Рт100 датчик температуры схема подключения

Датчик температуры PT-100 – 3 метра

Бренд / Производитель: Новатек-Электро

От 10 шт. —

От 100 шт. —

Добавить в корзину

на сумму

Этот резистивный датчик сконструирован для измерения температуры газообразных и жидких веществ.
Датчики можно использовать для всех систем управления, которые совместимы с датчиком температуры Pt 100.
Температурный диапазон применения датчика от -50 до 260°C.
Точность соответствует “B class” стандарта точности измерений.
Может использоваться для измерения температуры в трубопроводах, в баках, емкостях небольшого размера.

Технические параметры

, чтобы увидеть способы получения товара.

С этим товаром покупают

МГТФ 0.07 кв.мм, Провод монтажный, за 1м

ЭПСН (230В,65Вт), ø 6 мм, Паяльник нихромовый нагреватель, пластмассовая ручка

ПОС 61 прв d=0.8мм 1.0 м спираль, Припой

EDR-120-24, Блок питания, 24В,5А,120Вт

ПОС 40 Тр d=1.5мм 1 м спираль, Припой

Датчик PT100 к аналоговому модулю расширения  LOGO! AM2 PT100 или AM2 RTD может быть подключен по 2-х проводной, 3-х проводной или 4-х проводной схеме.

2-х проводная схема подключения
В случае 2-х проводной схемы подключения (рис. 1) не выполняется  коррекция измерения, вызванная   сопротивлением  проводов (длины линии). Необходимо установить перемычку между клеммами  U1- и  IC1:

3-х проводная схема подключения
В случае 3-х проводной схемы подключения (рис. 2) сопротивление подводящих проводов компенсируется и не влияет на результат измерения. Для корректных результатов измерения, все провода должны иметь одно и то же сопротивление. Это достигается при одинаковой длине и сечении всех проводов.

4-х проводная схема подключения 
В случае 4-х проводной схемы подключения у датчика (рис. 3), можно подключить PT100 по 3-х проводной схеме. Четвертый провод (клемма) датчика PT100 не используется.

Для определения назначения проводов (клемм) датчика PT100 можно использовать мультиметр или технические данные датчика. Для определения назначения проводов (клемм) мультиметром, измерьте сопротивление между клеммами датчика (рис. 4). Если сопротивление порядка 100 Ом, то определен вход и выход датчика. Если между клеммами сопротивление близко к нулю, то определены вторые (дублирующие) клеммы входа и выхода датчика.

• Дополнительная информация по аналоговому модулю расширения  AM2 RTD доступна в руководстве по LOGO! .
  100761780
• Информация о считывании значений датчика PT100 в программе  LOGO! и о переключении цифровых выходов  в функции температуры  доступна по ссылке
  15398450

Есть много различных решений по подключению термосопротивления PT100. Сложность применения таких датчиков заключается в том, что их нельзя подключить напрямую к обычному АЦП микроконтроллера из-за их малого изменения сопротивления в зависимости от температуры.

Относительно простой вариант схемы измерения сопротивления PT100, это использование специальной микросхемы, например, MAX31865. Принцип работы примерно такой: последовательно с термосопротивлением включается один прецизионный резистор, термосопротивление подключается ко входу АЦП, а опорное напряжение для АЦП берётся с прецизионного резистора. В этом случае, АЦП измеряет отношение сопротивления датчика к сопротивлению прецизионного резистора. Так как резистор достаточно точный, то и измерение сопротивления датчика получается достаточно точным.

Решил попробовать применить для измерения температуры дешёвый дельта-сигма АЦП HX711 применяемый для весов. Но у него нет возможности подключить внешний источник опорного напряжения, зато есть два канала с большим коэффициентом усиления – вот это можно использовать для измерения сопротивления датчика.

Схема подключения датчика PT100 выглядит примерно так:

Единственная и необходимая прецизионная деталь в этой схеме – резистор R4. Жёстких требований к источнику питания не предъявляется.

Процесс цикла измерения сопротивления датчика заключается в следующем: сначала измеряется падение напряжения на датчике, потом измеряется падение напряжения на прецизионном резисторе. Зная точный номинал резистора, вычисляем ток в измерительной цепи. Затем, зная ток в цепи и напряжение на датчике, вычисляем сопротивление датчика PT100. По сопротивлению датчика вычисляем температуру.

Теперь об особенностях HX711. Если использовать АЦП без внешнего генератора, то на выбор есть две частоты выборки – 10 Гц и 80 Гц

Учитывая, что нужно переключать каналы для измерения, получаем в 4 раза меньше частоту выборки. Оказывается, при переключении канала, АЦП запускает несколько циклов измерения для стабилизации значения, что отражено в документации. Следовательно, выбираем вариант с максимальной частотой выборки – 80 Гц. При необходимости, можно ещё поднять частоту выборки, подключив внешний генератор.

Применение для 3D принтера

Как обычно, просто измерять температуру не интересно. Нужно сделать что-то полезное. Как вариант, сделать цифровой преобразователь температуры для 3D принтера. Подключение HX711 напрямую к плате, требует изменения прошивки, на что я ещё не готов, т.к. прошивок много. Могу сделать преобразователь, у которого на входе PT100, а на выходе напряжение, соответствующее температуре с определённой зависимостью. Можно было бы имитировать работу стандартного для принтера датчика температуры NTC3950 100 кОм, но у него пологая характеристика на высоких температурах. Датчик PT100 позволяет измерять температуры в более широком диапазоне и для экструдера принтера будет достаточно температуры до +500 °С. В моей статье Вариант установки термосопротивления Pt100 на термоблок в комментариях, уже было обсуждение параметров такого цифрового преобразователя, поэтому решил сделать его сразу на 2 канала. Применение такого преобразователя требует изменение прошивки только в указании типа датчика температуры – установить кастомный датчик и указать для него таблицу преобразования напряжения в температуру.

На плате предусмотрел два выхода с разным диапазоном выходного напряжения 3,3 В и 5,0 В – на разных платах управления 3D принтером разные диапазоны. Для плат на Atmega – 5,0 В, для плат на ARMах – 3.3 В. Это не точно, нужно проверять по схемам конкретных плат.

Плата была давно разработана и заказана, на сборку не хватало сначала компонентов, а потом и времени.

На плате предусмотрен интерфейс UART и CAN, свободные выводы микроконтроллера выведены на разъёмы.

Сравнение с NTC3950

Чтобы проверить корректность работы преобразователя, решил сделать так. Одна плата работает с датчиком NTC3950 и нагревает сопло принтера до рабочей температуры 235 градусов. На второй плате (клиппер) вместо датчика NTC3950 подключил плату преобразователя, а датчик PT100 установлю на тот же термоблок.

Ещё один вариант, подключить на одну плату с двумя каналами E0 и E1. Но как обычно, получился третий вариант. Плата подключена к COM порту и в логе видно, какая температура на датчике. Преобразование температуры в напряжение сделал пока по линейному графику, 0 °С соответствует 0 В, +500 °С соответствует +3,3 В на выходе с диапазоном до 3,3 В и 5,0 В соответственно, на выходе с диапазоном 5,0 В.

В клипере добавил свой тип сенсора с соответствующей таблицей преобразования:

Итоги можно подвести следующие:

• Применение HX711 для измерения температуры с помощью термосопротивления PT100 допустимо.
• Получился преобразователь с цифровым выходом (интерфейс UART + CAN).
• Для прямого подключения преобразователя на вход для датчика температуры NTC3950 требуется замена ОУ на ОУ с более мощным выходом, либо снятие подтягивающего резистора на входе датчика, что не желательно.
• Остаётся проблема с заданием графика преобразования значений АЦП в температуру на клипере. Нужно разбираться дальше с клипером.

Термосопротивление RTD Pt100 бывает в разных корпусах, но для установки на 3D принтер подходит несколько компактных вариантов. Основной и похоже, самый популярный – это цилиндр длиной 20 мм и диаметром 3 мм. Под этот вариант делаются стандартные термоблоки с отверстием под датчик температуры диаметром 3 мм. Предлагаю ещё один вариант установки термосопротивления.

Решил я как-то поставить датчик Pt100 вместо NTC3950, немного поиска и понял, что по конструктиву они не совместимы. Про электронику под Pt100 уже знал, что напрямую к АЦП микроконтроллера не подключить, но для этого тоже есть решение и об этом напишу в другой статье. (Есть два основных варианта – с аналоговым усилителем или с АЦП MAX31865. Третий вариант – применить АЦП HX711, о чём и напишу позже)

Нашёл совместимый конструктив – в виде цилиндра 20 мм х 3 мм. Под этот вариант есть стандартные термоблоки – что и было приобретено. Датчики Pt100 в таком корпусе оказались несколько дороже, чем ожидалось и с их покупкой решил подождать. Нашёл относительно дешёвые датчики в корпусе 40 мм х 4 мм – думал рассверлить отверстие в термоблоке до 4 мм и можно пробовать. Заказал датчики с маркировкой “WZP-Pt100”. Пока искал датчики в цилиндрическом корпусе, попадались датчики на керамической подложке размером примерно 3 мм х 2 мм, но у них не было проводов, только короткие выводы. Короче, их тоже заказал, т.к. цена у них примерно одинаковая по сравнению с WZP-Pt100.

Первый “блин” подгорел

Новые датчики пришли в какой-то точёной втулке и провода выходят из керамической трубки.

Сгоревший датчик был разобран:

Если кто видел, где такие датчики можно купить, которые внутри корпуса устанавливаются – поделитесь ссылкой, в китайском магазине я их не нашёл.

Вскоре пришли мелкие датчики Pt100 на керамической подложке.

Выбор мелкого Pt100

Как установить большой датчик в термоблок, было уже понятно, но как поставить такой маленький и не обломав ему ножки – вот в чём вопрос!

Когда их заказывал, по картинке их размер мне был понятен – примерно 3 на 2 мм. Когда я их увидел в пакетике, они казались совсем мелкими и тут уже пришлось подумать, как их использовать. Продавец писал в описании, что эти датчики с классом допуска “A” – это уже интересно попробовать в термоблоке. Была только одна проблема – как подключить к маленьким ножкам проводки и при этом их не сломать. На самом деле, была ещё одна проблема – я не знал как его крепить к термоблоку, т.к. его нужно прижать плоскостью основания к корпусу термоблока.

Время реакции датчика на керамической подложке заявлено 0,25 секунды! Для сравнения с датчиками в цилиндре – при касании пальцем корпуса датчика в цилиндрическом корпусе, температура менялась с заметной задержкой, а при касании корпуса датчика на керамической подложке – изменения происходили практически сразу. В итоге, было принято решение, попробовать прикрутить мелкие датчики к термоблоку. Осталось выбрать способ подключения проводов к выводам.

Учитывая, что рабочая температура термоблока 250 °С, а может и 350 °С, то пайка оловянным припоем не подходит, т.к. ножки короткие и место пайки будет находится рядом с термоблоком. В таком случае, подходит три варианта соединения провода с мелким датчиком:

• Сварка – это относительно несложно, если взять графитовые стержни от круглых батареек, но этот вариант я не стал пробовать
• Обжим гильзой – не очень надёжный вариант – даже о нём и не думал
• Пайка, только не обычным припоем (для кого-то и наоборот), а высокотемпературным – этот вариант я и проверил.

Для пайки высокотемпературным припоем понадобится сам припой (медь с фосфором), который продаётся в виде прутков. Ещё может понадобится флюс паяльный для среднеплавких припоев (так на коробочке написано), например ПВ-209. Но если паять медные проводки медным припоем, то флюс вроде не нужен, но по факту, с ним пайка была лучше и легче.

Процесс пайки относительно простой:

• Подготовка проводов – взял их от сгоревшего датчика и МГТФ для сравнения, зачистил концы проводов на 2-3 мм
• Подготовка датчика для пайки – важно ограничить передачу тепла от вывода к корпусу датчика. Взял разводной ключ 4” (102 мм) и вывод датчика зажал углом губок так, чтобы датчик оказался с одной стороны губок, а вывод торчал с другой стороны
• Газовой горелкой нагреваем край прутка (припой) и “макаем” его в флюс – достаточно, чтобы прилипло несколько крупинок флюса
• Нагреваем край припоя до жидкого состояния и в образовавшуюся каплю макаем провод. Желательно, чтобы на кончике провода остался шарик припоя
• Нагреваем шарик припоя на проводе, макаем его в флюс
• Теперь, нагревая шарик припоя на проводе, подносим его к выводу датчика и пару секунд прогреваем место пайки. Как только припой растёкся по выводу датчика – убираем горелку.

Результат пайки выглядит так:

Интересно было поведение изоляции на проводах. Изоляция на проводах, которые были на сгоревшем датчике, плавилась и капала. Изоляция на проводе МГТФ не капала, а просто оплавлялась – на фото это видно.

Установка в стандартный термоблок с отверстием под резьбу М3

Можно было просто прижать его шайбой и винтом, но думаю, что это неправильно, т.к. датчик хрупкий и при нагревании термоблока может ослабнуть прижим. Нужно было что-то пружинящее и я стал искать пружинящие контакты, скобки и т.п. Потом пришёл к выводу, что если найти пружинку и одеть её на винт – это оптимальное решение. Начал искать пружинки в китайском магазине и не мог выбрать какую надо, но решение нашлось само – сломалась авторучка и из неё вылетела пружинка, которая на пишущий стержень одевается. Для установки датчика на термоблок нужен ещё винт М3 и широкая шайба:

Теперь осталось вкрутить винт с пружинкой и шайбой и, отжимая шайбу, подложить под неё датчик. Датчик надо защитить от замыкания выводов, например, одеть тонкую тефлоновую трубку или защитить каптоновым скотчем.

Датчик нужно поставить так, чтобы выводы при изгибе не упирались в шайбу:

После пайки датчиков и измерения их сопротивления в примерно одинаковых условиях получились такие результаты: 109.6 Ом (24.65 °С), 110.0 Ом (25.68 °С) и 109.8 (25.17 °С) Ом. Можно предположить, что это уже попадает в класс допуска “B”.

Кроме крепления самого датчика, необходимо зафиксировать провода, чтобы они не двигались относительно корпуса датчика.

Добавлено 12 февраля 2020 в 22:25

Добавьте в свой следующий проект на Arduino возможность отслеживать состояние окружающей среды с помощью датчика BMP180.

Взаимодействие BMP180, датчика атмосферного давления и температуры, с Arduino

Это простой датчик, разработанный специально для измерения атмосферного давления, и он действительно полезен для двух вещей.

• По мере того, как мы поднимаемся от уровня моря до горной вершины, атмосферное давление снижается. Это означает, что, измеряя давление, мы можем определить высоту. Таким образом, мы можем использовать этот датчик в качестве альтиметра (высотомера).
• Поскольку атмосферное давление меняется в зависимости от погоды, мы можем использовать его для мониторинга изменений погоды.

Эти датчики довольно просты в использовании, предварительно откалиброваны и не требуют дополнительных компонентов, поэтому вы можете начать измерение атмосферного давления, высоты над уровнем моря и температуры воздуха в самые кратчайшие сроки.

Обзор железа

В основе модуля лежит цифровой датчик давления и температуры нового поколения производства Bosch – BMP180.

Чип BMP180

BMP180 может измерять атмосферное давление от 300 гПа до 1100 гПа (что соответствует высотам от 9000 до -500 метров над уровнем моря) и температуру от -40°C до 85°C с точностью ±1,0°C.

Рисунок 1 – Чип BMP180 на модуле

Измерения давления настолько точны (небольшой шум соответствует колебаниям высоты 0,25 м), что вы даже можете использовать его в качестве альтиметра с точностью ±1 метр.

Рисунок 2 – Технические характеристики датчика BMP180

Требования к питанию

Модуль поставляется со встроенным стабилизатором 3,3В LM6206, поэтому вы можете без проблем использовать его с микроконтроллером с логикой 5 В, например, с Arduino.

Рисунок 3 – Стабилизатор 3,3 В на модуле BMP180

BMP180 потребляет менее 1 мА во время измерений и только 5 мкА в режиме ожидания. Такое низкое энергопотребление позволяет использовать его в устройствах с батарейным питанием.

Интерфейс I2C

Модуль использует простой двухпроводной интерфейс I2C, поэтому его можно легко подключить к любому микроконтроллеру по вашему выбору.

Адрес на шине I2C данного модуля установлен аппаратно, он равен 0x77HEX.

Распиновка модуля BMP180

Модуль BMP180 имеет только 4 вывода, связывающих его с внешним миром. Назначение выводов показано ниже:

Рисунок 4 – Распиновка модуля BMP180

– вывод для подключения источника питания для модуля, напряжение питания может находиться в диапазоне от 3,3 до 5 В.

подключается к выводу земля на Arduino

– это вывод синхронизации для интерфейса I2C.

– вывод данных для интерфейса I2C.

Подключение модуля BMP180 к Arduino

Давайте подключим модуль BMP180 к Arduino.

Подключение довольно простое. Начните с соединения выводов GND на модуле и на плате Arduino, затем подключите вывод VIN к выводу 5V на Arduino.

Теперь остаются выводы, которые используются для связи I2C. Обратите внимание, что у разных плат Arduino для I2C используются разные выводы. На платах Arduino с разводкой R3 SDA (линия передачи данных) и SCL (линия синхронизации) находятся на разъеме выводов рядом с выводом AREF. Они также известны как A5 (SCL) и A4 (SDA).

Если у вас Arduino Mega, выводы будут отличаться! Вам необходимо использовать цифровые выводы 21 (SCL) и 20 (SDA). В таблице ниже приведены выводы, использующиеся для I2C на разных платах Arduino.

Следующая диаграмма показывает, как всё подключить.

Рисунок 5 – Подключение модуля BMP180 к Arduino

Установка необходимых библиотек

Расчет высоты и барометрического давления с помощью модуля BMP180 требует много математики. К счастью, была написана библиотека Adafruit BMP180, чтобы скрыть все сложности, и мы могли бы выполнять простые команды для считывания данных о температуре, атмосферном давлении и высоте.

Рисунок 6 – Установка библиотеки Arduino – выбор управления библиотеками в Arduino IDE

Отфильтруйте результаты поиска, набрав «bmp180». Там должно быть пара записей. Ищите библиотеку Adafruit BMP085 by Adafruit. Нажмите на эту запись, а затем выберите «Установка».

Рисунок 7 – Установка библиотеки Arduino BMP180

Код Arduino, чтение показаний температуры и атмосферного давления

Следующий скетч даст вам полное представление о том, как считывать с модуля BMP180 показания температуры и атмосферного давления, и может послужить основой для более практичных экспериментов и проектов.

Вот как выглядит вывод в мониторе последовательного порта.

Рисунок 8 – Вывод в мониторе последовательного порта

Каждое снижение давления на уровне моря на 1 гПа приводит к ошибке 8,5 м в расчетах высоты. Поэтому высота, которую мы получаем, достаточно близка, но не точна.

Вы можете получить более точное измерение высоты, если знаете текущее давление на уровне моря, которое будет зависеть от погоды.

Данный код предполагает, что текущее давление на уровне моря составляет 1013,25 миллибар, что равно 101325 Паскалям. Вот почему переменная seaLevelPressure_hPa установлена в 1013.25.

Объяснение кода

Скетч начинается с включения двух библиотек, а именно Wire.h и Adafruit_BMP085.h.

Далее мы определяем переменную seaLevelPressure_hPa, необходимую для расчета высоты. Измените ее значение на текущее давление на уровне моря в вашем регионе.

Мы также создаем объект bmp, чтобы получить доступ к функциям, связанным с ним.

#define seaLevelPressure_hPa 1013.25

Adafruit_BMP085 bmp;

В функции setup() мы инициализируем последовательную связь с компьютером и вызываем функцию begin().

Функция begin() инициализирует интерфейс I2C и проверяет правильность идентификатора чипа. Затем она программно перезапускает микросхему и ждет окончания калибровки датчика после запуска.

В функции основного цикла для считывания с модуля BMP180 показаний температуры, атмосферного давления и высоты мы используем следующие функции:

• функция readTemperature() возвращает от датчика температуру;
• функция readPressure() возвращает от датчика атмосферное давление;
• функция readAltitude(seaLevelPressure_hPa * 100) вычисляет высоту (в метрах) исходя из текущего атмосферного давления (в гПа);
• функция readSealevelPressure() вычисляет давление на уровне моря (в гПа).

Serial.print(“Temperature = “);
Serial.print(bmp.readTemperature());
Serial.println(” *C”);

Serial.print(“Pressure = “);
Serial.print(bmp.readPressure());
Serial.println(” Pa”);

Serial.print(“Altitude = “);
Serial.print(bmp.readAltitude());
Serial.println(” meters”);

Serial.print(“Pressure at sealevel (calculated) = “);
Serial.print(bmp.readSealevelPressure());
Serial.println(” Pa”);

Serial.print(“Real altitude = “);
Serial.print(bmp.readAltitude(seaLevelPressure_hPa * 100));
Serial.println(” meters”);

Теги

Контроль температуры повсеместно задействуется в технологических процессах, позволяя выбирать подходящий режим работы или отслеживать изменения состояния материала. Температурный режим одинаково важен как при включении духовки на кухне, так и в доменных печах при плавлении стали, а отклонение от нормальной работы может привести к аварии и травмированию людей. Чтобы избежать неприятных последствий и обеспечить возможность регулирования степени нагрева используется датчик температуры.

Разновидности, устройство и принцип работы

В ходе развития и совершенствования технологий датчик температуры, как измерительное приспособление, претерпел множественные изменения и модернизации. Благодаря чему сегодня они представлены в большом разнообразии, которые можно разделить по нескольким критериям. Так, в зависимости от способа передачи и отображения данных об измерениях температуры они подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровые устройства являются более современным решением, так как информация в них отображается на дисплее и передается по электронным каналам коммуникации, аналоговые имеют циферблатное отображение данных, электрический или механический способ передачи измерений.

В зависимости от принципа действия все датчики можно подразделить на:

• термоэлектрические;
• полупроводниковые;
• пирометрические;
• терморезистивные;
• акустические;
• пьезоэлектрические.

Термоэлектрические

В основе работы термоэлектрического датчика лежит принцип термопары (см. рисунок 1) – у всех металлов существует определенная валентность (количество свободных электронов на внешних атомарных орбитах, не задействованных в жестких связях). При воздействии внешних факторов, сообщающих свободным электронам дополнительную энергию, они могут покинуть атом, создавая движение заряженных частиц. В случае совмещения двух металлов с различным потенциалом выхода электронов и последующим нагреванием места соединения возникнет разность потенциалов, получившая название эффекта Зеебека.

Рис. 1. Устройство термопары

На практике применяется несколько разновидностей термоэлектрических датчиков температуры, так, согласно п.1.1  ГОСТ Р 50342-92 они подразделяются на:

• вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) – применяется в средах с большой рабочей температурой порядка 2000°С;
• платинородий-платинородиевые (ТПР) – отличаются высокой себестоимостью и высокой точностью измерений, применяются я в лабораторных измерениях;
• платинородий-платиновые (ТПП) – оснащаются защитной трубкой из металла и керамической изоляцией, обладают высоким температурным пределом;
• хромель-алюмелевые (ТХА)  — широко применяются в промышленности, способны охватывать диапазон температуры до  1200°С, используются в кислых средах;
• хромель-копелевые (ТХК) –  характеризуются средним температурным показателем, монтируются только в неагрессивных средах;
• хромель-константановые (ТХК) — актуальны для газовых смесей и разжиженных аэрозолей нейтрального или слабокислого состава;
• никросил-нисиловые (ТНН) – применяются для устройств среднего температурного диапазона, но обладают длительным сроком эксплуатации;
• медь-константановые (ТМК) – характеризуется наименьшим пределом измерений до 400°С, но отличается устойчивостью к влаге и некоторым категориям агрессивных сред;
• железо-константановые (ТЖК) – применяются в среде с разжиженной атмосферой или вакуумного пространства.

Такое разнообразие температурных датчиков на основе термопары позволяет охватывать любые сферы человеческой деятельности.

Полупроводниковые

Изготавливаются на основе кристаллов с заданной вольтамперной характеристикой. Такие датчики температуры работают в режиме полупроводникового ключа, аналогично классическому биполярному транзистору, где степень нагревания сравнима с подачей потенциала на базу. При повышении температуры полупроводниковый датчик  начнет выдавать большее значение тока. Как правило, самостоятельно полупроводник не используется для измерения нагрева, а подключается через цепь усилителя (см. рисунок 2).

Рис. 2. Подключение полупроводникового датчика через усилитель

Отличаются широким диапазоном производимых измерений и возможностью подстройки датчика в соответствии с рабочими параметрами оборудования. Являются высокоточным типом, мало зависящим от продолжительности эксплуатации. Обладают небольшими габаритами, за счет чего легко устанавливаются в схемах, радиоэлементах и т.д.

Пирометрические

Работают за счет специальных датчиков – пирометров, которые позволяют улавливать малейшие температурные колебания рабочей поверхности любого предмета. Непосредственно сам чувствительный элемент представляет собой матрицу, реагирующую на определенную частоту температурного диапазона. Этот принцип положен в основу измерений бесконтактным термометром, который получил широкое распространение в период борьбы с коронавирусом. Помимо этого их применение активно используется для тепловизионного контроля конструктивных элементов, оборудования, зданий и сооружений.

Рис. 3. Принцип действия пирометрического датчика

Терморезистивные

Такие датчики температуры выполняются на основе терморезисторов – устройств с определенной зависимостью сопротивления от степени нагрева основного материала. С повышением температуры, изменяется и проводимость резистора, благодаря чему вы можете следить за состоянием нужного объекта.

Основным недостатком терморезистивного датчика  является малый диапазон измеряемой температуры, но он способен обеспечивать хороший шаг измерений и высокую точность в десятых и сотых долях градусов Цельсия. Из-за чего их нередко включают в цепь с применением усилителя, расширяющего рабочие пределы.

Акустические

Акустические датчики температуры функционируют по принципу определения скорости прохождения звуковых колебаний в зависимости от температуры материала или поверхности . Непосредственно сам сенсор производит сравнение скорости звука, генерируемого источником, которая будет отличаться, в зависимости от степени нагрева (см. рисунок 4). Такой тип является бесконтактным и позволяет производить замеры в труднодоступных местах или на объектах повышенной опасности.

Рис. 4. Звуковой датчик температуры

Пьезоэлектрические

Работа датчика основана на эффекте распространения колебаний кварцевого кристалла при прохождении электрического тока. Но, в зависимости от температуры окружающей среды, будет меняться и частота колебаний кристалла. Принцип фиксации температурных изменений заключается в измерении частоты колебаний и последующем сравнении с установленной градуировкой номиналов для разных температур.

Схемы подключения

Основные отличия в подключении датчика температур обуславливаются сферой его применения и конструктивными особенностями. Так, в рамках статьи, мы рассмотрим несколько наиболее распространенных и интересных вариантов. Таковыми является подключение с помощью двухпроводной и трехпроводной схемы.

Рис. 5. Двухпроводная схема подключения

На рисунке 5 приведен вариант двухпроводного присоединения измерительного устройства. Этот принцип рекомендуется для всех датчиков  температуры с небольшим расстоянием до контролируемого объекта. Так как сопротивление самого чувствительного элемента  Rt мало измениться от сопротивления соединительных проводников R1 и R2, соответственно, поправка на измерения будет минимальной.

Рис. 6. Трехпроводная схема подключения

При больших расстояниях, от 150 м и более, подключение датчика следует выполнять по трехпроводной схеме, в которой существенно снижается погрешность на сопротивление в проводах R1, R2, R3.

Рис. 7. Схема подключения датчика температуры двигателя

Практически в каждом современном авто осуществляется постоянный контроль температурных параметров мотора. Поэтому использование датчика является обязательным требованием безопасности. Согласно двухпроводной схемы (рисунок 7) датчик подключается одним выводом на отдельно стоящий концевик капота, который не имеет каких-либо подключений к цепи. А второй вывод, подсоединяется к блоку сигнализации установленным порядком, в соответствии с моделью.

Рис. 8. Схема подключения цифрового датчика температуры

На рисунке 8 приведен пример включения цифрового датчика Dallas. Это модель с тремя выводами, первый из которых, согласно распиновки GND подключается к заземляющему выводу микроконтроллера, второй DATA к выводу PIN 2, а третий к клемме питания +5 В. Между третей и второй ножкой включается резистор на 4,7кОм.

Примение

Сфера применения датчиков температуры охватывает как бытовые приборы, так и оборудование общепромышленного назначения, сельскохозяйственную отрасль, военную промышленность, аэрокосмический сектор. Каждый из вас может встретить их у себя дома в нагревательных приборах – бойлерах, духовках, мультиварках или хлебопечках.

В тяжелой промышленности тепловые сенсоры позволяют контролировать степень нагрева печей, воздуха в рабочей области, состояние трущихся поверхностей. В медицине их используют для контроля температуры в труднодоступных местах или для упрощения различных процедур.

Многие автолюбители часто сталкиваются с анализаторами температуры, контролирующими состояние масла или другой охлаждающей жидкости. На сети железных дорог они позволяют отслеживать нагрев букс и колесных пар. В энергетике с их помощью обследуются контактные соединения и качество прилегания поверхностей.

Как подобрать?

При выборе датчика температуры необходимо руководствоваться такими критериями:

• если датчик будет соприкасаться или располагаться внутри измеряемой среды, то берется контактная модель, если находиться вне объекта, то бесконтактная;
• условия и состояние среды, в которой он будет функционировать (влажность, агрессивные вещества и т.д.) должны соответствовать возможностям датчика;
• шаг и градуировка измерений должны обеспечивать удобную эксплуатацию и датчика, и оборудования;
• если датчик подлежит замене в ходе эксплуатации, то устанавливаются сменные варианты;
• при выборе датчика температуры для замены неисправного, лучше воспользоваться его VIN кодом;
• предел рабочих температур должен охватывать все возможные значения нагрева, некоторые из них приведены в таблице ниже.

Таблица: температурные пределы датчиков термоэлектрического типа

Использованная литература

Датчик давления представляет собой устройство, содержащее чувствительный элемент, физический отклик которого в зависимости от приложенного давления и преобразуется в электрический сигнал. Затем идёт преобразование этого сигнала для получения подходящего напряжения. Обычно такие датчики изготавливаются по технологии MEMS и размещаются в корпусах вместе со структурами ASIC. Подготовленные таким образом элементы собираются в модули и целые инженерные системы. Они используются во многих областях: автомобилестроении, медицине, навигации, авиатехника и различные коммунальные устройства.

Датчик давления — общий термин для описания устройства измерения давления, которое может быть датчиком или преобразователем, в зависимости от конструкции. Они создают выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от давления, испытываемого чувствительным элементом, восприимчивым к этой физической силе.

Преобразователи давления, как и датчики, производят выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от давления. Преобразователь в этом контексте представляет собой сенсорный элемент с соответствующей схемой формирования сигнала, например, для компенсации колебаний температуры, и с усилителем, позволяющим передавать сигналы дальше от источника.

Датчики давления аналогичны преобразователям, но генерируют токовый сигнал на нагрузке с низким сопротивлением. Обычно выход представляет собой стандартный 4 – 20 мА.

Датчики давления имеют множество различных применений, поэтому доступно множество типов с широким спектром характеристик. Выбор датчика давления означает выбор из широкого спектра технологий, пакетов, уровней производительности и функций для удовлетворения многих требований к точному измерению давления.

В зависимости от технологии различают следующие типы датчиков давления:

• емкостный,
• пьезорезистивный,
• по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ),
• по технологии Krystal Bond.

В настоящее время выпускаются в основном датчики по пьезорезистивной или емкостной технологии.

Корпуса и виды оборудования MEMS, работающего под давлением, сильно различаются в зависимости от области применения. Конструкция и технологии изготовления датчиков давления постоянно развиваются, и системы нового поколения обладают явно лучшими параметрами. В последнее время их стали интегрировать в один корпус с датчиками других физических параметров. Примерами являются Bosch: датчик давления, температуры и относительной влажности BME280 и датчик качества воздуха BME680.

Среди многих производителей датчиков давления Bosch явно является лидером как на автомобильном, так и на потребительском рынках. Infineon, Sensata, Denso и Melexis ориентированы в первую очередь на автомобильную промышленность, а ST Microelectronic и Alps Alpine обслуживают потребительский рынок. Только TE Connectivity и NXP также присутствуют на многих рынках. Есть также много других производителей датчиков давления, таких как Omron, Amphenol, Bourns и Maxim.

Датчики давления МЭМС

Механизм пьезоэлектрического или емкостного датчика давления может быть выполнен на кремнии в виде устройства MEMS (микроэлектромеханической системы) и упакован в виде компактной микросхемы для поверхностного монтажа. Устройства MEMS изготавливаются из кремния с использованием процессов легирования и травления. Эти процессы выполняются в масштабе интегрированной структуры, в результате чего крошечное устройство может быть связано с электроникой формирования сигнала. Электронная схема может включать в себя усилитель для аналогового вывода и аналого-цифровой преобразователь для генерирования цифрового вывода.

Емкостные датчики давления

Емкостной датчик давления содержит конденсатор с одной жесткой пластиной и одной гибкой диафрагмой в качестве электродов. Нижний электрод датчика давления выполнен из кремния, легированного n+, а верхний – из гибкой поликремниевой мембраны. А ёмкость пропорциональна расстоянию между электродами.

Измеряемое давление прикладывается к боковой стороне гибкой диафрагмы и возникающее отклонение вызывает изменение ёмкости, которое можно измерить с помощью электрической цепи.

Пьезорезистивные тензодатчики

Пьезорезистивные тензометрические датчики были первыми успешными датчиками давления МЭМС и широко используются в автомобилестроении, медицине и бытовой технике. Токопроводящие сенсорные элементы изготавливаются непосредственно на диафрагме. Изменение сопротивления этих проводников пропорционально деформации и представляет собой меру приложенного давления. Резисторы соединены в мостовую цепь, что позволяет очень точно измерять изменения сопротивления.

Пьезорезистивные элементы можно настроить так, чтобы они подвергались противоположному напряжению (наполовину растянуты и наполовину сжаты), чтобы максимизировать выходную мощность при заданном давлении. Выходное напряжение пропорционально изменению сопротивления.

Датчики давления Krystal Bond

Технология Krystal Bond представляет собой особую технологию датчика давления MEMS. Тензорезисторы молекулярно диффундируют на поверхность металлической мембраны с помощью неорганических материалов и высоких температур. По мере снижения температуры неорганический связующий материал затвердевает и прикрепляет силиконовый тензодатчик к положению над центром, тем самым образуя цельный элемент датчика. При рабочих деформациях менее 15 % от предела текучести металла датчик давления проявляет меньшую усталость, более высокую устойчивость к избыточному давлению и превосходную долговременную стабильность. Благодаря использованию неорганических материалов в процессе соединения тензодатчиков с диафрагмой срок службы чувствительного элемента давления практически не ограничен. Тензорезисторы также обеспечивают высокий выходной сигнал с низкими тепловыми погрешностями.

Датчики по технологии ПАВ

Датчик поверхностных акустических волн (ПАВ или по английски SAW) работает путем передачи вибрации через тонкий слой пьезоэлектрического материала. Волны улавливаются другим преобразователем и преобразуются обратно в электрический сигнал. Изменения амплитуды или фазы акустического сигнала из-за деформации поверхности могут быть измерены для определения давления.

Барометрические датчики

Барометрическое (атмосферное) — это давление, создаваемое весом воздуха в атмосфере Земли. Барометрическое давление можно измерить двумя способами:

• абсолютное давление – измеряется по отношению к вакууму;
• относительное давление (манометрическое) – измеряется по отношению к окружающему воздуху.

Абсолютное давление связано с высотой над (воображаемым) уровнем моря. Давление от 20 кПа до 110 кПа охватывает весь диапазон высот на Земле, от самой глубокой шахты до вершины Эвереста. На его основе можно рассчитать высоту. Давление зависит от высоты и температуры, которые уменьшают плотность воздуха.

Датчик LPS25HB от STMicroelectronics

Датчик LPS25HB компании STMicroelectronics представляет собой пьезорезистивный датчик абсолютного давления, работающий как цифровой барометр. Это один из списка чипов датчиков давления LPS22xx, LPS25HB, LPS27HHW и LPS33xx. Они отличаются корпусом, рабочим диапазоном, частотой дискретизации и разрешением.

Микросхема LPS25HB включает в себя сенсорный элемент и коммуникационный интерфейс, поддерживающий протокол I2C или SPI. Датчик давления изготавливается по запатентованной МЭМС-технологии, позволяющей сделать датчик давления на монолитном кремниевом чипе. Чувствительный элемент основан на гибкой силиконовой мембране, сформированной над воздушной камерой с контролируемым зазором и определенным внутренним давлением. Диафрагма крошечная по сравнению с традиционными силиконовыми мембранами с микромеханической обработкой.

Приложение давления вызывает деформацию диафрагмы и изменение состояния моста, что генерирует измерительный сигнал. Чип калибруется на заводе, и значения калибровки загружаются в регистры, используемые во время нормальной работы при подаче питания. Цифровые данные измерений вставляются в буфер FIFO на 32 места, который может работать в 7 режимах.

LPS25HB доступен в корпусе LGA (HLGA) и гарантирует работу в диапазоне температур от –30 до +105°С. Корпус имеет отверстие позволяющее внешнему давлению достигать чувствительного элемента. Параметры LPS25HB следующие:

• диапазон абсолютного давления: от 260 до 1260 гПа,
• режим высокого разрешения: 0,01 гПа RMS,
• потребляемый ток: 4 мкА (режим низкого разрешения),
• сопротивление избыточному давлению: 20 – полная шкала,
• встроенная температурная компенсация,
• 24-битные данные о давлении,
• частота дискретизации давления: от 1 до 25 Гц,
• интерфейсы SPI и I2C,
• встроенный буфер FIFO,
• функции прерывания: Готовность данных, маркеры FIFO, пороги давления,
• напряжение питания: от 1,7 до 3,6 В,
• высокая ударопрочность: 10 000 g.

Датчик давления Bosch BMP390L

Bosch BMP390L — это точный пьезорезистивный датчик барометрического давления с точным измерением температуры. Это еще один чип из серии успешных предшественников BMP280, BMP380, BMP388 и BMP390. Он оснащен МЭМС-матрицей и интегральной структурой аналогового усилителя с цифровой схемой (смешанно-сигнальной ASIC). Датчик давления изготавливается по технологии, в которой гибкая диафрагма давления и температурные светодиоды интегрированы в силиконовую подложку. SiP-чип с двумя интегрированными структурами, соединенными проводами, собран в компактном 10-контактном корпусе LGA с металлической крышкой.

Датчик давления охватывает широкий диапазон измерения в сочетании с низким энергопотреблением и высокой эффективностью: 3,2 мкА при частоте дискретизации 1 Гц. Это полезно для реализации устройств с батарейным питанием. Схема обеспечивает высокую температурную стабильность, обычно ± 0,6 Па/К, во всем диапазоне температур и давлений, очень низкую погрешность измерения ± 0,03 гПа и низкий краткосрочный и долгосрочный дрейф.

BMP390L хорошо подходит для требовательных промышленных устройств и приложений IoT (логистика, бытовая техника, точное сельскохозяйственное оборудование, роботы, дроны). Его основными параметрами являются:

• интерфейс связи: I2C и SPI,
• средний потребляемый ток: 3,2 мкА,
• среднеквадратичное значение шума давления: 0,02 Па,
• долговременная стабильность (12 месяцев): ± 0,16 гПа,
• максимальная частота дискретизации: 200 Гц.

Датчик качества воздуха Bosch BME680

Bosch BME680 — первая интегральная микросхема, объединяющая датчики газа, барометрического давления, относительной влажности и температуры с высокой линейностью и точностью в одном корпусе. Она была специально разработана для мобильных приложений и носимых устройств, где размер и низкое энергопотребление имеют решающее значение. В зависимости от режима работы BME680 гарантирует оптимизированный износ, долговременную стабильность и высокую устойчивость к электромагнитным помехам.

Микросхема BME680 представляет собой как бы несколько схем в одной: датчик давления и температуры (как в микросхеме BMP280) с датчиком влажности (как в микросхеме BME280) и с дополнительным датчиком газа.

Датчик барометрического давления выполнен по технологии MEMS с использованием измерения сопротивления тонкой мембраны. Датчик относительной влажности выполнен по технологии MEMS с использованием измерения изменения емкости конденсатора с полимерной пленкой. Датчик газа BME680 изготовлен по технологии MOX. Измерение температуры выполняется путем измерения изменения напряжения кремниевого диода. Каждый чип, используемый в микросхеме BME680, содержит датчик температуры. Основные параметры BME680:

• максимальная частота дискретизации: 182 Гц,
• интерфейс связи: I2C и SPI.

Микросхема BME680 заключена в металлический корпус размером 3 х 3 х 1 мм (LGA8). Это дает хорошую невосприимчивость к электромагнитным помехам. Внутренний вид микросхемы BME680 показан на рисунке. Схема построена как SIP (System In Package) с тремя интегрированными структурами CMOS, размещенными на печатной плате (PCB). Цифровой интерфейс и схема цифровой обработки, а также аналого-цифровая схема (усилители и аналого-цифровые преобразователи) выполнены в виде большой ASIC-структуры. Поверх этой конструкции расположена интегрированная структура, содержащая датчик давления и датчик влажности и температуры (левый край). Интегрированная конструкция датчика газа (справа) размещена отдельно.

Серия M5600 от TE Connectivity

Модульный беспроводной преобразователь давления серии M5600 от TE Connectivity из линейки Microfused заключен в корпус из нержавеющей стали и поликарбоната. Датчики изготавливаются в виде пьезорезистивных МЭМС-систем и силиконовых тензорезисторов (Microfused, Krystal Bond). Эти высокоточные беспроводные 24-битные преобразователи с цифровым выходом устраняют необходимость в проводке и обеспечивают дистанционное управление процессом и мониторинг с помощью беспроводной связи Bluetooth 4.0. Беспроводной преобразователь давления серии M5600 подходит для измерения давления жидкости или газа даже в агрессивных средах, таких как загрязненная вода, пар и слабоагрессивные жидкости.

Семейство Infineon XENSIV

Семейство цифровых датчиков барометрического давления XENSIV от Infineon предназначено для мобильных и носимых устройств благодаря их небольшому размеру, высокой точности и низкому энергопотреблению. Измерение давления основано на емкостной технологии, гарантирующей сверхвысокую точность (± 2/± 5 см) и относительную точность (± 0,6 гПа) в широком диапазоне температур. Внутренний сигнальный процессор датчика преобразует выходные данные датчиков давления и температуры в 24-битные результаты. Каждый датчик давления откалиброван индивидуально и включает калибровочные коэффициенты. Коэффициенты используются в приложении для преобразования результатов измерений в фактические значения давления и температуры.

Все датчики имеют FIFO, в котором могут храниться последние 32 измерения. Поскольку хост-процессор может оставаться в спящем режиме в течение длительного времени между операциями чтения, FIFO может снизить энергопотребление системы. Измерения датчиков и коэффициенты калибровки доступны через последовательный интерфейс I2C/SPI.

Датчик барометрического давления DPS310 с очень низким энергопотреблением рекомендуется там, где энергопотребление критично и требуется высочайшая точность измерения давления.

Монолитный чип DPS422 имеет очень маленькую критическую площадь и очень низкий корпус (типа 0,73 мм). В дополнение к точному измерению давления DPS422 также предлагает высокоточное определение абсолютной температуры (± 0,4 ° C). Его можно использовать в таких устройствах, как интеллектуальные метеостанции.

Чип DPS368 обеспечивает высокое разрешение (± 2 см), очень высокую скорость чтения и низкое энергопотребление. Датчик можно использовать в суровых условиях, поскольку он устойчив к воде (IPx8 — 50 м под водой в течение 1 часа), пыли и влаге.

Автомобильные системы контроля давления NXP

Очень большой ассортимент датчиков давления NXP охватывает широкий диапазон диапазонов давления и множество вариантов корпуса. Датчики давления на основе МЭМС обеспечивают надежные решения для оборудования, медицины, потребителей, промышленности и автомобилестроения. Системы контроля давления в шинах (TPMS) могут повысить безопасность автомобиля и снизить расход топлива, что приведет к сокращению выбросов углекислого газа.

Решение NXP для контроля давления в шинах объединяет датчик давления, микроконтроллер, радиочастотный передатчик и одно- или двухосевой акселерометр в одной схеме. Датчики устанавливаются в штоках клапанов или в других местах на ободах или в шинах для обеспечения независимых частых измерений давления воздуха для каждой шины. Эти измерения отправляются на приемник TPMS или в систему управления кузовом (BCM).

Компания предлагает два семейства чипов FXTH87E и меньший NTM88 с аналогичными параметрами. Общая блок-схема системы контроля давления в шинах показана на рисунке. Емкостному датчику давления требуется всего 0,14 мкА тока питания (3 В, 30 кГц). Типичное энергопотребление FXTH87E составляет 5 мА на частоте 434 МГц (5 дБм) и всего 180 нА в режиме остановки. MCU объединяет технологии связи LF и RF. Микросхема LFR потребляет очень мало энергии при приеме низкочастотных сигналов для связи на короткие расстояния. Внутренний ВЧ-передатчик 315/434 МГц состоит из ВЧ-модуля с кварцевым генератором, генератора, управляемого напряжением, фрактальной фазовой автоподстройки частоты и выходного ВЧ-усилителя, прикрепленного к антенне.

Таким образом уменьшение размера датчиков давления открывает новые области применения. Например в смарт-часах и фитнес-мониторах используются небольшие заполненные гелем датчики давления производства TE. Они помогают определить высоту и, следовательно, обеспечивают гораздо более точную индикацию местоположения в сочетании с другими датчиками, такими как приемники GPS и акселерометры.

Системы контроля устойчивости автомобиля могут извлечь выгоду из дополнительной информации предоставляемой датчиками TPMS. В настоящее время данные TPMS передаются с очень большими интервалами и полезны только для определения падения давления в шинах. Интеграция данных о давлении в шинах с контролем устойчивости потребует более частой передачи большего количества данных, что значительно сократит срок службы батареи в существующих конструкциях. Технология сбора энергии, которая извлекает электричество из вибрации шин, позволяет избежать замены или значительно продлить срок службы батарей, питающих узлы TPMS в каждой шине.