Данная схема компенсирует ошибку, связанную с конечным сопротивлением проводников, используемых для подключения диодного датчика температуры, и для своей работы требует всего лишь двухпроводной кабель.
Температурный коэффициент прямого падения напряжения на диоде, составляющий примерно –2 мВ/°C, является основанием для популярного метода измерения температуры, особенно для низкотемпературных приложений (рис.1). Диодные датчики температуры являются компактными, стабильными, надежными, чувствительными и недорогими и, в отличие от термопар, не требуют использования образцового диода. Все эти преимущества помогают объяснить длительную популярность этой - мягко выражаясь - “древней” технологии.
Фактор усложнения и источник потенциальных ошибок, присущие данному типу датчиков, приводят к необходимости использовать для них компенсацию токов смещения. Результирующий вклад омического внутреннего сопротивления (ток/сопротивление) - уменьшение напряжения в проводниках и сопротивление контактов в выходном напряжении датчика создают неуправляемое и зависящее от температуры напряжение смещения. Это смещение может приводить к неприемлемо большим ошибкам при измерении температуры. Эта ситуация особенно характерна когда используются тонкие и, поэтому, высокоомные провода для подключения датчика - ситуация характерная для низкотемпературных приложений. В таких случаях, разработчики предпочитают использовать особо качественные провода для уменьшения температурной проводимости и утечек.
Обычным решением проблемы внутреннего сопротивления является использование четырехпроводного подключения по схеме “Кельвин” (мостовая схема Уинстона-Томпсона), при котором одна пара проводов служит для подачи тока смещения датчика, а другой парой проводов снимается дифференциальный выходной сигнал с датчика. При таком подходе предотвращается искажение сигнала с датчика, обусловленное внутренним сопротивлением соединительных проводов. Этот традиционный метод работает хорошо, но усложняет подключение датчика и удваивает нежелательную тепловую утечку из-за использования дополнительных проводов, таким образом, значительно уменьшая выигрыш от его использования по сравнению с использованием высококачественных проводов, рассмотренном в первом варианте.
На рис.2 показана схема, в которой реализован другой подход. Она устраняет ошибку, связанную с конечным сопротивлением проводников и требует для своей реализации только двухпроводной кабель для подключения датчика. Схема основана на том факте, что падение напряжения на внутреннем сопротивлении (IR) пропорционально току, в то время как напряжение на датчике остается постоянным. Принцип работы схемы основан на изменении величины тока возбуждения, IB, между двумя значениями, IB1 и IB2, где IB1=2IB2. Переменная составляющая результирующего сигнала будет, примерно, равна IBRW, где RW - общее сопротивление проводников кабеля, плюс небольшой вклад от ненулевого сопротивления датчика.
В качестве источника тактового сигнала для модуляции обоих токов возбуждения IB1/IB2 и синхронной демодуляции результирующего ответа используется внутренний генератор микросхемы LTC1043, частота которого устанавливается, примерно, 500 Гц присоединением к Выводу 16 внешнего конденсатора емкостью 0.01 мкФ. Переключение сопротивления балластного токозадающего резистора между значениями 1M и 1M+1M=2M создает модуляцию тока 2-в-1 и компоненту переменного сигнала, пропорциональную сопротивлению соединительных проводов: IBRW.
Вторая часть микросхемы LTC1043 синхронно выпрямляет переменную составляющую IBRW, запоминая фазу IB1RW=VC1 на конденсаторе C1 и фазу IB2RW=VC2 на конденсаторе C2. Операционный усилитель A2 буферизует напряжение VC1 и подает его на резисторную матрицу и операционный усилитель A1, который вычитает это напряжение из среднего значения сигнала с датчика, создавая выходное напряжение, независящее от напряжения смещения, вызванного сопротивлением кабеля. Одним из недостатков это методики является то, что из-за эффектов собственного импеданса датчика порядка 20 мВ, для термометрических диодов обычно требуется индивидуальная температурная калибровка.
Пояснения к схемам:
ONE SECTION LTC1043 |
Первая часть микросхемы LTC1043 |
LTC1043 OSCILLATOR |
Тактовый генератор микросхемы LTC1043 |
TEMPERATURE SENSOR |
Температурный датчик |
*FILM RESISTOR |
*Пленочный резистор |
NOTES: CIRCLED NUMBERS ARELTC1043 PIN NUMBERS. |
Замечание: Числа в кружках являются номерами выводовмикросхемы LTC1043 |
TOTAL WIRING RESISTANCE |
Общее сопротивление проводов |