info@finestart.school
8 (800) 250-7720
+7 (495) 761-5600
info@finestart.school
8 (800) 250-7720
+7 (495) 761-5600
Моделирование датчиков температуры
Виктор Пашков
К.Т.Н., эксперт
Школа Fine Start
В этой статье рассматривается возможность применения метода модельных исследований некоторых типов датчиков измерения температуры для оценки их работоспособности и параметров
Для измерения температуры различных физических объектов существует большое количество типов устройств и еще больше вариантов их реализации. Несмотря на это, выбрать нужный тип датчика для нужного применения не так сложно, достаточно знать особенности нескольких основных принципов измерения.
Кратко рассмотрим основные типы температурных датчиков, имеющие практическую ценность для автоматических систем измерения.
Температура тела характеризует уровень внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Температура может быть определена как параметр теплового состояния, который определяется как физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул любого тела или вещества.
В зависимости от диапазона принятых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (фактически термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые, как правило, для измерения очень высоких температур.
Методы и средства измерений температуры
Наиболее распространены следующие методы измерений температуры и соответсвуюшие им средства измерений:
- температурное расширение (применяются дилатометрический термометр, биметаллический термометр, жидкостной термометр, манометрический термометр)
- терморезисторный метод (температурная зависимость электрического сопротивления - применяется терморезистор)
- тепловой шум (температурная зависимость теплового шума резистора - применяется термометр теплового шума)
- магнитный метод (температурная зависимость магнитной проницаемости парамагнетиков -применяется магнитный термометр)
- ультразвуковой резонанс (температурная зависимость распространения звука в материале - применяется акустический термометр)
- волокно-оптический метод (температурная зависимость коэффициента преломления оптического волокна - применяется волоконно-оптический датчик)
- люминесцентный (температурная зависимость интенсивности излучения в видимом диапазоне - прменяется люминофор)
- жидкокристаллический метод (температурная зависимость цвета - применяется жидкокристалли
ческая пленка)
- радиочастотный метод (температурная зависимость кварцевого генератора - применяется кварцевый термометр)
В качестве модельных датчиков выберем термопару и полупроводниковый датчик. Зависимость чувствительности различных термопар от температуры приведена на этом рисунке.
Выберем термопару J-типа как часто используемую и имеющую достаточно стабильный коэффициент термо-ЭДС в широком диапазоне температур. Табличная зависимость чувствительности в мВ для термопары J-типа в диапазоне 0 – 100 Со приведена в этой таблице.
Зависимость чувствительности данной термопары от температуры видна на этом графике.
Из графика видно, что зависимость носит практически линейный характер в диапазоне температур 0 – 100 оС .
Соберем в Мультисиме схему моделирования датчика температуры на основе термопары J-типа. Моделирование термопары осуществим с помощью источника напряжения, который позволяет задать изменение напряжения в табличном виде. В качестве усилителя используем ОУ, предназначенный для снятия сигнала с термопар. Регистрацию входного и выходного напряжения можно проводить как по вольтметрам, так и по осциллографу.
Зададим программу изменения напряжения источника
Где время в секундах, с тем, чтобы получить развертку на осциллографе
Зависимость выходного напряжения датчика TMP20AIDCKR от температуры при напряжении питания 2,7 В (данные взяты из Datasheet на датчик)
Как видно из осциллограммы, величина входного сигнала (красный цвет) соответствует рис.2, если принять, что по оси «х» отложено не время, а температура в диапазоне от 0 до 100 градусов (на осциллограмме 20 мс соответствует 20 град). Синий цвет- напряжение на выходе ОУ.
Теперь проведем моделирование с полупроводниковым датчиком температуры. Возьмем для примера полупроводниковый датчик TMP20AIDCKR.
Соберем схемы для моделирования датчика температуры. Сначала используем стандартный прибор для моделирования источника температуры 
и проверим его шкалу соответствия показаниям температуры и напряжения на выходе источника. Для этого соберем следующую схему:
Из данного рисунка видно, что температура 25 градусов соответствует напряжению 25В на выходе источника, при этом напряжение на выходе датчика соответствует 1,58 В. Если обратиться к осциллограмме (предпоследний рисунок), то можно увидеть, что температуре 25 градусов соответствует выходное напряжение датчика примерно 1,6 В.
Из показаний прибора на схеме, приведенной выше, видно, что данные прибора соответствуют данным на осциллограмме. Если провести измерения во всем диапазоне температур, то можно убедиться в том, что показания вольтметра U5 в вольтах соответствуют значениям температуры датчика U4 в градусах. Таким образом, результаты моделирования соответствуют данным на измерительные датчики и подтверждают возможность оценки применения датчиков с помощью моделирования.
Виктор Пашков
Эксперт Школы Fine Start
Кандидат технических наук в области оптико-электронного приборостроения, PhD Университета Торонто (Канада) в области электроники, базовое образование – инженер электронной техники.
Обладатель 9 авторских свидетельств и 5 патентов. Автор более 50 научных статей.
Стаж научно-педагогической деятельности 20 лет.
Заинтересовала статья?
Освоить востребованную профессию в сфере автоматизации производства вы можете в Школе Fine Start. Узнайте детали в каталоге наших профессий
