Цифровое измерение температуры. Одна микросхема для всех типов датчиков обеспечивает точность 0.1 °C

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2015

LTC2983 просто решает специфические проблемы,  связанные с использованием всех стандартных  датчиков температуры.

В измерении температуры нет ничего нового. Обнаруживать изменения температуры мог уже первый рудиментарный термометр, изобретенный Галилеем, а спустя двести лет Зеебек открыл явление термоэлектричества. Учитывая столь долгую историю измерений температуры и их повсеместное распространение сегодня, можно было бы подумать, что существовавшие проблемы точности уже решены. Но это не так. Даже, несмотря на то, что методы извлечения информации о температуре из сенсорных элементов известны давно, точные измерения с разрешением 0.5 °C или 0.1 °С пока остаются проблематичными. Микросхема LTC2983 позволяет измерять соответствие температур с точностью до 0.1°C (точность измерения относительно прецизионного калибратора), как это показано на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Типичные ошибки измерения микросхемы LTC2983 похожи для различных типов используемых датчиков.

Для электрического измерения температуры широко используются термопары, температурно зависимые элементы (термометры сопротивления и термисторы) и полупроводниковые элементы (диоды). Оцифровка электрических сигналов этих датчиков требует разностороннего опыта в таких областях, как устройство и принцип работы датчиков, аналоговая и цифровая схемотехника, программирование. Весь это опыт собран в единственной микросхеме LTC2983, позволяющей решить любую из проблем, связанных с термопарами, резистивными датчиками температуры (RTD), термисторами и диодами. Она содержит все аналоговые схемы, необходимые для каждого типа датчиков с его алгоритмами измерения температуры и параметрами линеаризации, что позволяет непосредственно измерять температуру с датчиком любого типа и получать результаты в градусах Цельсия.

Термопары: обзор

Генерируемое термопарой напряжение является функцией разности температур между горячим спаем (концом термопары) и точкой ее электрического подключения на плате (холодный спай). Для определения температуры термопары требуется точное измерение температуры холодного спая, известное, как компенсация холодного спая.

Как правило, температура холодного спая определяется путем размещения на холодном спае отдельного (не термопары) датчика температуры. В качестве такого датчика LTC2983 допускает использование диодов, RTD и термисторов. Чтобы преобразовать выходное напряжение термопары в результирующую температуру, как для измеренного напряжения, так и для температуры холодного спая, должно быть решено (с использованием таблиц или математических функций) полиномиальные уравнения высокого (до 14) порядка. Эти полиномы для всех восьми стандартных типов термопар (J, K, N, E, R, S, T и B) встроены в LTC2983, а для нестандартных термопар предусмотрена возможность использования программируемых пользователем таблиц. Измеряя одновременно выходное напряжение термопары и температуру холодного спая, LTC2983 выполняет все расчеты, необходимые для того, чтобы получить конечный результат в °C.

Термопары: что важно знать и учитывать

Выходное напряжение, генерируемое на выходе термопары, невелико, и полная шкала его изменения не превышает 100 мВ (Рисунок 2). Из этого следует, что напряжение смещения и шумы АЦП должны быть как можно более низкими. Кроме того, для чтения абсолютных значений напряжений требуется точный источник опорного напряжения с малым температурным дрейфом. LTC2983 содержит малошумящий 24-битный сигма-дельта АЦП с непрерывной автокалибровкой смещения (смещение и шумы менее 1 мкВ) и источник опорного напряжения с дрейфом, не превышающим 10 ppm/°C (Рисунок 3).

Рисунок 2.	Проблемы, требующие решения при измерениях с помощью термопар.

Кроме того, выходное напряжение термопары может быть ниже потенциала земли, если ее спай подвергается воздействию температур ниже температуры холодного спая. Это усложняет систему, требуя либо дополнительного источника отрицательного напряжения, либо цепи сдвига уровня входного сигнала. В микросхеме LTC2983 реализована запатентованная технология, позволяющая при единственном заземленном источнике питания оцифровывать сигналы, уровни которых лежат ниже потенциала земли.

Рисунок 3.	Измерение напряжения термопары с использованием диода для компенсации холодного спая.

В дополнение к высокой точности измерений, для работы с термопарой схема должна содержать элементы подавления шумов, защиту по входу и заграждающий фильтр. Входной импеданс LTC2983 высок, и ее максимальный входной ток составляет менее 1 нА. Это дает возможность без внесения дополнительных ошибок использовать внешние резисторы защиты и фильтрующие конденсаторы. На кристалле микросхемы имеется цифровой фильтр с подавлением 75 дБ на обеих частотах сети 50 Гц и 60 Гц, или 120 дБ на частоте 50 Гц или 60 Гц.

Важной функцией многих измерительных систем с термопарами является детектирование неисправностей, к наиболее типичным из которых относится обрыв (термопара сломана или отсоединена). Исторически сложилось, что для обнаружения этого типа неисправностей использовались источники тока или подтягивающие резисторы. Недостаток такого подхода связан с тем, что наведенные на входы посторонние сигналы, помехи и шумы взаимодействуют с цепями входной защиты.

В LTC2983 включена уникальная схема обнаружения обрыва, которая проверяет целостность термопары еще до цикла измерения. В этом случае ток возбуждения разомкнутой цепи не оказывает влияния на точность измерений. Кроме того, LTC2983 формирует отчеты об отказах, связанных с датчиком холодного спая. Микросхема может обнаружить факт воздействия электростатического разряда, сформировать сообщение о неисправности и восстановить работу схемы – типичная ситуация, когда датчики, используемые в промышленном оборудовании, подключены длинными проводами. В отчет о неисправностях LTC2983 включает также сообщения о выходе измеренной температуры за пределы диапазона, ожидаемого для используемой термопары.

Диоды: обзор

Диоды – недорогие полупроводниковые устройства, которые могут служить датчиками температуры. Как правило, они используются для измерения температуры холодного спая термопар. При протекании через диод тока он генерирует напряжение, зависящее от температуры и величины проходящего тока. Если к диоду приложить два хорошо согласованных источника тока возбуждения с известным соотношением, то напряжение на диоде будет пропорционально температуре горячего спая (PTAT – proportional to absolute temperature).

Диоды: что важно знать и учитывать

Для того чтобы генерировать напряжение PTAT с известной пропорциональностью, требуются два точно согласованных, нормированных источника тока (Рисунок 4). Опираясь на сигма-дельта архитектуру с избыточной дискретизацией, LTC2983 точно воспроизводит это соотношение. Подключенные к АЦП диоды и выводы являются источниками паразитных диодных эффектов. Имеющийся в LTC2983 режим измерения тремя токами устраняет паразитные сопротивления выводов. Неидеальность параметров своих диодов различные производители характеризуют по-разному. Микросхема LTC2983 позволяет программно компенсировать факторы неидеальности индивидуально для каждого диода. Поскольку микросхема измеряет абсолютное напряжение, решающее значение имеет дрейф опорного напряжения АЦП. LTC2983 содержит откалиброванный в процессе производства источник опорного напряжения с температурным коэффициентом 10 ppm/°C.

Рисунок 4.	Проблемы, требующие решения при измерениях с помощью диодов.

LTC2983 автоматически генерирует нормированные токи, измеряет результирующие напряжения диодов, вычисляет температуру, используя запрограммированные коэффициенты для компенсации их неидеальности, и выводит результаты в °С. Диод также может использоваться в качестве датчика холодного спая для термопар. Если диод разбит, замкнут или установлен с нарушением полярности, LTC2983 обнаружит ошибку и сообщит о ней в выходном слове результата преобразования, а также в соответствующем результате измерения, если диод используется для контроля температуры холодного спая.

RTD: обзор

RTD – это резистор, сопротивление которого является функцией температуры, способный выполнять измерения в широком диапазоне от –200 °С до 850 °С. Для работы с такими устройствами последовательно с RTD включается прецизионный измерительный резистор с малым температурным дрейфом. В цепь подается ток возбуждения, а измерения выполняются логометрическим методом, то есть, по отношению падений напряжения на RTD и резисторе. Из этого отношения можно определить значение сопротивления RTD. Затем с помощью таблицы соответствия сопротивление пересчитывается в температуру чувствительного элемента.

LTC2983 автоматически генерирует ток возбуждения, одновременно измеряет падения напряжений на измерительном резисторе и RTD, вычисляет сопротивление датчика и выдает результат в °C. Микросхема может оцифровывать большинство типов RTD (PT-10, PT-50, PT-100, PT-200, PT-500, PT-1000 и NI-120), используя встроенные таблицы коэффициентов для многих стандартов (американских, европейских, японских и ITS-90).

RTD: что важно знать и учитывать

Изменение сопротивления типичного RTD типа PT100 (Рисунок 5) составляет менее 0.04 Ом на одну десятую градуса Цельсия, что при токе возбуждения 100 мкА соответствует уровню сигнала в 4 мкВ. В связи с этим особую важность для точности измерений приобретают низкие собственные шумы и смещение АЦП. Измерения выполняются логометрически относительно сопротивления токоизмерительного резистора, при этом абсолютные значения тока возбуждения и опорного напряжения не столь важны для расчета температуры.

Рисунок 5.	Проблемы, требующие решения при измерениях с помощью RTD.

Исторически сложилось так, что логометрические измерения между сопротивлениями RTD и измерительного резистора выполнялись при помощи одного АЦП. В качестве опорного сигнала АЦП для измерения падения напряжения на RTD использовалось падение напряжения на измерительном резисторе. Для такой архитектуры требуются измерительные резисторы сопротивлением 10 кОм и более, которые должны быть буферизованы для исключения падения напряжения от динамических входных токов АЦП. В связи с особым значением сопротивления измерительного резистора эти буферы должны иметь малые уровни смещения, дрейфа и собственных шумов. Все это затрудняет реверс полярности источников тока, необходимый для компенсации присущих термопарам паразитных эффектов. Опорные входы сигма-дельта АЦП намного восприимчивее к шуму, чем остальные входы, а малые значения опорного напряжения могут привести к неустойчивости.

В архитектуре LTC2983 эти проблемы решены путем увеличения количества АЦП (Рисунок 6). В LTC2983 используются два точно согласованных буферизированных АЦП с автокалибровкой, один из которых обслуживает измерительный вход, а другой подключен к опорному входу. Напряжения на RTD и резисторе RSENSE, одновременно измеренные АЦП, сравниваются с данными таблицы, хранящейся в ПЗУ микросхемы, на основании которых температура RTD выводится непосредственно в °C.

Рисунок 6.	Типовое включение микросхемы LTC2983 для измерения температуры с помощью RTD.

RTD выпускаются в 2-, 3- и 4-проводных вариантах. К микросхеме LTC2983 можно подключать датчики всех трех типов, задав соответствующую аппаратную конфигурацию схемы. При этом с несколькими резистивными датчиками можно использовать один общий измерительный резистор. Высокий входной импеданс микросхемы позволяет организовать внешнюю защиту цепей между входами RTD и АЦП без внесения ошибок. Имеется также возможность авторотации тока возбуждения для устранения внешних тепловых ошибок (паразитных термопар). В случаях, когда паразитное сопротивление вывода измерительного резистора ухудшает точность измерений, LTC2983 позволяет подключить резистор R_SENSE по схеме Кельвина.

LTC2983 содержит схему обнаружения неисправностей, позволяющую определить обрыв или поломку измерительного резистора или RTD. Она также выдает предупреждение в случае, если измеренная температура выше или ниже максимального значения, указанного для RTD. Когда RTD используется в качестве датчика холодного спая для термопары, три АЦП одновременно измеряют напряжение на термопаре, измерительном резисторе и RTD. Неисправности RDT учитываются в результатах измерения термопары, и температура RTD автоматически используется для компенсации температуры холодного спая.

Термисторы: обзор

Термисторы – это полупроводниковые резисторы, изменяющие значение своего сопротивления в зависимости от температуры. В отличие от RTD, сопротивление термистора в пределах его рабочего диапазона температур изменяется на много порядков. Для того чтобы определить температуру при помощи таких устройств, последовательно с ними включается измерительный резистор. В цепь подается ток возбуждения и выполняется логометрическое измерение сопротивления термистора, значение которого определяется в омах. Это сопротивление используется для определения температуры датчика путем решения уравнений Стейнхарта-Харта или использования табличных данных.

LTC2983 автоматически генерирует ток возбуждения, одновременно измеряет напряжения на измерительном резисторе и термисторе, вычисляет сопротивление термистора и сообщает результат в °C. Как правило термисторы работают в диапазоне температур от –40 °С до 150 °С. Микросхема LTC2983 имеет запрограммированные коэффициенты для расчета температуры стандартных термисторов с сопротивлениями 2.252 кОм, 3 кОм, 5 кОм, 10 кОм и 30 кОм. В связи с большим разнообразием типов термисторов и их номинальных сопротивлений, на этапе производства LTC2983 предусмотрена возможность записи в ПЗУ микросхемы таблицы пользовательских данных (зависимость R от T) или коэффициентов Стейнхарта-Харта.

Термисторы, что важно знать и учитывать?

Как уже отмечалось, в пределах диапазона рабочих температур термистора (Рисунок 7) его сопротивление изменяется на много порядков. Например, если измеренное при комнатной температуре сопротивление термистора равнялось 10 кОм, то при максимальной температуре оно может уменьшиться до 100 Ом, а в нижней точке диапазона превысить 300 кОм, в то время как у термисторов других стандартов это значение может быть более 1 МОм.

Рисунок 7.	Проблемы, требующие решения при измерениях с помощью термисторов.

Как правило, при работе с большими сопротивлениями приходится использовать очень слабый ток возбуждения в сочетании высокоомными измерительными резисторами. Следствием этого являются крайне низкие уровни сигнала в нижней части рабочего диапазона термистора. Для изоляции динамического входного тока АЦП от этих больших сопротивлений требуются буферные каскады на входах АЦП и измерительного резистора. Однако без дополнительных источников питания буферные усилители не всегда могут хорошо работать вблизи потенциала земли, и, кроме того, необходимо принимать меры по снижению ошибок, создаваемых их смещением и шумами.

Все эти проблемы решаются микросхемой LTC2983 (Рисунок 8). В ней имеется патентованный буфер с постоянной калибровкой, способный оцифровывать сигналы с уровнями общего провода, и даже ниже, для всех АЦП микросхемы. Два согласованных буферизированных АЦП одновременно измеряют сопротивление термистора и измерительного резистора и рассчитывают (на основе стандарта) температуру термистора в °C. Здесь не требуются измерительные резисторы с большими сопротивлениями, что позволяет нескольким RTD использовать один измерительный резистор. LTC2983 может автоматически подстраивать ток возбуждения под выходное сопротивление термистора.

Рисунок 8.	Типовое включение микросхемы LTC2983 для измерения температуры с помощью термистора.

LTC2983 содержит схему обнаружения неисправностей, способную определить обрыв или замыкание цепи измерительного резистора или термистора. Микросхема также выдает предупреждение, если измеренная температура выходит за границы диапазона, указанного для данного типа термистора.

Термистор можно использовать в качестве датчика компенсации холодного спая для термопары. В этом случае три АЦП одновременно измеряют напряжения термопары, опорного резистора и термистора. Погрешности термистора сказываются на результатах измерения термопары, а его температура автоматически используется для компенсации температура холодного спая.

Универсальная измерительная система

LTC2983 может быть сконфигурирована как универсальное многоканальное устройство измерения температуры (Рисунок 9). К универсальным входам одной микросхемы можно подключить до четырех измерительных наборов. Каждый из этих наборов без изменений конструкции платы может непосредственно оцифровать 3-проводный RTD, 4-проводный RTD, термистор или термопару. Каждый датчик может быть подключен к любому из четырех входов АЦП, цепи защиты и фильтрации которых программно настраиваются через интерфейс SPI. Для всех четырех наборов датчиков и диодной цепи компенсации холодного спая используется один общий опорный резистор. Структура входов LTC2983 позволяет подключать любой датчик к любому каналу. Любая комбинация RTD, измерительных резисторов, термисторов, термопар, диодов и цепей компенсации холодного спая может быть подключена к любому из двадцати аналоговых входов LTC2983.

Рисунок 9.	Универсальная система измерения температуры.

Заключение

Микросхема LTC2983 является инновационной высокоэффективной интегрированной системой измерения температуры, непосредственно и с лабораторной точностью оцифровывающей сигналы термопар, RTD, термисторов и диодов. Она отличается высокой точностью, простотой интерфейса датчиков и исключительной гибкостью.

В трех ее 24-битных сигма-дельта АЦП используется патентованная схема обработки входных сигналов, решающая многие проблемы, характерные для температурных измерений. Высокие импедансы входов, способных обрабатывать сигналы от нулевого уровня, позволяют легко подключать и напрямую оцифровывать все датчики температуры. Двадцать гибких аналоговых входов дают возможность, используя одну аппаратную конфигурацию, измерять температуру любым датчиком путем простого перепрограммирования устройства через интерфейс SPI.

LTC2983 автоматически выполняет компенсацию холодного спая, для измерения температуры которого может использоваться любой датчик, а также дополняет выходные данные информацией о неисправностях. Используя один опорный резистор для всех датчиков, микросхема может напрямую измерять напряжения 2-, 3- или 4-проводных RTD, а также выполнять циклическое переключение источников тока для исключения паразитных термоэлектрических эффектов. Для повышения точности и снижения уровня шума при измерениях с термисторами в схему включены источники тока с автоматической установкой диапазона.

В дополнение к встроенным профилям датчиков, LTC2983 позволяет программировать профили пользователя для нестандартных RTD, термопар и термисторов, параметры которых заданы в табличной форме.

Материалы по теме

1. Datasheet Linear Technology LTC2983