7.14.1 Особливості вимірювання температури

Основною особливістю вимірювання температури, як неелектричної величини, є її перетворення в електричну за допомогою первинного вимірювального перетворювача (сенсора) з подальшим її вимірюванням вторинним електровимірювальним приладом.

За виключенням інтегральних, всі сенсори температури мають нелінійну функцію перетворення.

Резистивні сенсори температури (термометри опору) характеризуються високою точністю, не вимагають зовнішнього струму збудження і є складовими мостових засобів вимірювань.

В табл. 7.4 наведено перелік популярних типів сенсорів температури та їхні основні метрологічні характеристики.

Термістори мають найвищу чутливість, але для них характерна найбільша нелінійність.

Напівпровідникові сенсори температури є високоточними і володіють високою лінійністю в діапазоні робочих температур від -55⁰С до +150⁰С. Внутрішні підсилювачі маштабують вихідний сигнал до значень, зручних для АЦП-перетворення, наприклад, 10 мВ/⁰С.

Таблиця 7.4 – Основні метрологічні характеристики сенсорів температури

Термопари	Термометри опору	Термістори	Напівпровідникові сенсори температури
Самий широкий діапазон температур: Від -1840С до 23000С	Діапазон температур: Від -2000С до +8500С	Діапазон температур: Від 00С до +1000С	Діапазон температур: Від 00С до +1000С
Висока точність та повторюваність	Висока лінійність	Низька лінійність	Лінійність: 10С Абсолютна похибка: 10С
Необхідність компенсації температури холодного «спаю»	Необхідність зовнішнього збудження	Необхідність зовнішнього збудження	Необхідність зовнішнього збудження
Мале значення вихідної напруги (термо-ерс)	Низька вартість	Висока Чутливість	Типовий вихідний сигнал: 10 мВ/К, 20 мВ/К, або 1 мВ/К

7.14.2 Мікропроцесорний засіб вимірювання температури

Сенсори температури з цифровим виходом мають ряд переваг на сенсорами з аналоговим виходом і дозволяють реалізовувати мікропроцесорні термометри.

Наприклад, ТМР03/ТМР04 - сенсори температури з цифровим виходом, структурна схема яких наведена на рис.7.28.

Рисунок 7.28

До його складу входить джерело опорної напруги, генератор тактової частоти (1 МГц), сигма-дельта АЦП. Вихідний сигнал сенсора температури кантується 12-розрядним аналого-цифровим перетворю-вачем, який на своєму виході формує послідовний двійковий код у вигляді частотно-модульованого сигналу (рис.7.29).

Рисунок 7.29

Даний вихідний сигнал досить просто декодується мікропроцесором в значення температури. Суттєвим тут є те, що такий метод виключає похибки притаманні іншим методам модуляції, оскільки в ньому значення температури не залежать від абсолютного значення частоти.

Номінальна вихідна частота складає 35 Гц для температури +25⁰С і засіб вимірювання працює з фіксованою тривалістю імпульсу Т1, що складає 10 мс.

Вихідний сигнал ТМР03/ТМР04 представляє собою послідовність імпульсів, тривалість яких пов’язана з вимірюваною температурою такими залежностями:

, .

Практично всі мікропроцесори (мікроконтролери) мають у своєму складі таймери, за допомогою яких легко отримують остаточні рівняння перетворення. Типовий інтерфейс до мікроконтролера 80С51 показано на рис. 7.30.

Рисунок 7.30

Два таймера (Таймер 0 і Таймер 1) 16-ти розрядні. Тактова частота мікроконтролера, поділена на 12,

є частотою квантування тривалості імпульсів Т1 і Т2.

Алгоритм роботи такого (рис.7.30) мікропроцесорного засобу вимірювання температури досить простий.

Мікроконтролер з приходом в порт Р1.0 по передньому фронту сигналу з виходу сенсора температури запускає Таймер Т0, в якому відбувається квантування тривалості імпульсу Т1 частотою f₀. По задньому фронту цього ж сигналу мікроконтролер зупиняє таймер Т0 і запускає Таймер Т1. По наступному передньому фронту вихідного сигналу сенсора температури і таймер Т1 зупиняється і кількість імпульсів зразкової частоти f₀, які поступили на двійкові лічильники таймерів Т0 і Т1 переписуються в порти таймерів Т0 і Т1, відповідно. Після цього лічильники таймерів обнуляють для наступного циклу вимірювання.

Далі, для розрахунку температури, підпрограми використовують наступні рівняння. Після квантуванні тривалості імпульсів Т1 і Т2 імпульсами зразкової частоти f₀ в лічильниках таймерів сформуються відповідно двійкові коди

.

Тоді тривалості імпульсів Т1 і Т2 будуть визначатися

.

Підставимо значення тривалості імпульсів Т1 і Т2 у вихідне рівняння перетворення сенсорів температури ТМР03/ТМР04 і відповідно отримаємо значення температури, які відповідають значенням двійкових кодів у таймерах

,

.

Контрольні питання:

1. Дайте поняття фізичної величини температури.

2. Проаналізуйте відомі Вам температурні шкали.

3. Дайте поняття одиниці вимірювання температури – градус.

4. За яким співвідношенням здійснюють перерахунок температури з однієї шкали в іншу?

5. Які Ви знаєте опорні (реперні) точки шкали ITS-90?

6. Виділіть дві основні особливості вимірювання температури.

7. Порівняйте основні метрологічні характеристики сенсорів температури.

8. Поясніть структурну схему сенсора температури з цифровим виходом.

9. Наведіть рівняння перетворення сенсорів типу ТМР. Перетворювачем якої фізичної величини в яку є даний сенсор?

10. По структурній схемі поясніть принцип дії мікропроцесорного термометра.

11. На ведіть алгоритм роботи засобу вимірювання даного типу.

12. Прокоментуйте остаточні рівняння перетворення.