В статье описана схема, позволяющая с высокой точностью определить очень малую разницу температур до 0,05°C между двумя удаленными до 300 метров точками без привязки к окружающей температуре.
Во многих приложениях измерение разности температур между двумя точками в системе важнее, чем измерение абсолютной температуры в каждой из них. Например, разница температур между входным и выходным сечениями труб используется для вычисления эффективности систем отопления, горячий поток которых циркулирует в батареях помещения. В этом случае знание абсолютной температуры особого значения не имеет.
Один из способов измерения разницы температур является измерение разности напряжений между двумя резистивными датчиками температуры, один из которых расположен на входе системы отопления, а другой – на выходе. К сожалению, резистивные датчики температуры довольно дорогие, имеют низкую чувствительность и должны питаться от стабильного источника тока.
Ток на выходе температурных датчиков пропорционален абсолютной температуре с масштабным коэффициентом 1 мкА/К (298,2 мкА при комнатной температуре 25°C или 298,2 К). Датчик подключается с помощью экранированной, незаземленной витой пары и может быть расположен на расстоянии до 300 метров от схемы. При использовании разностного метода измерения температуры эффекты, связанные с самонагревом датчиков, компенсируются и точная линеаризация схемы не требуется.
VDIFF ‑ разность напряжения между двумя входами инструментального усилителя, равно
VDIFF = (R2 × I2) – (R1 × I1).
При R1= R2 = R,
VDIFF= R × (I2 – I1).
Следовательно, передаточная функция схемы:
VOUT = (G × VDIFF) + VREF,
где G – усиление инструментального усилителя, которое вычисляется как
G = 1+ (49,4 кОм/RG),
где RG – внешний резистор, подключенный к выводам RG.
Рисунок 1. Простая схема измерения разницы температур.
Небольшую разницу температур можно обнаружить путем увеличения сопротивлений R1 и R2 или усиления схемы, учитывая требуемый диапазон измерения. Например, если сопротивления снизить до 2 кОм, то чувствительность снизится до 20 мВ/°C, но диапазон измерения расширится до ±125°C. Используя эту схему, разница температур между двумя точками в заданном диапазоне может быть зафиксирована в любой момент времени.
Таблица отражает температурный диапазон и чувствительность схемы в зависимости от значений сопротивлений R1, R2 и усиления G. Ошибка измерения разности температур достигает 0,05°C.
Сопротивление (R1, R2) |
Усиление |
Vout (В) |
Измеряемая разность температур |
2 кОм |
10 |
20 мВ/°C |
±125,5°C |
10 кОм |
20 |
200 мВ/°C |
±12,5°C |
10 кОм |
100 |
1 В/°C |
±2,5°C |
Допуск двух резисторов может давать ошибку усиления. Резисторы с допуском 1% могут давать ошибку усиления до 2%, в результате чего ошибка на выходе может достигать 0,5°C. Однако ошибки смещения и усиления могут быть измерены и устранены благодаря программной калибровке. R1 и R2 должны быть согласованной парой с низким температурным коэффициентом (
Напряжение на выводе REF устанавливается равным половине напряжения питания (2,5 В). Для удобства можно воспользоваться резистивным делителем и следующим за ним буфером для обеспечения низкого импеданса.
Топология этой схемы не ограничена диапазоном от –55°C до +150°C (диапазоном работы AD590). Для большего рабочего диапазона AD590 можно заменить резистивными датчиками температуры для измерения разности температур в диапазоне от –250°C до 850°C. При использовании резистивных датчиков температуры падения напряжения на проводах будет вносить вклад в общую ошибку, таким образом, необходимо пользоваться измерением температуры Кельвина.