Подключение термосопротивления к микроконтроллеру. Измеряем температуру c помощью термистора
Ken Wada
embedded.com
Температура является одним из наиболее распространенных параметров, регистрируемых встраиваемой системой. Для таких измерений существует широкий выбор датчиков температуры. Диапазон типов датчиков простирается от экзотических детекторов черного тела до простейших резистивных сенсоров, включая все множество типов, находящихся между этими полюсами. В этой статье я кратко расскажу о терморезисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC термисторы) - одних из самых распространенных датчиков температуры, используемых в различных встраиваемых системах.
Существует два типа инструментов: один позволяет получить максимальную точку замерзания на «плато» кривой замерзания, а другой, по коммерческим соображениям, регулируется так, чтобы читать в данный момент после того, начало замораживания. Поскольку кривые замораживания могут отличаться от одного молока к другому и между молоком и стандартными растворами, используемыми для калибровки, этот официальный метод требует использования инструментов исследования плато. В случае рутинных мер для скрининга Молоко может использоваться для чтения в заданное время.
Термисторы
Термистор представляет собой резистивный элемент, как правило, изготовленный из полимера или полупроводника, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Этот тип устройства не следует путать с резистивным датчиком температуры (RTD). Обычно RTD гораздо точнее, стоят дороже и охватывают более широкий диапазон температур.
Точку замерзания можно использовать для оценки процента воды, добавленной в молоко, при условии, что кислотность образца не превышает 0, 18 г молочной кислоты на 100 мл. Точка замерзания молока определяется как градус Цельсия, полученный путем проведения измерения в соответствии с описанным процессом.
Анализатор температуры молока охлаждается до температуры, зависящей от инструмента, и вызывает кристаллизацию механическими колебаниями, что приводит к быстрому повышению температуры до плато, соответствующего точке замерзания образца. Инструмент калибруется путем регулировки его для получения точных показаний для двух стандартных решений, используя ту же процедуру, что и для образцов молока. В таких условиях плато дает точку замерзания молока в градусах Цельсия.
Существуют два типа термисторов, отличающихся характером зависимости сопротивления от температуры. Если значение сопротивления уменьшается с ростом температуры, мы называем это устройство термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Если сопротивление с ростом температуры возрастает, это устройство известно как термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC). Как правило, PTC-устройства используются как средства защиты, а NTC-устройства применяются в качестве термодатчиков. Очень часто NTC термисторы применяются для контроля PN-переходов широкополосных лазерных диодов.
Оборудование, используемое в настоящее время в лаборатории, и в частности. Криоскоп состоит из холодильной бани термостата, терморезистора с относительной цепью и гальванометра или считывателя, мешалки для образца, устройства для замораживания-оттаивания и пробоотборных труб.
Можно использовать два типа холодильника. Важно, чтобы жидкость для ванны поддерживалась на постоянном уровне. Вся поверхность пробирки под калибровочной меткой объема должна быть покрыта охлаждающей жидкостью. Непосредственный поток подходящей охлаждающей жидкости циркулирует вокруг пробирки.
Еще одной характеристикой терморезистора является стоимость. В небольших партиях типичный термистор стоит, как правило, от $0.05 до $0.10 за штуку. Низкая цена и простота подключения делают эти устройства весьма привлекательными для встраиваемых приложений.
Типичный диапазон измерения температуры термистора составляет от -50 °C до +125 °C. Большинство приложений, использующих термисторы, работает в диапазоне от -10 °C до +70 °C, или, как его называют, в коммерческом диапазоне температур окружающей среды.
Подходящим хладагентом может быть 33% -ный водный раствор 1, 2-этандиола. Термистор и относительная схема. Максимальный допуск на сопротивление должен составлять 5%. Затем у вас должен быть шаблон, который позволяет пользователю правильно позиционировать зонд.
Температурный коэффициент. Измерительное и считывающее устройство. Используемый прибор должен работать в соответствии с принципом поиска первого «плато» кривой точки замерзания. Изменчивость сопротивления по рабочему полю не должна отклоняться от линейности более 0, 3% от ее максимального значения.
Типовая погрешность сопротивления термистора достаточно велика. Большинство термисторов изготавливается с допустимым отклонением сопротивления ±5%.
Однако их точность вполне приемлема. Как правило, мы можем рассчитывать, что она находится в диапазоне от ±0.5% до ±1.0%.
Выражение, связывающее температуру и сопротивление термистора, известно как уравнение Стейнхарта-Харта. Это нелинейное уравнение показано ниже.
Можно настроить калибровочные резисторы. Чтобы встряхнуть аналитическую аликвоту, используется инертная металлическая проволока по отношению к молоку диаметром 1-1, 5 мм. Шейкер должен быть отрегулирован по амплитуде и расположен вертикально, а нижний конец на том же уровне, что и наконечник зонда термистора. Допуск на расстоянии примерно 1, 5 мм от этого положения разрешен.
Мешалка должна вибрировать сбоку с достаточной амплитудой, зафиксированной изготовителем, чтобы гарантировать, что температура в испытательной части остается постоянной во время определения. Во время работы мешалка никогда не должна контактировать с термисторным зондом или со стенками пробирки.
На Рисунке 1 показан график зависимости сопротивления от температуры для NTC термистора ERTJZET472 компании . Этот график показывает, что на линейной шкале зависимость сопротивления от температуры очень нелинейна.
Как правило, термисторы оцениваются по параметру, известному как значение R25. Это типовое сопротивление термистора при 25 °C. Значение R25 для данного термистора составляет 4700 Ом.
Оборудование для запуска замораживания. Можно использовать любое из оборудования для работы путем мгновенного запуска замораживания тестовой аликвоты, чтобы приблизить температуру к точке замерзания. Для этой цели можно использовать мешалку; одним из способов является увеличение амплитуды колебаний в течение 1-2 секунд, чтобы мешалка касалась стенки пробирки.
Пробирки, содержащие образец. В пробирке толщина стенки не должна изменяться более чем на 0, 1 мм. Напряжение питания должно быть стабилизировано как внутри устройства, так и снаружи так, чтобы колебания не превышали 1% от номинального значения, когда напряжение основного питания изменяется на 6%.
Мы можем легко подключить термистор к маломощному источнику тока. Затем мы можем считать напряжение с помощью АЦП и сравнить полученный результат с соответствующей строкой просмотровой таблицы, чтобы узнать истинную температуру. Мы также можем попытаться линеаризовать зависимость сопротивления от температуры.
В некоторых системах с ограниченной памятью мы просто не можем позволить себе такую роскошь, как создание таблицы преобразования. Поэтому в таком приложении показания термистора мы попытаемся линеаризовать.
Подготовка стандартных решений. Взвесьте соответствующее количество высушенного хлорида натрия в водном фильтре. Точка замерзания хлоридных растворов. Перед использованием стандартного решения слегка повернуть и слегка повернуть бутылку, чтобы полностью перемешать содержимое. Не встряхивайте стандартное решение, чтобы предотвратить поглощение воздуха.
Образцы стандартного раствора следует брать из бутылки, заливая раствор в чистое сухое стекло. Не используйте растворы, содержащиеся в пустых флаконах, более трех четвертей или растворы более двух месяцев, если они не сохраняются с фунгицидом. Криоскоп должен быть расположен таким образом, чтобы окружающая температура воздуха не превышала 1 градуса от градуированной температуры.
Приближение первого порядка показывает нам, что сопротивление термистора примерно обратно пропорционально температуре. Учитывая это, мы можем создать схему обратной пропорции, чтобы попытаться линеаризовать кривую зависимости сопротивления от температуры. Из Рисунка 2 видно, как это делается.
Если бы мы действительно хотели сэкономить деньги, то могли бы убрать источник опорного напряжения. Для этого потребуется определенная дополнительная фильтрация, чтобы устранить любые шумы источника питания. Важно, что АЦП и термисторная цепь имеют один источник опорного напряжения. Это позволяет нам использовать логометрический метод измерения для термистора относительно показаний АЦП. То есть, измерение будет независимым от напряжения возбуждения интерфейсной цепи термистора.
Убедитесь, что криоскоп находится в хорошем рабочем состоянии в соответствии с инструкциями изготовителя и эксплуатировался не менее 12 часов перед калибровкой. Проверьте положение зонда, амплитуду мешалки мешалки и температуру охлаждающей жидкости. Выберите два стандартных решения, которые закрывают предполагаемое значение точки замерзания образцов молока, подлежащих анализу.
Образцы пробы, используемые во время калибровки, должны быть того же типа, что и при анализе образцов молока, и их необходимо промыть и промыть вместе с деминерализованной водой. Температуры стандартных растворов должны быть такими же, как те, образцов молока.
Показания температуры зависят только от сопротивления смещения (RB) и сопротивления термистора (RTH). Мы можем назвать их отношение коэффициентом деления (D). Выражение для коэффициента деления не отличается от выражения для простого делителя напряжения (Уравнениие 2).
На Рисунке 3 показан набор кривых для различных значений сопротивления смещения линеаризующей цепи термистора. Эти графики также демонстрируют достаточную степень линейности в диапазоне от 0 до 70 °C; при этом наилучшая линейность достигается с более низким сопротивлением резистора смещения.
Следуйте инструкциям производителя до тех пор, пока показания криоскопа не совпадут с точкой замерзания стандартного решения. Криоскоп готов для использования и будет прямо указывать, без какой-либо коррекции, точку замерзания образца молока. Подготовка образца для анализа.
Удалите из образца видимые невооруженные глаза или твердые жировые частицы, возможно, фильтруя их в сухом, чистом контейнере и аккуратно перемешайте образец. Любой фильтр должен быть инертным по отношению к молоку и быть эффективным при температуре лаборатории.
Другим, более хорошим способом взглянуть на это является изображение на графике разности между значениями температуры, взятыми из документации, и линеаризованными значениями. Такой график приведен на Рисунке 4. Этот рисунок также демонстрирует, что лучшая линейность достигается при меньшем значении сопротивления смещения. График показывает, что резистор номиналом 2 кОм даст линейность примерно ±3 °C в диапазоне температур от 0 до 70 °C.
Молоко можно анализировать при температуре хранения или доводить до лабораторной температуры до начала анализа. В любом случае стандартный раствор и образцы молока во время использования должны быть при одинаковой температуре. Определите титруемую кислотность молока как можно больше одновременно с определением точки замерзания. Образцы с кислотой более 0, 18 г молочной кислоты на 100 мл молока не могут быть проанализированы.
Убедитесь, что уровень и температура хладагента указаны в инструкциях изготовителя и что при необходимости терморезистор должен быть помещен в пустую пробирку в корпусе образца. Запустите криоскоп и убедитесь, что жидкость охлаждающая жидкость в соответствии с корпусом должна быть правильно взволнована или правильно циркулирована. По истечении 12 часов работы проверьте температуру охлаждающей жидкости, а также положение и амплитуду вибрации мешалки.
В этом примере линейное выражение для зависимости температуры от коэффициента сопротивлений при номинале резистора смещения 2 кОм приведено в Уравнении 3.
T - температура в градусах Цельсия,
D - коэффициент деления.
На резистивный делитель и АЦП подается одно и то же опорное напряжение. Таким образом, мы можем легко вывести зависимость коэффициента деления от показаний АЦП. Если предположить, что преобразователь имеет разрядность N бит, то получим соотношение, показанное в Уравнении 4.
Проверить процедуру калибровки. Если криоскоп используется постоянно, проверьте процедуру калибровки, по крайней мере, каждый час, с учетом инструкций изготовителя. Определение точки замерзания молока. Качайте осторожно и вращайте контейнер несколько раз с образцом молока, чтобы перемешать содержимое. Тем не менее, избегайте сильного встряхивания образца, чтобы избежать пузырьков воздуха.
Пипеткой 2, 5 п.л. 0, 1 мл молока в чистую и сухую пробирку, принимая любое избыточное количество с помощью пипетки. Убедитесь, что зонд и мешалка чисты и сушены, тщательно вытирая их снизу, высокий с мягкой, чистой салфеткой и без волос. Вставьте пробирку в калиброванный криоскоп согласно инструкциям производителя.
D - коэффициент деления,
ADC - показания АЦП,
N - разрядность АЦП (количество бит).
Подставив Уравнение 4 в Уравнение 3, получим выражение, связывающее показания АЦП с температурой. Оно представлено Уравнением 5.
Выводы
Иногда, как разработчикам встраиваемой электроники, нам приходится решать проблему подключения датчика к системе. В этой статье я рассмотрел простую схему датчика температуры на основе термистора и показал, как линеаризовать температурную зависимость сопротивления.
Если по какой-либо причине замораживание началось до или после указанного уровня температуры, остановите анализ и перезапустите его другой аликвотой молока. Если даже эта вторая аликвота замерзает до указанной температуры, нагрейте до 45 гС дополнительной аликвоты анализа и выдерживайте ее в течение пяти минут при этой температуре для расплавления кристаллического жира.
Охладите до температуры испытания и немедленно перейдите к новому тесту. Температура молока после триггера замораживания быстро возрастает до значения, которое остается практически постоянным в течение некоторого периода времени до опускания. Точка замерзания соответствует самой высокой температуре, достигнутой за этот период, и это значение, которое должно быть записано.
Одним из основных преимуществ использования термисторов является их цена. Как правило, при покупке в небольших количествах эти датчики стоят примерно от $0.05 до $0.10. Точность для этих датчиков вполне приличная. Обычно допуск сопротивления или допуск R25 для этих устройств составляет от ±3% до ±5%. Поэтому схема линеаризации с нелинейностью ±3 °C также может считаться удовлетворительной.
Период, в течение которого температура остается постоянной и временной интервал между триггером замораживания и мгновением, при котором достигается самая высокая температура, варьируется от одного образца к другому, к воде и к стандартным решениям Хлорид натрия значительно короче, чем для молока. Необходимо отметить самую высокую температуру.
После того, как измерение было проведено удовлетворительно, удалите пробирку и промойте терморезистор водой и шейкер, сушащий снизу вверх мягкими чистыми салфетками и не оставляя волос; затем сделайте второе определение по «другой скорости анализа молока».
Конечно, мы всегда можем использовать более дорогой датчик, который даст более точный результат. К подобным типам датчиков можно отнести:
- Датчики с PN-переходом. Низкая стоимость, приемлемая точность.
- Микросхемы датчиков температуры. Обычно они представляют собой некоторую разновидность датчиков с PN-переходом.
- Резистивные датчики температуры (RTD). Они, как правило, очень точны и значительно дороже.
- Термопары. Их диапазон измерения обычно намного больше, а цена сравнительно невысока.
- Инфракрасные датчики. Чаще всего их используют для измерения тепловых излучений, уровни которых затем преобразуют в температуру.
Это лишь несколько из тех методов, с помощью которых можно измерять температуру. О некоторых из них, возможно, я смогу рассказать в будущей статье.
Если разница между полученными точками замерзания больше, чем значение повторяемости, выполните второе определение на другой аликвоте. После использования прибора поместите пустую трубку в корпус образца и опустите шпиндель, чтобы держать зонд в холодном состоянии.
Если проверка проверки калибровки подтверждает достоверность последней, рассчитайте среднее значение допустимых значений точки замерзания, полученное с помощью определений, сделанных в двойном, приблизительно на треть меньше десятичного знака. Если сумма двух приемлемых значений, полученных с использованием двух повторяющихся определений, является нечетным числом, среднее должно округляться до ближайшего однорангового числа, как показано в следующем примере.
А как вы измеряете температуру в своей встраиваемой системе? Вы видите, что я показал очень дешевый способ измерения этого физического параметра. Но помимо него существует еще уйма других методов.
