Цифровые датчики температуры

Цифровые датчики температуры предназначены для измерения и мониторинга температуры собственного корпуса и температуры удаленного объекта. Во втором случае измерение производится при помощи внешних термодатчиков (кремниевых диодов). Цифровые датчики объединяют на кристалле кремниевый термодатчик, АЦП (до 14 бит), регистры верхнего и нижнего значения собственной температуры и температуры удаленных датчиков, регистры конфигурации и гистерезиса, аналоговые компараторы, логику управления и реализации протоколов последовательной передачи данных (SPI, SMBus, I2C) и стабилизатор питания. Цифровые датчики температуры, обладают невысокой стоимостью, компактным исполнением и низким током потребления. Они позволяют просто и эффективно решить задачу отслеживания температуры важных компонентов устройства (силовые ПП модули и транзисторы, процессоры, обмотки двигателей и т. д.) и при возникновении перегрева сформировать сигнал тревоги или прерывания. Основным достоинством этих датчиков является сверхмалое потребление энергии и миниатюрное исполнение. У некоторых ИМС этого семейства имеется схема слежения, формирующая сигнал тревоги, при переходе измеряемой температуры за определенное пользователем пороговое значение. Отдельные атчики имеют возможность выбора пользователем разрядности АЦП, и соответственно времени преобразования.

Для примера приведены параметры датчиков этого класса фирмы Texas Instruments

Кремниевые PTC термисторы

Кремниевые PTC термисторы Philips Semiconductors хорошо известны на российском рынке датчиков. Они зарекомендовали себя как надежные и недорогие приборы, имеющие относительно невысокую погрешность преобразования, вполне приемлемую для большинства приложений. Производственная линейка включает несколько семейств, члены которых различаются по конструктивным признакам, электрическим характеристикам и точности.

Термисторы Philips Semiconductors производятся по уникальной технологии "разветвляющихся сопротивлений" и упаковываются в стандартные типы корпусов (SOT-23, SOT-70 и DO-34).

Термопредохранители

Термопредохранители представляют собой электромеханические термовыключатели с фиксированной температурой срабатывания. Также имеет место такое название, как "мотор-протекторы". Применяются для защиты от перегрева и от перегрузки по току обмоток одно и трех фазных электродвигателей переменного, а также постоянного тока. Основные области применения - это бытовая и промышленная техника и автомобилестроение. Это электродвигатели для стиральных машин, центрифуг, пылесосов, холодильных компрессоров, насосов, соковыжималок, миксеров, кухонных комбайнов, фенов, моечных машин, сушилок, газонокосилок, электропил и электроинструмента, тепловентиляторов, автомобильные двигатели приводов стеклоочистителей, воздушной заслонки, стеклоподъемников и дверных замков, различного рода насосов. Также к области применения относятся балласты люминесцентных ламп и ламп высокого давления (HID), а также силовые трансформаторы, соленоиды, зарядные устройства, нуждающиеся в защите от перегрузки и перегрева.

Термостаты отличаются от термопредохранителей в основном тем, что обеспечивают размыкание либо замыкание контактов только в результате воздействия внешней температуры на биметаллический диск. То есть они не предназначены для того, чтобы производить коммутацию силовой цепи также и по превышению тока, проходящего через термостат. Типичное применение термостатов - газовые и электрические бойлеры, СВЧ печи, электрические маслорадиаторы, тепловые пушки, электронагреватели, системы "NO FROST" современных холодильников.

o широкий диапазон температур срабатывания: от -54°С до +290°С;

o большая номенклатура нагрузочных токов;

o полная изоляция от воздействия окружающей среды;

o большая ударная и вибростойкость;

o соответствие стандартам MIL-PRF-24236, UL, CSA и других международных организаций;

o мгновенное срабатывание (замыкание или размыкание контактов);

o миниатюрные размеры;

o предустановленное значение температуры срабатывания, не подлежащее регулировке в процессе эксплуатации;

o высокая надежность, большое число срабатываний;

o заказные варианты исполнения корпуса и типов крепления.

Лекция №11.

Тема лекции:Датчики давления в системах автоматики.

Цель лекции: Знакомство с многообразием принципов действия датчиков давления систем судовой автоматики. 

1. Жидкостные приборы

Принцип действия основан на законе Паскаля: уровни жидкостей
в сообщающихся сосудах при одинаковых давлениях в обоих сосудах лежат в одной горизонтальной поверхности т.е. при Р₁ = Р₂ Н₁ = Н₂.

а) U - образный манометр

Под действием давления Рабc подведенному к одному из концов прибора образуется разность уровней h.

Тогда Рабс = Ратм + h*ρ*g.

Ризб = Рабс - Ратм = h*ρ*g.

где ρ - плотность рабочей жидкости

g - ускорение свободного падения.

Погрешность равна ±2 мм столба рабочей жидкости.

б) Чашечный манометр с наклонной трубкой
(разновидность U - образного манометра)

Принцип что и у U - манометра.

Длина шкалы 250 мм. Цена деления 1 мм.

2. Деформационные приборы (манометры)

В промышленности получили широкое распространение. Диапазон измерений 0-160 Па; 0-1000 МПа.

Принцип действия: уравновешивание измеряемого давления силами упругих деформаций чувствительных элементов (трубчатая пружина [трубка Бурдона], мембрана, сильфон).

 а) трубчатая пружина. Изменение давления Р вызывает деформацию трубки и перемещение ее свободного конца. (При подаче на вход манометра Ризб трубка разжимается, а при подаче разрежения сжимается).

б) мембрана. Изготавливается в виде тонкой пластинки из нержавеющей стали, резины, пластмассы.

Недостаток: небольшой ход чувствительного элемента

 в) сильфон - гофрированный тонкостенный сосуд, выполненный из упругого материала (латунь, коррозионностойкая сталь). Обычно число гофр 4-24.

Длина 13-100 мм. Диаметр 12-100 мм. Рабочий ход сильфона 2-21 мм.

Для всех трех случаев: ∆h = k*∆Р

где k - коэффициент усиления трубчатой пружины,      мембраны или сильфона, соответственно.

Деформация чувствительных элементов может преобразовываться в электрический сигнал с помощью преобразователей перемещений (потенциометрического, индуктивного, емкостного, тензометрического).

3. Грузопоршневые приборы

Принцип действия: основан на уравновешивании сил, создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны грузом и поршнем.

О величине давления судят по величине не массы грузов и поршня, а по перемещению поршня.

Высокая точность (кл. точности 0,02..0,2).

Широкий диапазон (0,1..100 МПа).

Применение: в основном для поверки и градуировки.

Различают следующие типы преобразователей давления:

o абсолютного давления, Р1 равно давлению вакуума (т.е. оно равно нулю), а Р2 – измеряемое давление;

o дифференциального давления, измеряют разность давлений Р1 и Р2. (Часто применяется для измерения расхода в расходомерах переменного перепада);

o избыточного давления, измеряют отклонения давления Р1, от атмосферного Р2, это отклонение может быть как больше нуля, так и меньше.

В большинстве случаев автоматические измерительные преобразователи давления создаются на основе упругих чувствительных элементов – сильфонов и мембран. Сильфон можно соединить с движком потенциометра.

Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформатору. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту деформированный кварцевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсатора, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Дифференциальный трансформатор выдает электрический сигнал пропорциональный перемещению мембраны.

В основе работы тензорезистора лежит эффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Сегодня полупроводниковые датчики давления — одно из наиболее динамично развивающихся направлений в области электроники. В мире насчитывается больше сотни компаний, занятых производством полупроводниковых датчиков давления различного применения. Изделия этих фирм-производителей имеют примерно равное качество, а аналогичные типы приборов находятся в одной ценовой категории.

Основой современных датчиков давления является тензочувствительный элемент. Это, как правило, четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме.

Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению. Этот принцип заложен в основу работы любого датчика, но на нем и заканчивается сходство. Дело в том, что теперь выпускаются приборы для применения в самых разных областях (начиная от схем контроля засорения фильтра бытового пылесоса до измерителей давления эксплуатационных жидкостей летательных аппаратов) с различными электрическими, конструктивными, климатическими и ценовыми характеристиками. Большое разнообразие конструктивных исполнений, широчайший диапазон измерения (от нескольких десятков миллиметров водяного столба до сотен атмосфер), способность работать в различных средах, в том числе агрессивных, все варианты стандартных выходных сигналов, наличие прецизионных моделей плюс гибкая ценовая политика предоставляют разработчику неограниченную свободу выбора датчика практически для любой области применения.

Чтобы получить четкое и систематизированное представление сразу обо всей линейке датчиков давления, необходимо провести классификацию компонентов по основным признакам, а именно: по типу и величине измеряемого давления, типу измеряемой среды и выходного сигнала.

Типы измеряемого давления

 Любой датчик всегда измеряет разницу давлений, подведенных с разных сторон мембраны. При этом, как правило, одно из них должно быть подведено через порт подвода. Это давление обычно прилагается со стороны пьезорезистивного моста мембраны. Давление, используемое с противоположенной стороны мембраны, определяет тип датчика и является опорным. Производятся датчики для измерения всех
существующих типов давления: абсолютного, дифференциального, избыточного и вакуума. Существует множество так называемых двунаправленных моделей, способных измерять одновременно как разрежение, так и избыточное давление с одной стороны мембраны (одним портом).

Типы выходного сигнала

Тип выходного сигнала датчика давления определяет степень его
интеграции. По этому признаку все модели можно разделить на три большие
группы: базовые, термокомпенсированиые с заводской калибровкой смещения и диапазона и термокомпенсированные с заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом.

Изображённая выше структура называется базовой и является самой простой и недорогой. Характерным ее недостатком является сильная зависимость характеристики преобразования от температуры и большой разброс напряжения смещения от образца к образцу.

Несмотря на это, производится ряд семейств по базовой схеме. Высокий спрос на такие приборы обусловлен тем, что существует множество приложений, где нет необходимости в точном измерении, а требуется лишь грубая оценка. Здесь можно значительно сэкономить на стоимости изделия. Другой причиной такого спроса являются специфические требования к датчику по точности, стабильности, типу выходного сигнала и конструктивному исполнению, которым порой не может удовлетворить даже полностью законченный интегрированный прибор. И одним из возможных выходов из ситуации является проектирование на основе базового преобразователя собственного уникального изделия.

 Термокомленсированные и калиброванные датчики давления отличаются от базовых более сложной структурой чувствительного элемента. Они дополнительно содержат набор тонкопленочных термисторов и резисторов, расположенных на том же кристалле, что и диафрагма, сопротивление которых подгоняется лазером в процессе изготовления сенсора. В установленном диапазоне рабочих температур (как правило, 0...+85°С) выходной сигнал таких датчиков значительно стабильнее, а разброс начального напряжения смещения, как правило, не превышает ±1 мВ при размахе выходного напряжения 70...100 мВ (для сравнения: разброс напряжения смещения базовых датчиков - ±20...30 мВ). Датчики, имеющие температурную компенсацию и калибровку, пользуются наибольшей популярностью среди разработчиков, обеспечивая оптимальное соотношение цена/стабильность и простоту схем. Еще одним положительным моментом использования данной категории датчиков является возможность замены вышедшего из строя датчика без необходимости перекалибровки устройства. Следует отметить, что эти приборы в среднем на 30-35% дороже базовых датчиков.

Датчики с температурной компенсацией, заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом до предела упрощают задачу разработчика. Кроме цепей термокомпенсации и калибровки смещения, на кристалле расположен усилитель, схема линеаризации характеристики и преобразователь, реализующий один из следующих стандартных типов выходного сигнала:

• пропорциональный выход по напряжению: размах выходного напряжения во всем диапазоне измеряемых давлений составляет 0,50...4,50 В (при U_п = 5 В), и линейно зависит от напряжения питания, то есть имеется возможность в небольших пределах осуществлять регулировку размаха выходного сигнала и подстройку смещения;

• двух- или трехпроводной токовый выход: 4...20 мА при U_пит = 9...35В;

• стабилизированный выход: размах выходного напряжения во всем диапазоне лежит в пределах 1...6 В и не зависит от напряжения источника питания;

• частотный выход: как правило - 1...6 кГц во всем диапазоне давлений.

Конструктивное исполнение датчика определяется диапазоном измеряемого давления, типом среды, в которой измеряется давление, видом измеряемого давления, специальными требованиями, предъявляемыми к материалу корпуса датчика, классу защиты от окружающей среды, способом крепления (шасси, печатная плата, стандартные резьбовые соединения) и областью применения.