Здравствуйте.

Требуется осуществлять измерение температуры воды в диапазоне от 20 до 100 С с разрешением 0,05 градусов (пятьдесят милиградусов). Время отклика не имеет значения.
Удалённость датчика от вычислителя 1…3 метра.

На данный момент предполагаю использовать цифровой датчик DS1624S, у которого разрешение 0,03 градуса на бит. Конструктивно предполагаю разместить его на маленькой плате без стабилизатора напряжения (питание стабилизированным напряжением будет производится от вычислителя) и залить всю плату смолой или СИЛЭКом, после чего станет возможно погружать эту конструкцию в воду. Понимаю, что этот вариант наименее «профессиональный», но я рассчитываю выиграть в точности и линейности по сравнению с аналоговыми датчиками.

Как вариант предполагаю использовать аналоговый датчик (RTD) с применением трёх- или четырехпроходной схемы.

У Honeywell трёх- или четырехпроходных датчиков я не нашёл.

Собственно вопрос: какие производители выпускают данные датчики, удовлетворяющие требуемым характеристикам?
Подскажите, где можно найти практические схемы на основе ОУ для снятия данных с датчиков температуры (включая и двухпроводную схему)?

Спасибо. Всего хорошего.

Если не ошибаюсь, на основе RTD датчик получают не самый точный (Вам может не подойти), или же для точности нужно очень хорошо калибровать. ИМХО.

Работать-то будет, но вот стабильность вызывает сомнения. А не будет стабильности - даже разрешающая способность упадет, про точность и говорить не приходится...


До трех метров и по двухпроводке будет прекрасно (если, конечно, клеммники будут качественные).


Операционник тут не нужен, используется соответствующий ADC (ратиометрический), но вот питание датчика, вероятно, придется ключевать, дабы уменьшить саморазогрев. И все вместе (датчик и ADC) калибровать. Пересчет в температуру - по стандартным формулам для платинового датчика.

P.S. Если нужны калиброванные датчики в гильзах, для измерения в жидкой среде - думаю, смогу помочь в приобретении. Средства измерения у нас тоже есть, только несколько иного назначения (тепловычислители), поэтому не сказать чтобы особо дешевые...

Спасибо за ответы.

rx3apf, не могли бы Вы объяснить, какие проблемы могут быть со стабильностью DS1624?
Вы сталкивались с этой проблемой?
На самом деле, основным параметром является именно линейность характеристики во всём диапазоне, так как стоит задача постепенного снижения температуры по определённому закону в течении нескольких месяцев. А требование к разрешающей способности датчика в 0,05 С вызвано необходимостью снижения температуры именно с таким шагом (т. е. важен точный градиент). Так что абсолютная точность менее важна, чем линейность.

Как вариант, предполагал использовать термосопротивления ДТС фирмы ОВЕН. Они подключаются по как по двух-, так и по трехпроходной схеме, имеют «законченное» исполнение и обладают приемлемыми характеристиками. Но вот где найти рабочую принципиальную электрическую схему обработки сигналов с этих датчиков...

Спасибо.

Нет, поскольку никогда не применял полупроводниковые термодатчики в качестве _средств измерения_. Не случайно и по сей день в приборах учета тепловой энергии используют дорогие и достаточно неудобные (с точки зрения стыковки с MC) платиновые термодатчики, даже и в квартирных условиях, где температура теплоносителя и до 80 градусов не доходит. В стабильность полупроводниковых датчиков, да еще и при диапазоне до +100 - я не верю. Просто не верю. И если буду применять - то строго под ответственность заказчика.


Я думаю, что основной проблемой будет именно дрейф характеристики самого датчика.

Схема ничего не даст. У меня, например, это MSP430P325 в типовом включении, один эталонный термостабильный резистор и все. Все остальное - математика.

Что такое трех четырехпроходных датчики?
Для такого диапазона темпратур и такой погрешности ничего лучше платинового термометра сопротивления. Подключать его естественно надо по 4-х проводной схеме.

vvs157, спасибо: конечно, четырёхпроВодная схема.

Но хотелось бы понять, почему у ведущего производителя датчиков нет образцов, допускающих подключение не только по двухпроводной схеме.

rx3apf, почему Вы считаете, что двухпроводная схема обеспечит приемлемые характеристики? Ведь изменение температуры окружающей среды приведёт к изменению сопротивления самих проводов. Пока я не готов привести цифры и соотношения, но, думаю, при характеристике датчика 0,001 Ом/градус, влияние изменения сопротивления проводов всё же будет сказываться на измерениях.

Спасибо.

Откуда такая страшная цифра, 0.001 ?
Все можно посчитать. Лениво, правда. Но, полагаю, при метре-другом, 0.5mm^2 сечении подводки, и Pt500 (а это почти 2 Ohm/C), если будет вполне приемлемо. Зависит, впрочем, и от температуры окружающей среды. По факту - мы используем двухпроводку при таких расстояниях, причем в "бюджет" входят и клеммники (WAGO).

"Нет, поскольку никогда не применял полупроводниковые термодатчики в качестве _средств измерения_. Не случайно и по сей день в приборах учета тепловой энергии используют дорогие и достаточно неудобные (с точки зрения стыковки с MC) платиновые термодатчики, даже и в квартирных условиях, где температура теплоносителя и до 80 градусов не доходит. В стабильность полупроводниковых датчиков, да еще и при диапазоне до +100 - я не верю. Просто не верю. И если буду применять - то строго под ответственность заказчика."
+1 безоговорочно.

"Для такого диапазона темпратур и такой погрешности ничего лучше платинового термометра сопротивления. Подключать его естественно надо по 4-х проводной схеме."

Применяю такую схему
Нажмите для просмотра прикрепленного файла правда "ключевание" датчика не использовалось (дорисовал сейчас). Входные цепи Ux+ Ux- желательно подключить через RC-цепочки согласно DS AD7798/99.

Любой 2-х проводный датчик легко подключается по 4-х проводной схеме. К датчику проводится 2 пары проводов. каждая пара подключается к выводу датчика. один из проводов пары используется так токовый провод, другой - как потенциальный. Сопротивлением проводов в этом случае можно пренебречь

Через него будет течь ток, он будет греться, и вносить искажения.

Почему бы не попробовать термопару, с очень стабилизированной температурой холодного спая (с помощью RTD?)

У всех термометров сопротивления есть максимальный рабочий ток, при котором производителем гарантируется паспортная точность

В любом случае, протекающий ток будет вызывать разогрев датчика и вносить ошибку, зависящую еще и от теплового сопротивления (которое зависит не только от собственно датчика). Но при измерении температуры жидкости вовсе не требуется непрерывное протекание тока. Несколько десятков mS, измерение раз в минуту (а куда чаще в данном случае ?) - и можно не учитывать фактор саморазогрева...

Попробовать, конечно, можно, но... зачем? В заявленном диапазоне температур сигнал с термопары и сигнал с термометра сопротивления величины разных порядков. А измерение температуры "холодного спая" с помощью RTD- это вообще "масло-масляное". Термопара выкидывается, а температура меряется самим RTD.

"...rx3apf, не могли бы Вы объяснить, какие проблемы могут быть со стабильностью DS1624?"
Вопрос был задан не мне, но хотел бы коснуться следующего аспекта: проблема применения несертифицированных датчиков. Будет очень тяжело доказать метрологам правомочность такого применения.

1 мА на 100 Омах даст 100 мкВт рассеиваемой мощности. Напряжение при этом 0.1 В и на градус это даст примерно 400 мкВ. 100 мкВт сравнимо с теплоподводом по проводам. К тому же если датчик в жидкости, то такая мощность вызовет практически не обнаруживаемый разогрев. А если же вам нужны тысячные градуса, то термопара вас не спасет, так как надо будет учитывать теплоподвод по проводам этой термопары.

Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файлаБеглый взгляд на страницу 17 Data Sceet DS1624 позволяет узнать, что погрешность в требуемом диапазоне лежит в пределах 0,5 С, в этом же поле допуска можно предположить и нелинейность, которую потом будет чрезвычайно сложно устранить. Наилучшее средство для измерений температуры с высокой точностью - платиновый термометр сопротивления (гладкая зависимость сопротивления от температуры, стабильность, все подтверждено в течение десятилетий).

Вообще-то, "правильная" методика состоит в том, что измеряют сопротивление при нескольких значениях тока, а потом экстраполируют на нулевой. Это муторно и грустно, но счастье состоит в том, что паразитный разогрев может быть учтен калибровкой... если не меняется режим теплоотдачи... кончено.

Если жидкость вообще можно греть.

Автор писал про воду... А любую жидкость можно немножко греть... В некоторых (2) случаях она не будет греться...

Друзья, спасибо за участие.

akl, благодарю за схему. Скажите, она позволяет получить на практике разрешение в 0,05 градуса?

Теперь вопрос о самом датчике.
Как я понял, «PT100» — это обобщённое название для датчиков подобного рода. Каждый производитель предлагает свои варианты исполнения этих датчиков (OMEGA, PICO,…).
В efind в ответ на запрос «PT100» отображается немного полезной информации.
Как их искать?
Хотелось бы, чтобы датчик был пригоден для погружения в воду.

И еще. Вопрос по линейности. Honeywell для своих RTD-датчиков приводит т. н. «Resistance-Temperature Conversion Table». Для каждой группы датчиков таблицы свои (например, http://sensing.honeywell.com/index.cfm/ci_...557/la_id/1.htm ).
Я пока не вникал, как их использовать, но, как я понимаю, в них содержаться некие поправочные коэффициенты, которые нужно как-то учитывать.

Требуется ли применять подобные таблицы для PT100? (в статье, на которую ссылался Михаил, на странице 114 есть несколько слов об этом без уточнения марки датчика). Где их взять?

Спасибо.

PT100 или 100П это обозначение стандартной градуировочной характеристики по ГОСТ 6651-94 (скачать здесь). Этот ГОСТ содержит все формулы и таблицы, необходимые для пересчета сопротивления в температуру.


Варианты исполнения, в т.ч. погружные, можно посмотреть здесь или у Метрана.



Хм, Вы дали ссылку на термисторы, хотя в принципе, тоже RTD. Выполены на основе полупроводников, чем кардинально отличаются от металлических RTD (50М, 100П, 1000П). Нелинейны, отсюда и свои характеристики для каждого семейства. Формула для расчета такой таблицы для 100П, а также уже посчитанная таблица приведена в ГОСТ 6651-94.



У КИПовцев - на ТЭЦ, например. С платиной есть сложности, т.к. она подлежит строгому учету - короче у начальства постоянно голова болит из-за каких-то тысячных долей грамма платины.

Здесь - для "начинающих", совсем общая инфа

Здесь - для "заканчивающих" - достаточно подробная статья о применении термосопротивлений. Реально достичь разрешающей способности 0,026 град. С

Ну и не секрет, что все средства измерений периодически подвергаются поверке или калибровке (в среднем раз в год - зависит от категории). Это к тому, что через год показания Вашего прибора уплывут, что бы Вы ни предпринимали. Даже если будете использовать интегральный термодатчик (Ваш первый пост)

1. К счастью , мне не требовалось такое разрешение. Для Вашего случая попробовал прикинуть с такими начальными условиями:
Термометр сопротивления 100М с а=0.00428 1/град.
Диапазон измерения 110град.

Из DS на AD7798/99 при униполярном включении N=65536*Ux*G/Ur; для нашего случая (при условии, что нет "утечек" тока и G=1) N=65536*Rx/Rr.
Определим для требуемого диапазона Rr=100*(1+0.00428*110)=147.08 Ом. Принимаем 150 Ом.
Код АЦП при 0град. при этом Rr будет N=(100/150)*65536=43690
Код АЦП при 0.05град будет N=[100*(1+0.00428*0.05)/150]*65536=43700.
N(0.05)-N(0.00)=10 единиц младшего разряда АЦП.. Т.е. в идеальном случае АЦП может обеспечить заданное разрешение.
2. Почему Вы ориентируетесь на импорт? Ведь и "ЭТАЛОН" г. Томск, "ЭЛЕМЕР" г. Пермь, "ТЕПЛОПРИБОР" г.Челябинск, "ВАКУУММАШ" г.Ижевск делают такие датчики в соответствии с ГОСТ.

akl, спасибо. Действительно, выбор термодатчиков у наших производителей впечатляющий. Однако ни у одного производителя я не нашёл параметра «долговременная стабильность».

Теперь про предложенную Вами схему. Как я понимаю, у АЦП встроенный усилитель не используется, так что можно выбирать АЦП и без него?
Вот эти примеры с Сахары: http://www.caxapa.ru/sch/rtd.html
В этих схемах не используется высокостабильный резистор. Вероятно, это сказывается на стабильности.
А что если вместо резистивного делителя использовать опорный источник тока:
http://www.national.com/mpf/LM/LM134.html
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ref200.html
Чем плох этот вариант?
В статье http://www.rlda.ru/Temperature_Measuring.htm , на которую ссылался тов. tazik, приведена формула для расчёта температуры, но в ней не учитывается коэффициент В (бета), влияние которого усиливается с ростом температуры.
Я попробовал составить уравнение с учётом этого коэффициента для PT100:
R0*B*T^2 + R0*A*T+R0 – Rd = 0;
R0 = 100;
B = –5,775*10^-7;
A = 3,9083*10^-3;
Rd = Vadc/Iex;
Vadc – измеренное напряжение АЦП;
Iex – ток в цепи измерения.
Отсюда получаем:
–5,775*10^-5*T^2 + 0,39083*T + 100 – Vadc/Iex = 0.

Но ведь значение Iex может быть константой только в случае применения источника тока, а в случае применения резистивного делителя эта величина будет меняться с изменением сопротивления датчика. Тогда как её учитывать? Или я чего-то не понимаю...

Спасибо.

1. Платиновый термометр - необязательно содержит платину. Обязательное условие: наличие характеристики как у платины, а все остальное на совести производителя чувствительного элемента.
2. По ГОСТам необходимо писать сколько драгметаллов содержится в изделии, кроме того сколько знаков после запятой подлежит учету. Нам тоже раньше часто звонили с просьбой прислать факс с содержанием драгметаллов, теперь на каждом паспорте на платиновые термометры пишем "драгметаллов не содержится" - снабженцы довольны.
3. По поводу российских производителей Pt100, Pt500 и т.д. Здесь не все так радужно как Вам хочется. Добрую половину можно выкидывать в брак сразу, полное га%но. Мы специально закупили у разных производителей, провели тестовые заезды - полная опа. Совет такой: чем богаче фирма, тем больше вероятность купить у них фигню (у них больше денег на взятки/откаты для ЦСМ и прочих контор занимающихся лицензиями/сертификатами). Ксати, можем и по фамилиям указать.
4. На правах рекламы - intep.by. В России официальный пердставитель ЭЛТА (г. SPB) www.elta-tsp.com. По поводу качества: цена этих ТСП в России в два раза выше, чем у производителя. И тем не менее берут и очень довольны. Но только это секрет, о котором лучше никому не говорить.

Уважаемый shasik, встречались ли среди закупленной Вами продукции датчики фирм, указанных тов. akl: "ЭТАЛОН", "ЭЛЕМЕР", "ТЕПЛОПРИБОР", "ВАКУУММАШ"?
Что Вы можете сказать о качестве их продукции?

Не могли бы Вы указать несколько добросовестных производителей?

Спасибо.

1. "ЭЛЕМЕР", "ТЕПЛОПРИБОР" - ГОСТу соответствуют. Но, вобще, давать такие оценки мы не имеем права. Да, местный ЦСМ использует наше оборудование для поверки ТСП некоторых производителей, но у нас самих нет соответствующей лицензии. Т.е. эту проверку мы делали только для себя. Чтобы знать кто чего стоит. Делали несколько лет назад, поэтому результаты уже устарели.
2. С остальными - не работали.
3. Если Вы придете в любую контрору и попросите посоветовать с кем из их конкурентов лучше работать, кто из них является "добросовестным", куда Вас пошлют? Или скажем иначе: "Каждый кулик свое болото хвалит". Добросовестных - я уже называл

Товарищи, помогите, пожалуйста, разобраться с концепцией построения системы измерения температуры.
За три дня поиска ответа на свои вопросы лишь запутался ещё больше.

Итак, как я понял, наилучшая концепция построения точной измерительной системы для термопреобразователей — ратиометрическая.

Вот схема, предложенная AD в описании на свой АЦП AD7714:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Вот схемы, взятые с «Сахары» (http://www.caxapa.ru/sch/):
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Вот схема, предложенная тов. akl:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

1. Итак, почему в первой схеме для возбуждения датчика используется источник тока, тогда как в остальных — источник напряжения?
Ведь только с использованием источника тока мы можем поддерживать неизменный ток через датчик (не более 1 мА).

2. (постыдный вопрос). Каков «механизм» работы АЦП в ратиометрическом включении?
Хотелось бы понять это на примере второй схемы:
Как я понимаю, напряжение между входами VREFP и VREFN составляет:
Uref = Urefp – Urefp * (Rrtd + 3300) / (1000 + Rrtd + 3300).
Для 0 градусов имеем: Uref0 = 3,3 – 3,3 * (100 + 3300) / (1000 + 100 + 3300) = 0,75 В.
Для 100 градусов имеем: Uref100 = 3,3 – 3,3 * (139 + 3300) / (1000 + 139 + 3300) = 0,7434 В.
Как видно, напряжение на опорных входах тоже зависит от температуры.

Почему это допустимо?

Напряжение между дифференциальными входами:
Uain = Uainn – Uainp = Vrefp * Rrtd / (1000 + 3300 + Rrtd) – 0.
Для 0 градусов имеем: Uain0 = 3,3 * 100 / (1000 + 3300 + 100) = 0,075 В.
Для 100 градусов имеем: Uain100 = 3,3 * 139 / (1000 + 3300 + 139) = 0,103 В.

Ток через датчик:
Irtd = Urefp / (Rrtd + 3300 + 1000)
Для 0 градусов имеем: Irtd0 = 3,3 / (100 + 3300 + 1000) = 750 мкА.
Для 100 градусов имеем: Irtd100 = 3,3 / (139 + 3300 + 1000) = 743,4 мкА.
(К счастью, ток не вышел за пределы 1 мА).

В данном случае в АПЦ происходит вычисление результата как: N = Uref / Uain. Так ли это?
Нужно ли использовать внутренний усилитель?
Каков режим работы АЦП: дифференциальный / псевдодифференциальный, биполярный / униполярный?

3. Где нужно использовать прецизионные резисторы? Подобный резистор используется только в схеме, предложенной akl (по крайней мере, это явно указано).

4. По какой формуле должно производится КОНЕЧНОЕ вычисление температуры (уравнение я приводил в предыдущих постах) С УЧЁТОМ коэффициента бета (–5,775*е–7)?

Очень надеюсь на Вашу помощь. Спасибо.

Как видно из всех представленных схем АЦП с "плавающими" входами Uref могут использоваться для измерения сопротивлений "ратиометрическим" методом, при котором нет необходимости использования точных, стабильных и очень низковольтных источников опорного напряжения. Впервые увидел такую схему у мультиметров с использованием "легендарных" микросхем ICL71xx (572ПВ2,ПВ5).
1. Результат измерения не зависит от тока в измерительной цепи при условии, что за время измерения этот ток неизменен.
2. АЦП выдает результат в соответствии с выражением
"при униполярном включении N=(2^23-1)*Ux*G/Ur; для нашего случая (при условии, что нет "утечек" тока и G=1) N=(2^23-1)*Rx/Rr", т.е. выходной код определяется только отношением резисторов. Резистор Rr определяет все параметры измерителя и его характеристики должны быть очень хорошими.
3. "Прецизионные" резисторы, как правило, имеют такой параметр, как стабильность воспроизведения величины сопротивления при внешних возмущениях. Резисторы, включенные между выводами Ur во всех схемах должны быть стабильными, а величину сопротивления необходимо замерить поточнее и ввести как константу при последующей обработке результата измерения микроконтроллером.
4. Возложите на Аналого-Цифровой Преобразователь выполнение прямой обязанности, а преобразовать полученный код в "КОНЕЧНОЕ вычисление температуры" на микроконтроллер. Например, продолжая пост N22
"...Определим для требуемого диапазона Rr=100*(1+0.00428*110)=147.08 Ом. Принимаем 150 Ом.
Код АЦП при 0град. при этом Rr будет N=(100/150)*65536=43690
Код АЦП при 0.05град будет N=[100*(1+0.00428*0.05)/150]*65536=43700..."

Код АЦП при 100.0 град будет N=[100*(1+0.00428*100)/150]*65536=62390
В соответствии с выражением
T=(Nx-No)*K/(65536*256) нужно определить K=100*65536*256/(62390-43690)=89718.

Проверяем, например для точки 51.23 градуса
N=[100*(1+0.00428*51.23)/150]*65536=53270
T=(53270-43690)*89718/(65536*256)=51.23009

Если дочитали до этого места, то еще несколько замечаний:
"Как я понимаю, у АЦП встроенный усилитель не используется, так что можно выбирать АЦП и без него?"- да, не используется.

"Платиновый термометр - необязательно содержит платину. Обязательное условие: наличие характеристики как у платины, а все остальное на совести производителя чувствительного элемента."-ИМХО если производитель предлагает получить заказанные Вами Pt100 (100П) только "самовывозом" и не желает обсуждать другие варианты, то платина есть. Поэтому и привел все примеры в расчете на применение медного термометра сопротивления 100М. Да и соответствии с ГОСТ 6651-84 п.2.3 для диапазона -10...+200 град. формула для расчета не содержит поправочных коэффициентов.

Уважаемый akl, спасибо, что делитесь опытом.

1. Не хочу показаться занудой, но можно ли утверждать следующее?
Если при использовании источника ЭДС в течение измерения ток в цепи измениться вследствие случайного возмущения, результат будет искажен.
В случае использования источника тока влияние случайного возмущения на ток в цепи исключено (именно поэтому AD использовала в своём примере именно источник тока).

2. В каждой схеме последовательно с термодатчиком включаются еще сопротивления единицы кОм. Как я понимаю, это улучшает фильтрацию. Но, выходит, и эти резисторы должны быть прецизионными, такими же, как и Rr. Подбираются они, как я понял, эмпирически, а это значит, что имеющийся заказной номинал прецизионного резистора Rr может не подойти... со всеми вытекающими....

3. Никак не соображу, откуда в формуле T=(Nx-No)*K/(65536*256) взялся коэффициент «256»?

4. На платиновые термодатчики ориентируюсь из-за их большей номенклатуры — вероятность найти датчик оптимальной конструкции существенно выше (честно говоря, я не совсем понял Ваши рассуждения про «самовывоз» и «наличие платины»).

5. Вновь попробовал вывести формулы для «платины» с учётом коэффициента B (бета).
Используемые величины:
N — результат А/Ц-преобразования;
n — разрядность АЦП;
Rr — сопротивление резистора на опорных входах;
Rx — сопротивление термодатчика;
R0 — сопротивление термодатчика при 0 градусов;
A, B — коэффициенты для «платины».
T — температура.

Итак:
Rx = R0 * (1 + A * T + B * T^2) —> R0 * B * T^2 + R0 * A * T + R0 – Rx = 0,
отсюда: T = ( –R0 * A * T ± sqrt[ {R0 * A}^2 – 4 * R0 * B * {R0 – Rx} ] ) / (2 * R0 * .

N = (2^n – 1) * Rx / Rr,
отсюда: Rx = N * Rr / (2^n – 1).

Подставляем значение Rx в формулу для T — и получаем температуру с учётом квадратичной зависимости сопротивления платины от температуры.