Массовая термометрия – версия компании Maxim Integrated

Известным феноменом метрологической науки является существенная неравномерность доли измерений различных физических величин в промышленности. Например, определение давления составляет приблизительно 10% от всех измерений, в то время, как магнитного поля - чуть больше 1%. При этом, на протяжении длительного времени лидером остается температура - более 50%. То есть, как минимум, каждое второе измерение является термометрией.

По этой причине изученность данной тематики высока, новые принципиальные решения появляются крайне редко, однако инженерные разработки обновляются регулярно. Это связано с тем, что миниатюризация и прогресс информационных технологий сделали возможным значительное улучшение классических электромеханических способов измерения температуры (термопарой или термистором). Улучшения коснулись как повышения метрологического качества датчиков, так и сервисных функций (статистическая обработка, передача по каналам связи, хранение и проч.). Также постоянно улучшается конструктив и уменьшается размер температурных сенсоров.

Компания Maxim, являясь одним из лидеров мировой микроэлектроники, не осталась в стороне от термометрической отрасли и производит широкую номенклатуру решений для измерения температуры.

Цифровые термометры

DS18B20-PAR

Классический цифровой термометр - простой, надежный, маленький, измеряет температуру. Ничего лишнего. Поставляется в трехвыводном корпусе TO-92 (отличный вариант для радиолюбительских поделок), а также в более миниатюрных SO- и uSOP-корпусах.

Прибор обладает некоторыми интересными возможностями. Например, он может быть запитан от линии данных («фантомное питание»), таким образом устраняя необходимость в локальном источнике питания. Это означает, что, фактически для работы датчика достаточно двух выводов - сигнального (данные + питание) и общего - вот пример интерфейса 1-Wire® в действии!

Другим интересным свойством является возможность программно задавать разрешение по температуре - от 9 до 12 бит, что, правда, приводит к изменению времени преобразования (см. табл. 1).

Имеется возможность параллельной работы множества датчиков, подключенных к одной шине, под контролем одного микропроцессора, что упрощает создание приложений, осуществляющих распределенное измерение температуры.

Точность датчика не менее ±0,5°C в диапазоне от -10 до 85°C, полный диапазон измерений от -55 до 100°C.

MAX31826

Новый 12-разрядный датчик температуры MAX31826 с интерфейсом 1-Wire. Его главной особенностью является наличие 1 кбит (128 байт) встроенной памяти EEPROM с возможностью блокировки. Применение этой области памяти включает в себя запись системной информации, такой как результаты критических измерений, код зоны установки, идентификационные данные и т.п.

Также микросхема получила более высокие динамические характеристики - время преобразования при 12-битном разрешении всего 150 мс (напомним, у предшественника DS18B20 - 750 мс). По остальным метрологическим характеристикам устройство подобно DS18B20. Поставляется в 8-выводном корпусе mMAX.

Термостаты

DS75

2-проводный температурный цифровой термометр с функцией термостата. Поддерживает функцию программной установки разрешения (от 9 до 12 бит), однако точность измерения значительно ниже (±2°C, вместо ±0,5°C у DS18B20). Это вполне приемлемо для термостата с широким диапазоном (-55...125°C), поскольку основной задачей устройств такого рода является термозащита или тепловой контроль (по принципу «в допуске/не в допуске»), а не само измерение.

Немаловажной особенностью является наличие программируемых пользователем точки включения и точки отключения термостата, что позволяет реализовать температурный гистерезис под контролем. Хорошим дополнением к этому является небольшая настраиваемая защита от сбоев, которая заключается в том, что срабатывание термостата происходит только в случае, если температура превышает установленный порог в течении 1...6 последовательных циклов измерения. Благодаря этому, можно исключить метрологические промахи и избежать ложных переключений термостата.

В качестве программного интерфейса вместо 1-Wire применяется более распространенный в микроконтроллерах I²C/SMBus последовательный интерфейс.

Назначение выводов микросхемы следующее: Vdd, GND - питание от 2,7 до 5,5 В. SDA, SCL - интерфейс связи; A2-A0 - адрес устройства (требуется при работе нескольких устройств на одной шине связи); O.S. - вывод термостата с открытым коллектором. Поставляется в 8-контактных SO- или mMAX-корпусах

MAX31722/23

Представитель семейства новых термометров/термостатов подобен описанным ранее, однако главной особенностью является возможность использования более низкого напряжения питания (от 1,7 до 3,7 В). Учитывая также, что ток потребления составляет около 2,4 мкА в режиме ожидания (1 мА при измерениях), можно сделать вывод о возможности использования этих приборов в системах с низким энергопотреблением.

Кроме того, значительно улучшена точность - погрешность составляет до ±0,5°C (MAX31723), и уменьшено время преобразования - 200 мс при 12-битном разрешении и 20 мс при 9-битном (против 1200 мс и 150 мс у DS75).

Считывание измеренной температуры и задание пороговых значений для работы термостата осуществляется из внутренних регистров микросхемы посредством шины SPI (также доступен для выбора трехпроводной интерфейс). Установленные значения записываются в энергонезависимую память микросхемы, поэтому нет необходимости заново записывать их при очередной подаче питания.

Контроллер термопар

MAX31855

Несмотря на высокие метрологические характеристики описанных ранее приборов, необходимо указать, что для термометрических преобразователей, не имеющих внешних элементов, температурный диапазон ограничен свойствами материалов, из которых изготовлена сама микросхема. По этой причине для температур, значительно выходящих за индустриальный диапазон, применяются термометры, состоящие из внешнего чувствительного сенсора и его цифрового контроллера.

Именно таким прибором, предназначенным для работы с термопарами, является MAX31855 (рисунок 1). Он способен преобразовывать в цифровую форму сигналы с термопар K, J, N, T или E- типов, попутно обеспечивая компенсацию их опорных спаев. Для каждого из типов термопар доступна своя модификация микросхем, отличающаяся буквой в маркировке (например, MAX31855K для К-типа).

Рис. 1. Структурная схема MAX31855

Таким образом на основании MAX31855 возможно построение простых, точных и недорогих термометров с широким измерительным диапазоном (например для термопар К-типа от -200 до 700°С, с точностью ±2°С). Поставляется в 8-выводном SO корпусе.

Заключение

Широта возможных областей применения рассмотренных приборов не подлежит сомнению. Температуру измеряют везде. Однако, конструктив и функциональные возможности - в первую очередь диапазон, точность и напряжение питания - часто определяют, где будет использована та или иная конкретная микросхема. Например, небольшие и быстрые MAX31826 можно использовать в мобильных приложениях: учитывая наличие внутренней энергонезависимой памяти, нет необходимости ставить отдельную микросхему для идентификации. А вот преобразователь MAX31855, скорее всего, найдет место в индустриальных применениях - печах, технологических линиях, холодильниках, прессах и т.п.

В целом необходимо отметить общий прогресс при переходе от старых моделей к новым, увеличение скорости, снижение энергопотребления, возможность выбирать из различных интерфейсов связи - ведь как ни хорош 1-Wire, все же многим больше по вкусу I²C или SPI. Надеемся, что такие тенденции сохранятся и в дальнейшем.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]