Měření | 15. 10. 2018

Měření teploty s vysokou přesností v drsném prostředí

Ačkoliv měření teploty je společným požadavkem pro mnoho aplikací, při zajišťování výsledků s vysokou přesností musí vývojáři řešit významné problémy. Překonávání těchto problémů často vede ke složitým konstrukcím a prodlouženým konstrukčním cyklům, nová zařízení však složitost snižují.

Při konstrukci robustních systémů pro měření teploty používají designéři řadu typů snímačů, které splňují jejich specifické požadavky na cenu, přesnost a rozsah teplot. Mezi typy snímačů běžně používaných v drsných prostředích jsou termočlánky, které mají schopnost měřit teploty od -265 °C do více než 1800 °C.

Termočlánky generují napětí, které je funkcí teplotního rozdílu mezi hrotem a jeho srovnávacím koncem – koncem dvou vodičů použitých k vytvoření termočlánku. Výsledkem je, že celková přesnost měření závisí na přesném měření jak napětí termočlánku, tak srovnávacího konce.

Zatímco termočlánky generují potenciální gradienty v důsledku Seebeckova efektu, další běžné snímače teploty, včetně odporových teplotních detektorů (RTD), termistorů a dokonce i diod, vyžadují pro vytvoření výstupního napětí na základě teploty budicí proud. Odporová zařízení, RTD a termistory navíc vyžadují přesný snímací odpor umístěný v sérii se zdrojem excitačního proudu. Snímací odpor vytváří s odporovým zařízením odporovou síť pro logometrické měření napětí napříč snímačem. Nakonec, pro každý typ snímače musí vývojáři použít vhodné metody pro převod naměřených výsledků na linearizovaná teplotní data pomocí vyhledávacích tabulek nebo rovnic.

Kromě řešení snímače se vývojáři potýkají s mnoha problémy při zajištění správného fungování systému pro měření teploty. Teplotní snímače se obvykle nacházejí v místech vystavených drsným podmínkám v továrnách, komerčních prostředích, budovách a domácnostech – kdekoliv aplikace vyžadují schopnost měřit teplotní gradienty v průtoku vzduchu nebo kapaliny. V průmyslových aplikacích jsou dlouhé kabely mezi snímačem a vstupy měřicího systému vystaveny elektrickému šumu, opotřebení a vnějším zdrojům napětí, které mohou poškodit jak snímače, tak jejich měřící systémy.

Inženýři využívají řadu metod pro řešení různých faktorů, které mohou ovlivnit výkon v systémech pro měření teploty. Vzhledem k tomu, že roste potřeba většího počtu teplotních snímačů, tradiční přístupy obvykle vedou k větší složitosti návrhu, což zvyšuje náklady na rozmístění a údržbu. Linear Technology LTC2986-1 řeší tyto problémy a přináší přesná měření teploty z několika snímačů s minimálním úsilím ze strany vývojáře.

Snižování složitosti

Systém Linear Technology LTC2986-1, navržený pro zjednodušení konstrukce, je vícekanálový systém pro měření teploty s vestavěnou podporou pro většinu typů snímačů včetně termočlánků, RTD, termistorů, diod a aktivních analogových snímačů teploty. Protože toto zařízení integruje kompletní dráhy signálů, konverzi, linearizaci a další funkce, vývojáři mohou implementovat mimo samotné snímače teploty vysoce přesné konstrukce měření teploty s několika dalšími součástmi (obrázek 1).

Obrázek 1: Typické blokové schéma použití LTC2986-1. (Zdroj obrázku: Linear Technology)

Pro RTD, termistory a diody zařízení automaticky generuje excitační proud na stanovených úrovních, měří výsledné napětí snímače a generuje linearizovaný výsledek ve °C nebo °F. Systém LTC2986-1 je dodáván předprogramovaný s údaji o konverzi a linearizaci pro většinu RTD a termistorů. Podobně je zařízení předkonfigurováno pro téměř všechny standardní termočlánky a podporuje kompenzaci srovnávacího konce pomocí RTD, termistorů, diod nebo aktivních analogových snímačů teploty. Pro měření teploty přístroj automaticky řeší polynomické rovnice, které se podílejí na konverzi měřených hodnot výstupního napětí termočlánku a srovnávacího konce na užitečnou hodnotu teploty. Pro obecnější požadavky na konverzi mohou vývojáři použít analogově digitální převodníky (ADC) LTC2986-1 pro měření jednorázového nebo diferenčního napětí, generování výsledků surového napětí nebo konverzi výsledků pomocí programovatelné vyhledávací tabulky.

Kromě dat pro standardní průmyslová zařízení lze zařízení použít se zákaznickými RTD, termočlánky, diodami, aktivními snímačï a termistory. U zákaznických zařízení vývojáři načtou do paměti vyhledávací tabulku obsahující až 64 datových bodů, které představují výstupní hodnoty snímače ve vztahu k teplotě. U zákaznických termistorů mohou vývojáři také přímo načíst do zařízení až šest Steinhart-Hartových koeficientů, které jsou typicky dodávány výrobci termistorů. Stejně jako u vestavěných dat pro standardní snímače, zařízení používá tyto zákaznické koeficienty a vyhledávací tabulky pro konečnou interpolaci teploty během procesu konverze a detekci softwarových poruch (obrázek 2).

Obrázek 2: Systém Linear Technology LTC2986-1 může používat pro zákaznická zařízení vlastní vyhledávací tabulky vytvořené vývojáři, které automaticky generují poruchy, když se vstupní hodnoty dostanou mimo rozsah poskytovaných vstupních dat. (Zdroj obrázku: Linear Technology)

Zvýšená přesnost a ochrana

Pro proces konverze zařízení používá více cyklů pro zajištění vyšší přesnosti. V běžném provozu zařízení používá dva konverzní cykly pro kompenzaci ofsetových chyb a hluku před vytvořením konečného výsledku teploty. Vývojáři mohou rovněž používat zařízení v režimu tří cyklů, který poskytuje určité výhody za cenu pomalejšího měření; přibližně 251 milisekund (ms) v režimu tří cyklů oproti asi 167 ms v režimu dvou cyklů.

V režimu tří cyklů může zařízení provádět detekci přerušeného obvodu generováním proudového impulsu v prvním cyklu, po němž následuje běžný proces konverze ve dvou cyklech. Pokud zařízení během následujících konverzních cyklů detekuje velké napětí, nastaví stavový bit, aby ohlásilo závažnou poruchu, indikující pravděpodobně poškozený termočlánek nebo kabel. Navíc je zařízení schopno hlásit řadu různých poruchových stavů kromě závažných poruch od přerušených obvodů (obrázek 3).

Obrázek 3: Systém Linear Technology LTC2986-1 generuje závažné a občasné poruchy pro všechny hodnoty snímače s dalšími výsledky pro měření srovnávacího konce spojenými s termočlánkovými snímači, jak je zde znázorněno. (Zdroj obrázku: Linear Technology)

Kromě ochrany aplikací před poruchami snímačů vývojáři obvykle používají konstrukční techniky určené k ochraně samotného měřicího systému. Tato diskuse však nespadá do rozsahu tohoto článku. Chcete-li si přečíst celý článek „Jak získat vysokou přesnost, vícekanálová měření teplot bez ohledu na prostředí“, navštivte knihovnu článků společnosti Digi-Key na adrese www.digikey.cz/en/articles/techzone.

Závěr

Typicky vyžadované pro provoz v drsných prostředích, systémy pro měření teploty vývojářům předkládají celou řadu problémů, včetně konfliktů mezi ochrannými mechanismy a přesností měření. Pomocí systému LTC2986-1 a souvisejících vývojových nástrojů mohou nyní technici rychle implementovat systémy schopné bezpečného a přesného měření teploty.

Rich Miron

Digi-Key Electronics