить высокую точность относительных измерений. Как основной недостаток датчика следует отметить инерционность, которую необходимо учитывать при проектировании аппаратуры с использованием исследуемых датчиков.

Литература

1. Виглер Г, Датчики. Устройство и применение. М: Мир, 1989. 200 с.

2. Пушкарев М. Популярные контактные технологии термометрии // Компоненты и технологии, №2. 2006.

3. Штаргот Д. (Joseph Shtargot), Мирза С. (Sohail Mirza) Современные термопары и УД-А ЦП высокого разрешения обеспечивают прецизионное измерение температуры // Компоненты и технологии, №1. 2012.

4. Захаров А. Некоторые проблемы применения FT232RL. http://andrewl 955.ucoz.ru/publ/tekhnika.

5. Бирюкова О,В., Корецкая И.В. Организация работы с внешней памятью при проведении измерений изменяющихся во времени физических величин // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2016. №1. С. 10-15.

A SEMICONDUCTOR SENSOR: RECEIVING AND CONVERTING THE SIGNAL IN REAL TIME

Olga V. Biryukova, Moscow, Russia, BiriukovaOV@yandex.ru Irina V. Koretskaya, Moscow, Russia, KoretskyaIV@mpei.ru

Abstract

The article is devoted to the preparation and processing of the signal from the temperature sensor, operating as part of a multi-purpose equipment for field trials. The possible types of sensors, justifies the choice for testing semiconductor sensor LM335 (National Semiconductor). Arrange a controlled PC temperature in real time. Data program provides two modes of operation: continuous and the control signal. Continuous mode allows you to build a time dependence of the sensor signal at its output on the operating mode, as well as the sensor temperature setting in different external processes. Based on the analysis of these dependencies it is proposed to use mathematical simulations to obtain an a priori estimate temperature limit at the end of the transition process. The main objective of the work - the definition of the possibility of using this sensor to monitor the temperature of permafrost. Methods of obtaining and processing of signals has been used in equipment for static probing produced LLC "Scientific-Technical Center PEAK-TECHNOSERVICE".

Keywords: semiconductor sensor, temperature sensor, temperature, nonlinearity, sensitivity, microcontroller.

References

1. Wigler G. Sensors. The construction and use.

2. Pushkarev M.

3. Joseph Shtargot, Sohail Mirza.

4. Zakharov A. Some problems of using FT232RL. http://andrew1955.ucoz.ru/publ/tekhnika.

5. Biryukova O.V., Koretskaya I.V.

i\л