Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska. Zygmunt Kubiak 1

Transkrypt

1 Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Zygmunt Kubiak 1

2 Wprowadzenie Kryteria podziału sensorów temperatury Zjawisko fizyczne Rozszerzalność metali, cieczy, gazów Zmiana rezystancji metali Zmiana rezystancji półprzewodników polikrystalicznych Zmiana rezystancji półprzewodników monokrystalicznych Zależność charakterystyk diod, tranzystorów od temperatury Zależność częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego od temperatury Zjawisko termoelektryczne Bezdotykowe pomiary temperatury Zygmunt Kubiak 2

3 Wprowadzenie Kryteria podziału sensorów temperatury Sygnał wyjściowy Analogowy Rezystancja Napięcie Częstotliwość Czas Sygnał cyfrowy Cyfrowa wartość temperatury przekazywana jest na wyjście sensora w pakiecie (ramce) w jednym ze standardów magistral mikrokontrolerów (I²C, SMBus, SPI, Microwire, 1-Wire) Zygmunt Kubiak 3

4 Wprowadzenie Przegląd ograniczono do wybranych sensorów elektrycznych, przeznaczonych do pomiaru kontaktowego. Ta grupa sensorów jest najczęściej stosowana w systemach wbudowanych, ponieważ są to rozwiązania niewielkich gabarytach, względnie tanie, łatwe w aplikacji a przy tym zapewniające wystarczającą dokładność pomiarów. Zygmunt Kubiak 4

5 Sensory elektryczne, kontaktowe Rezystancyjne metalowe RTD (Resistance Temperature Detector) Polikrystaliczne rezystancyjne (termistory) Półprzewodnikowe Monokrystaliczne NTC (Negative Temperature Coefficient) Rezystancyjne PTC (Negative Temperature Coefficient) Diodowe (PN) Si Zygmunt Kubiak 5

6 Czujniki RTD wytwarzane są z różnych metali Są one rzadziej stosowane systemach wbudowanych. Najlepsze parametry dają konstrukcje platynowe ale one są też najdroższe. Zygmunt Kubiak 6

7 Czujniki RTD Zygmunt Kubiak 7

8 Czujniki RTD Zygmunt Kubiak 8

9 Czujniki RTD Zygmunt Kubiak 9

10 Czujniki RTD Zygmunt Kubiak 10

11 Termistory zbudowane są z polikrystalicznych półprzewodników. Do ich zalet możemy zaliczyć bardzo wysoką czułość, niską cenę oraz możliwość uzyskania niewielkich gabarytów takich czujników. Natomiast podstawowe wady to nieliniowa charakterystyka przetwarzania, a także mała powtarzalność parametrów czujników co wymaga stosowania złożonych metod linearyzacji i praktycznie indywidualnej kalibracji każdego z nich. Zygmunt Kubiak 11

12 Termistory NTC charakteryzują się ujemnym współczynnikiem temperaturowym, tzn. ich rezystancja maleje ze wzrostem temperatury. Zmiany rezystancji takiego czujnika można określić następującym równaniem: gdzie T i To są wyrażone w stopniach K, RT jest rezystancją w temperaturze T, a Ro jest rezystancją w temperaturze odniesienia To, zwykle 298 K (25 C), B jest stałą materiałową czujnika o wartości K. Rezystancja produkowanych NTC wynosi 10Ω- 10MΩ (w temperaturze 298 K). Zygmunt Kubiak 12

13 Termistory PTC w znacznym zakresie temperatur mają dodatni współczynnik temperaturowy. Rzadziej stosowane są w pomiarach temperatury. Specjalne wykonania takich termistorów używane są jako tzw. bezpieczniki polimerowe (powtarzalne). Po przekroczeniu określonej wartości prądu (parametr bezpiecznika) rezystancja bezpiecznika gwałtownie rośnie. W przypadku ustania bądź usunięcia przyczyny zwarcia następuje ochłodzenie termistora i powrót do pierwotnego zakresu rezystancji. Zygmunt Kubiak 13

14 Termistory Zygmunt Kubiak 14

15 Zygmunt Kubiak 15

16 Zygmunt Kubiak 16

17 Zygmunt Kubiak 17

18 Zygmunt Kubiak 18

19 Zygmunt Kubiak 19

20 Termorezystory z domieszkowanych półprzewodników monokrystalicznych, z reguły krzemowe, posiadają dodatni współczynnik temperaturowy. W porównaniu z termistorami, czujniki te charakteryzują się znacznie większą powtarzalnością charakterystyk. Mają mniejszą czułość od termistorów ale większą od czujników metalowych). Zygmunt Kubiak 20

21 Termorezystory Zygmunt Kubiak 21

22 Diodowe czujniki krzemowe (z krzemu monokrystalicznego) należą podobnie jak wspomniana wyżej grupa termorezystorów do częściej stosowanych i tańszych rozwiązań elementów do pomiaru temperatury. W tym rozwiązaniu wykorzystywane są temperaturowe właściwości złącza p-n. W funkcji zmian temperatury obserwujemy przesuwanie charakterystyki wejściowej złącza. Przy wzroście temperatury, napięcie na diodzie maleje. Zygmunt Kubiak 22

23 Diodowe czujniki Zygmunt Kubiak 23

24 Diodowe czujniki Zygmunt Kubiak 24

25 Analogowe, krzemowe sensory temperatury zlinearyzowane i skorygowane na etapie produkcji, wykorzystują oba wcześniej omówione czujniki. Przykładem scalonego sensora analogowego, w którym zastosowano termorezystor jest układ AD firmy Analog Devices. Zygmunt Kubiak 25

26 Analogowe, krzemowe sensory temperatury Przykładem wykorzystania właściwości temperaturowych diody może być układ TMP35/36/37. Zygmunt Kubiak 26

27 Sensory cyfrowe W grupie cyfrowych sensorów temperatury spotkać można bardzo różne rozwiązania zarówno pod względem wykorzystanego zjawiska fizycznego jak i sygnału wyjściowego. Pierwszy przykład jest trochę nietypowy w tej grupie. Sensor TMP05 jest układem z modulacją szerokości impulsu (PWM), czyli jest to właściwie, biorąc pod uwagę sygnał wyjściowy, przetwornik temperatury na czas. Czas trwania impulsu odniesiony do okresu sygnału wyjściowego jest proporcjonalny do wartości temperatury. Zygmunt Kubiak 27

28 Sensory cyfrowe Sensor umożliwia pomiary w zakresie -40 C do +150 C przy napięciu zasilania 3 V do 5,5 V. Błąd pomiaru nie przekracza 1 C (w zakresie 0 C do 70 C) a błąd liniowości jest mniejszy od 0,5%. Przetwarzanie na wartość wyjściową realizuje modulator Sigma-Delta, który zawiera układ próbkowania, integrator, komparator oraz 1-bitowy przetwornik c/a. Zygmunt Kubiak 28

29 Sensory cyfrowe Trójstanowe wejście FUNC służy do wyboru jednego z trzech trybów pracy: konwersja ciągła, pojedyncze przetwarzanie oraz tryb łańcuchowy, w którym sensory łączone są w łańcuch a przetwarzanie odbywa się sekwencyjnie. Drugie wejście CONV/IN, również trójstanowe, w dwóch pierwszych trybach określa szybkość przetwarzania a trzecim trybie jest wejściem do tworzenia łańcucha sensorów. Zygmunt Kubiak 29

30 Sensory cyfrowe Kolejnym przykładem jest w pełni cyfrowy sensor temperatury typu DS1631. Układ ten, nie wymagający zewnętrznych elementów, umożliwia cyfrowy pomiar w zakresie od -55 do +125 C, z dokładnością 0,5 C. Temperatura jest odczytywana jako wartość 9, 10, 11 lub 12-bitowa (rozdzielczość ustawiana przez użytkownika). Dane odczytywane (pomiary) i wpisywane (nastawy i kody sterujące) transmitowane są przez 2-przewodowy interfejs szeregowy SMBus. Zygmunt Kubiak 30

31 Sensory cyfrowe Pomiar polega na zliczaniu okresów zegara z oscylatora o małym współczynniku temperaturowym, przez czas zależny od oscylatora o dużym współczynniku temperaturowym. Zygmunt Kubiak 31

32 Sensory cyfrowe W liczniku wstępnie ustawiana jest wartość oznaczająca podstawę liczenia, która odpowiada -55 C. Jeśli licznik osiągnie zero, przed okresem bramkowania (sygnał STOP), zawartość rejestru temperatury, która jest także ustawiona wstępnie na - 55 C, jest zwiększana o 1 (inkrementowana) wskazując, że temperatura jest wyższa od -55 C. Zygmunt Kubiak 32

33 Sensory cyfrowe Następnie do licznika wpisywana jest zawartość z akumulatora nachylenia. Licznik ponownie zlicza aż do osiągnięcia zera. Jeśli okres bramkowania nadal nie upłynął, wtedy ten proces się powtarza. Akumulator nachylenia jest używany do linearyzacji parabolicznych charakterystyk oscylatorów w funkcji temperatury, dla uzyskania wysokiej dokładności pomiaru. Zygmunt Kubiak 33

34 Interfejsy sensorów cyfrowych Najczęściej stosowane są szeregowe magistrale synchroniczne. Do takich rozwiązań należą I 2 C (ang. Inter Integrated Circuit), SMBus (ang. System Management Bus), SPI (ang. Serial Peripherial Interface), Microwire. Pojęcie magistrala synchroniczna oznacza, że jedną z linii jest linia zegarowa sterująca przepływem danych. W niektórych sensorach Maxim/Dallas stosowana jest magistrala asynchroniczna 1-Wire. Jako przykład w zarysie przedstawiono synchroniczną magistralę szeregową SMBus stosowaną np. we wcześniej omówionym sensorze DS1631. Zygmunt Kubiak 34

35 Interfejsy sensorów cyfrowych Magistrala I2C składa się z dwóch linii sygnałowych : SDA (serial data) - do przesyłania danych i SCL (serial clock) - do przesyłania sygnału taktującego, oraz linii masy. Obydwie linie magistrali I2C są liniami dwukierunkowymi Zygmunt Kubiak 35

36 Interfejsy sensorów cyfrowych Transmisja realizowana jest wg zasady Master Slave. Inicjowana jest zawsze przez układ Master (mikrokontroler). Układ Slave (tu sensor) realizuje zadania zawarte w ramce wysłanej przez Master a. Każdy układ Slave ma swój indywidualny numer (adres). Ramka przeznaczona do przesłania rozkazów Start przetwarzania lub Stop przetwarzania Zygmunt Kubiak 36

37 Podsumowanie W przypadku stosowania czujników analogowych proces linearyzacji i kalibracji charakterystyki przetwarzania można przenieść na stronę cyfrową (programową) stosując przykładowo tablice korekcji. W systemach wbudowanych coraz częściej rezygnuje się z analogowych czujników temperatury na rzecz coraz tańszych, bardziej uniwersalnych i wymagających mniejszych nakładów pracy a także prostszych w aplikacji sensorów cyfrowych. Zygmunt Kubiak 37

38 Podsumowanie Magistrale szeregowe, w które wyposażane są mikrokontrolery redukują liczbę wymaganych linii portów mikrokontrolera a przy tym pozwalają na obsługę dziesiątek i więcej sensorów. Postęp jaki nastąpił w ostatnich latach w dziedzinie sensorów jest ogromny. Wykorzystywane są najnowsze osiągnięcia technologiczne w tym nanotechnologii. Zygmunt Kubiak 38

39 Zygmunt Kubiak 39

40 Skale temperatur można ogólnie podzielić na: Teoretyczne - oparte na zależnościach teoretycznych (idealnych). Przykładem może być termodynamiczna skala temperatur lub skala gazu doskonałego. Empiryczne - oparte na danych doświadczalnych np. Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur 1968r. Przykłady skal temperatur: Termodynamiczna skala temperatury wg koncepcji Kelvin'a. Jest to teoretyczna skala oparta na sprawności cyklu Carnota. Jednostką tej skali jest kelvin (ozn. K). Kelvin jest jednostką podstawową Międzynarodowego Układu Jednostek Miar SI. Skala temperatury Celsjusza. Jest to empiryczna skala określona po raz pierwszy w 1743 roku, oparta na dwóch punktach stałych: t 1 =0 o C (temperatura topnienia lodu), t 2 =100 o C (temperatura wrzenia wody). Oba te punkty określone są pod ciśnieniem N/m 2 [Pa] = 1 atmosfera. T 1 oraz t 2 określają przedział temperatur w tej skali. Jednostką jest stopień Celsjusza (ozn. o C). Skala temperatury Fahrenheita. Empiryczna skala temperatury oparta na dwóch punktach stałych: t 1 =0 o F (temperatura mieszania śniegu z salmiakiem) i t 2 =100 o F (temperatura normalna ciała ludzkiego). Skala ta jest stosowana głównie w krajach posługujących się angielskim i amerykańskim systemem miar. Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatury 1968r. (MPST 1968). Empiryczna skal oparta na 11 punktach stałych przyjęta przez XIII Generalną Konferencję Miar w 1968 roku. Zygmunt Kubiak 40

41 Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym powstaje napięcie o niewielkiej wartości - najczęściej w zakresie miliwoltów - i współczynniku temperaturowym rzędu 50 mikrov/ o C. Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od -270 o C do o C z błędem w zakresie 0,5-2 o C. W praktyce działanie termopar opiera się na zjawiskach Seebecka, Peltiera i Thomsona. Najistotniejsze jest zjawisko Seebecka i polega ono na powstawaniu siły elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym. W układzie zastosowano termoparę typu J. Wartość mierzonego napięcia zależy tutaj od temperatury obu złącz termoelektrycznych i jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz. Złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze i na ogół jest to 0 o C. Wykorzystuje się do tego kąpiele lodowe lub niewielkie pudełka ze stabilizowaną temperaturą wnętrza. Termopara typu J jest to złącze żelaza i konstantanu (55%Cu i 45%Ni). Temperatura maksymalna tego złącza to 760 o C (czas życia termopary skraca się przez zbyt długą pracę w temperaturze zbliżonej do maksymalnej). Współczynnik temperaturowy napięcia przy 20 o C wynosi 51,45 mikrov/ o C, a napięcie wyjściowe 5,268mV przy 100 o C i 21,846mV przy 400 o C. Zygmunt Kubiak 41

42 Termistory to półprzewodnikowe elementy rezystancyjne o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji, którego wartość jest równa mniej więcej -4%/ o C. Na ogół stosowane są termistory o rezystancji, w temperaturze pokojowej, rzędu kilku kohm. Termistory nadają się bardzo dobrze do pomiaru temperatury oraz do sterowania jej zmianami w zakresie od -50 o C do +300 o C z błędem nie przekraczającym 0,1 do 0,2 o C. Termistory charakteryzują się dużą zmianą wartości rezystancji na każdy stopień zmiany temperatury więc współpracujące z nimi układy elektroniczne nie muszą mieć wyśrubowanych parametrów jak miało to miejsce w przypadku termopar (...). Zmiany rezystancji termistora w funkcji temperatury mają charakter wykładniczy. Aby zmienić tą zależność na liniową, termistory łączy się w odpowiedni sposób z rezystorami. Najprostszym sposobem jest połączenie szeregowe. Zygmunt Kubiak 42

43 Rezystancyjne termometry platynowe są wykonywane w postaci zwoju drutu z czystej platyny. Współczynnik temperaturowy takich czujników jest dodatni i ma wartość około 0,4%/ o C. Parametry termometrów platynowych wykazują dużą stałość w czasie, błąd pomiaru mieści się w zakresie 0,02%-0,2%, a zakres mierzonych temperatur to -200 o C do 1000 o C. Ich wadą jest dość wysoka cena. Zygmunt Kubiak 43

44 Termometry kwarcowe. Wykorzystuje się w nich zależność częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego od temperatury. Typowy zakres pomiaru waha się od -50 o C do +150 o C, a błąd nie przekracza 0,04 o C. Są więc one bardzo dokładne. Termometry krzemowe. Przy ich pomocy możliwe są pomiary temperatury od -55 o C do +125 o C o błędzie pomiaru rzędu 0,5 o C. Zygmunt Kubiak 44

45 Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego pomiaru temperatury. Pomiar realizuje się poprzez obserwację żarzącego się obiektu przez lunetę i porównanie jego koloru z kolorem świecenia umieszczonego wewnątrz pirometru drucika żarowego. Pirometrami optycznymi mierzy się temperatury w zakresie od 750 o C do o C. Błąd szacuje się na około 4 o C w pobliżu dolnej granicy zakresu pomiarowego i około 20 o C w pobliżu górnej granicy. Znacznie wydajniejsze są pirometry pracujące w podczerwieni. Zygmunt Kubiak 45

46 Zygmunt Kubiak 46

47 Zygmunt Kubiak 47

48 Zygmunt Kubiak 48

49 Zygmunt Kubiak 49

50 Zygmunt Kubiak 50

51 Zygmunt Kubiak 51

52 Zygmunt Kubiak 52

53 Zygmunt Kubiak 53

54 Zygmunt Kubiak 54

55 citlivá časť snímača Zygmunt Kubiak 55

56 Odporové teplomery - termistory Zygmunt Kubiak 56

57 Zygmunt Kubiak 57

58 Zygmunt Kubiak 58

59 Zygmunt Kubiak 59

60 Zygmunt Kubiak 60

61 Zygmunt Kubiak 61

62 Zygmunt Kubiak 62

63 Zygmunt Kubiak 63