Ядром схемы, показанной на рисунке 1, является AD8494 – усилитель сигналов термопары, который работает как автономный термометр Цельсия с выходной чувствительностью в 5 мВ/°C. При замыкании на землю обоих входов отключается функционал измерения сигналов термопары, тем самым напряжение на выходе устройства пропорционально температуре TA встроенного сенсора. Это напряжение очень точно преобразуется в ток и обратно в напряжение с некоторым усилением благодаря МОП-транзистору (MOSFET) и прецизионным резисторам R1 и R2.
Vout = TA× 5 мВ/°C
Vhi (or Vlo) = Vout x R2/R1
Vhi = 5 мВ/°C x (R2/R1) x TA
Рисунок 1. Датчик температуры окружающей среды
В данной схеме выходной ток может измеряться либо со стороны высокого, либо со стороны низкого напряжения, а помехи между землями сенсора и нагрузки не создадут ошибок на выходе системы. Более того, для соединения сенсора, находящегося на удаленном расстоянии от измерительной системы, может использоваться однопроводная линия.
Значения R1 и R2 выбираются для максимизации диапазона выходных токов доступных источников питания. МОП-транзистор увеличивает допустимую токовую нагрузку и позволяет производить удаленное измерение. С другой стороны, увеличивается чувствительность в определенном температурном диапазоне необходимая для некоторых приложений. Например, если необходимо иметь на выходе 2,5 В при 25 °C, то усиление системы должно быть R2/R1 = 2,5 В/(25 °C × 5 мВ/°C) = 20. Источник питания нагрузки должен рассчитываться на большее напряжение, которое при максимальной температуре в 125 °C достигнет 12,5 В.
Для измерения отрицательных температур необходимо подать смещение на вход REF сенсора, либо использовать биполярное питание. В случае если выходные токи биполярные, то необходимо пересмотреть использование МОП-транзистора.
Температурный сенсор с однополярным источником питания, изображенный на рисунке 1, позволяет измерять температуру в диапазоне от 0 °C до 125 °C с точностью 50 мкА/°C (R1 = 100 Ом). При использовании нагрузки в 1 кОм, функция передачи системы равна 50 мВ/°C.
Vhi = 50 мВ/°C x TA
Большинство токовых сенсоров, измеряющих абсолютную температуру (PTAT) с нулевым током при нуле Кельвинов (–273,15 °C), являются бесполезными, т. к. большинство из них имеют выходной диапазон от ‑273,15 °C до –55 °C (от 0 К до 218.15 К). Представленная схема использует полный диапазон выходных напряжений (от 0 В до +VS–0,1 В). При 0 °C выходной ток равен 0 мкА.
Данная схема питается от однополярного источника питания 2,7 В, опорный вход подсоединен напрямую к земле (GND), что позволяет измерять положительную температуру в диапазоне от 0 °C до 125 °C. Уменьшение паразитного нагрева сенсора достигается низким энергопотреблением в 180 мкА. Для управления нагрузкой вместо выхода сенсора используется внешний транзистор, который будет отдавать в нагрузку большие токи, тем самым уменьшая паразитный нагрев сенсора для более точного измерения температуры окружающей среды.
Схема может работать в промышленных системах с источником питания 36 В, где необходим широкий диапазон входных напряжений.
Рисунок 2. Характеристика сенсора температуры окружающей среды
Начальная ошибка смещения сенсора (±3 °C максимум) может быть откалибрована путем включения последовательно с R2 подстраиваемого потенциометра. Для измерения более широкого диапазона температур можно использовать термопару, включенную между двумя входами, с дополнительной схемой смещения токов. Функция передачи примет вид:
Vout = (Tmj x 5 мВ/°C) x (R2/R1) + Vref
Где Tmj – это измеренная температура, а Vref – напряжение на выводе REF.
Автор: Чоу Трэн, Analog Devices chau.tran@analog.com
21 января, 2019