Преобразователь температуры в период следования импульсов с линеаризацией отклика термистора

Чаще любых других датчиков температуры разработчики используют термисторы, поскольку они отличаются высокой чувствительностью, компактностью, дешевизной и малой постоянной времени. Однако зависимость сопротивления от температуры у большинства термисторов очень нелинейна и нуждается в коррекции, если приложение требует линейного отклика. При использовании термистора в качестве датчика простая схема на Рисунке 1 обеспечивает линейную зависимость периода импульсов от температуры с погрешностью нелинейности менее 0.1 К в диапазоне до 30 К. Для преобразования периода в числовое значение можно использовать частотомер. Приближение, полученное из закона Боссона для сопротивления термистора RT как функции температуры θ, имеет вид RT = AB–θ [1]. Это соотношение точно отражает поведение реального термистора в узком диапазоне температур.

Эта простая схема линеаризует отклик термистора и генерирует последовательность импульсов, период которых пропорционален температуре.
Рисунок 1. Эта простая схема линеаризует отклик термистора и генерирует последовательность
импульсов, период которых пропорционален температуре.

Чтобы получить эффективное сопротивление, достаточно близкое к AB–θ ≈ 30 K, можно параллельно термистору подключить резистор RP с соответствующим сопротивлением. На Рисунке 1 эффективное сопротивление цепи, включенной между узлами A и B, таково, что RAB ≈ AB–θ. Полевой транзистор с p-n переходом Q1 и резистор RS образуют источник втекающего тока IS, идущего между узлами D и E.

Напряжение, падающее на R4, через буферный усилитель IC1 подается на RC-цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов R1 и C1, создавая на R1 экспоненциально спадающее напряжение, когда R2 больше RAB. В тот момент, когда спадающее напряжение на R1 опускается ниже напряжения на термисторе RT, выход компаратора IC2 меняет свое состояние. Схема генерирует прямоугольные импульсы, форма которых на выходе микросхемы IC2 показана на Рисунке 2. Период колебаний T равен

Это выражение показывает, что зависимость T от температуры термистора θ линейна.

Осциллограммы напряжений на входе компаратора IC2 (внизу) и на его выходе (вверху). IR2 на нижней осциллограмме представляет падение напряжения на R2.
Рисунок 2. Осциллограммы напряжений на входе компаратора IC2 (внизу) и
на его выходе (вверху). IR2 на нижней осциллограмме представляет
падение напряжения на R2.

Коэффициент преобразования ΔT/Δθ можно легко изменить, изменив сопротивление резистора R1. Источник тока, состоящий из транзистора Q1 и резистора RS, делает период выходных импульсов T значительно менее чувствительным к изменениям напряжения питания и выходной нагрузки. Изменяя сопротивление R2, можно управлять периодом T, не влияя на коэффициент преобразования. Для заданного температурного диапазона от θL до θH и коэффициента преобразования SC можно спроектировать схему следующим образом. Пусть θC представляет собой центральную температуру диапазона. Измерьте сопротивление термистора при температурах θL, θC и θH. Используя три значения сопротивлений RL, RC и RH, определите RP, для которого RAB при температуре θC представляет собой среднее геометрическое RAB при температурах θL и θH. Для этого значения RP вы получите RAB, точно равное AB–θ при трех температурах θL, θC и θH.

При других температурах диапазона изменение сопротивления RAB отклоняется от зависимости AB–θ, вызывая ошибку нелинейности, которая для большинства термисторов значительно меньше 0.1 K, если диапазон температур не превышает 30 K. Сопротивление RP можно легко рассчитать, используя формулу

Поскольку коэффициент преобразования температура-период SC равен

можно выбрать R1 и C1 такими, чтобы

и получить требуемое значение SC. Чтобы получить конкретный период выходных импульсов TL для низкой температуры θL, сопротивление R2 должно равняться (RAB при θL)eY, где

На практике следует использовать более низкое значение R2, поскольку ненулевая задержка отклика IC2 приводит к увеличению периода выходных импульсов.

Затем установите сопротивления потенциометров R1 и R2 ближе к их расчетным значениям. После того, как регулировкой R1 будет установлено правильное значение SC, регулируйте R2 до тех пор, пока T не станет равным периоду TL для температуры θL. Два сопротивления делителя напряжения R3 и R4 должны быть равны по величине и иметь близкие допуски. В качестве практического примера для преобразования температурного интервала от 20 до 50 °C в периоды длительностью от 5 до 20 мс используйте стандартный термистор, такой, например, как 46004 компании Yellow Springs Instruments. Сопротивления RL, RC и RH этого термистора составляют 2814, 1471 и 811.3 Ом, соответственно, при низкой, средней и высокой температурах. Остальные параметры схемы следующие: SC = 0.5 мс/K, θL = 20 °C, θH = 50 °C, θC = 35 °C и TL = 5 мс.

Поскольку через термистор проходит только часть тока IS, этот ток должен быть низким, чтобы избежать эффектов саморазогрева. Значение IS, используемое в этой схеме, составляет примерно 0.48 мА, что приводит к ошибке саморазогрева менее 0.03 К при коэффициенте рассеяния термистора 10 мВт/К. Номиналы компонентов на Рисунке 1 соответствуют этому примеру. Все резисторы имеют допуски 1% и максимальную рассеиваемую мощность 0.25 Вт. В качестве C1 следует использовать конденсатор с поликарбонатным диэлектриком.

Моделирование различных температур от 20 до 50 °C путем замены термистора стандартные резисторами от 2814 Ом до 811.3 Ом с допуском 0.01% дает значения T от 5 до 20 мс с максимальным отклонением от правильных показаний менее 32 мкс, что соответствует максимальной температурной погрешности менее 0.07 К. Использование реального термистора дает максимальную погрешность менее 0.1 K для коэффициента рассеяния термистора 10 мВт/K или меньше.

  1. Datasheet Texas Instruments LF411
  2. Datasheet ON Semiconductor 2N3819

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 50
сейчас смотрят 5
представлено поставщиков 606
загружено
позиций
25 067 862