Што такое датчык тэмпературы?

Па-першае, запомніце гэты сказ: датчык тэмпературы не "счытвае тэмпературу непасрэдна", а спачатку адчувае пэўныя змены фізічных уласцівасцей, выкліканыя тэмпературай, затым пераўтворыць гэтыя змены ў вымерныя сігналы, і, нарэшце, схема вымярэння і алгарытм атрымліваюць значэнне тэмпературы.

Вы карыстаецеся датчыкамі тэмпературы кожны дзень, але рэдка заўважаеце іх. Кандыцыянеры ведаюць, калі спыніць астуджэнне, халадзільнікі могуць падтрымліваць зададзеную тэмпературу, аўтамабілі могуць кантраляваць стан рухавіка, акумулятара і сістэмы астуджэння, прамысловае абсталяванне можа падаць сігнал трывогі, калі тэмпература ненармальная - усе гэтыя функцыі маюць агульную аснову: спачатку «адчуваць тэмпературу», а потым перадаваць яе ў сістэму кіравання для апрацоўкі.

I. Што такое датчык тэмпературы?

З інжынернага пункту гледжання датчык тэмпературы - гэта прылада, якая пераўтворыць фізічную велічыню тэмпературы ў сігналы, якія можна вымераць, перадаваць і апрацоўваць. Яе сутнасцю з'яўляецца не "адлюстраванне ліку", а ўсталяванне стабільнай і паўтаральнай адпаведнасці паміж "тэмпературай" і вымернай фізічнай велічынёй.

Гэтай вымернай фізічнай велічынёй можа быць супраціўленне, напружанне, ток або аналагавыя або лічбавыя сігналы, апрацаваныя інтэгральнымі схемамі. Розніца ў розных тэхнічных маршрутах па сутнасці заключаецца ў тым, які фізічны эфект выкарыстоўваецца для «адчування» тэмпературы і як дакладна вымераць гэтую змену.

II. Як ён пераўтворыць "тэмпературу" ў лік?

Гэта самы важны крок у разуменні датчыка тэмпературы. Уласна кажучы, датчык непасрэдна не "счытвае 25,3 ℃". 25,3 ℃ - гэта вынік, атрыманы пасля пераўтварэння і разліку ўсяго ланцужка вымярэнняў. На самой справе адбываецца наступнае: тэмпература змяняе фізічныя ўласцівасці пэўнага матэрыялу або структуры.

Змена тэмпературы → Змена ўласцівасцей зандзіравання → Электрычны сігнал → Атрыманне і пераўтварэнне → Разлік алгарытму → Значэнне тэмпературы

Тыповы ланцужок вымярэння тэмпературы: ад "фізічнага свету" да "лічбавага свету"

Крок 1: тэмпература спачатку ўздзейнічае на адчувальны матэрыял

Калі тэмпература вымяранага аб'екта змяняецца, пэўныя фізічныя ўласцівасці ўнутры адчувальнага элемента будуць змяняцца адпаведна. Для плацінавай стойкасці гэта ў асноўным выяўляецца як змяненне значэння рэзістэнтнасці; для тэрмапар - гэта змяненне тэрмаэлектрычнага патэнцыялу; для тэрмістараў NTC гэта змяненне значэння супраціву, якое змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы, і гэта змяненне звычайна мае значную нелінейнасць.

Вось асабліва важная канцэпцыя: датчык тэмпературы вымярае не "саму тэмпературу", а "вымерныя змены, выкліканыя тэмпературай". Затым, выкарыстоўваючы ўжо адкалібраваную залежнасць, гэта змяненне разлічваецца адваротна, каб атрымаць тэмпературу.

Крок 2: Пераўтварэнне змены ў электрычны сігнал

Возьмем у якасці прыкладу ўстойлівасць плаціны, калі тэмпература павышаецца, значэнне супраціву плаціны будзе змяняцца ў адпаведнасці з яе характарыстыкай супраціў-тэмпература. Схема вымярэння ўжывае адпаведнае ўзбуджэнне да супраціўлення плаціны, так што змяненне значэння супраціву можа быць адлюстравана ў выглядзе вымернага напружання, току або выхаду моста.

Вось чаму плацінавы элемент супраціву памерам усяго ў некалькі міліметраў можа на самай справе выканаць самае пачатковае і крытычнае пераўтварэнне «тэмпература → электрычная велічыня» ва ўсёй ланцужку вымярэння тэмпературы. Сам элемент можа выводзіць толькі змену значэння супраціву, але "℃" патрабуе наступнай схемы для завяршэння пераўтварэння.

Крок 3: Схема збору дадзеных "счытвае" малюсенькія змены

Выхад датчыка часта не адпавядае натуральнаму стандарту. Напрыклад, RTD выдае значэнне супраціву, а тэрмапары выдаюць тэрмаэлектрычны патэнцыял на ўзроўні мілівольт. Схема вымярэння павінна ўзбуджаць, выбарваць, узмацняць, фільтраваць або кампенсаваць гэтыя сігналы, каб наступны аналагава-лічбавы пераўтваральнік мог атрымліваць дастаткова стабільныя і прыдатныя для выкарыстання даныя.

Для RTD, калі ток узбуджэння занадта вялікі, ён будзе ствараць саманагрэў, выклікаючы павышэнне ўласнай тэмпературы адчувальнага элемента, уносячы тым самым дадатковыя памылкі. Такім чынам, "як вымераць" само па сабе з'яўляецца часткай дакладнасці вымярэння тэмпературы, а не канцом выбару датчыка.

Крок 4: Аналагава-лічбавае пераўтварэнне, пераўтварэнне бесперапынных змяненняў у лічбавыя велічыні

Калі ў сістэме выкарыстоўваецца лічбавы кантролер, схеме збору дадзеных звычайна неабходна пераўтварыць аналагавае напружанне або ток у лічбавыя коды праз аналагава-лічбавы пераўтваральнік (АЦП). Напрыклад, пасля таго, як аналагавае напружанне, якое адпавядае змене супраціву, выбіраецца АЦП, кантролер атрымлівае шэраг лічбаў замест фізічнай тэмпературы, напрыклад "25℃".

На дадзены момант сістэма перайшла ад «вымярэння электрычных сігналаў» да «стадыі разліку».

Крок 5: Разлічыце тэмпературу на аснове каліброўкі

Нарэшце, кантролер пераўтворыць лічбавую велічыню ў значэнне тэмпературы ў адпаведнасці з суадносінамі супраціў-тэмпература або напружанне-тэмпература, якія адпавядаюць датчыку. У гэтым працэсе можа выкарыстоўвацца пошук па табліцы, разлік па формуле або каэфіцыенты каліброўкі. Для стандартных плацінавых рэзістараў ён таксама будзе пераўтвораны ў спалучэнні з адпаведнай стандартнай формулай і ступенню дакладнасці.

Такім чынам, "25,3 ℃", якія вы бачыце, насамрэч з'яўляюцца вынікам сумеснай працы ўсяго ланцужка вымярэнняў, а не прамым лічбавым значэннем, атрыманым адным кампанентам датчыка.

Што сапраўды заслугоўвае таго, каб памятаць: датчык тэмпературы адказвае за "ўспрыманне", схема вымярэння адказвае за "счытванне", а алгарытм і сістэма кіравання адказваюць за "разуменне".

III. Заключныя думкі: Тэмпературны датчык сапраўды робіць, каб ператварыць "адчуванне" ў "дадзеныя"

Вяртаючыся да пытання ў пачатку артыкула: што такое датчык тэмпературы?

Адным сказам: ён не непасрэдна "бачыць" тэмпературу, але адчувае фізічныя змены, выкліканыя тэмпературай, затым пераўтворыць гэтыя змены ў электрычныя сігналы шляхам збору, пераўтварэння, каліброўкі і разліку, і, нарэшце, атрымлівае значэнне тэмпературы, якое мы бачым.

Разумеючы гэта, многія наступныя пытанні стануць прасцей: чаму RTD засяроджваецца на суадносінах супраціў-тэмпература? Навошта тэрмапары патрэбна кампенсацыя халоднага спаю? Чаму NTC падкрэслівае значэнне B? Чаму вымярэнне току ўплывае на RTD? Чаму спосаб ўстаноўкі датчыка ўплывае на вынік? Чаму прадукты высокай надзейнасці павінны праходзіць экалагічныя і механічныя выпрабаванні?

Таму што ўсе яны, па сутнасці, адказваюць на адно і тое ж пытанне: як зрабіць «змены тэмпературы» стабільнымі, дакладнымі і паўтаральнымі ў «давераныя даныя».

——Вынята з рэцэнзаванага публічнага акаўнта