ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Иногда бывает, что величина, которую вы хотите измерить, сама по себе является электрической. Примером этому могут служить нервные импульсы (напряжение), проводимость морской воды (сопротивление), поток заряженных частиц (ток) и др.

В этом случае измерения оказываются относительно прямыми, а основные трудности связаны с выбором типов измерительных электродов и возможностями обработки сигналов, которые удается получить. Здесь можно столкнуться либо с очень высоким импедансом (как, например, в случае с микроэлектродами), либо с очень слабыми сигналами (ток, возникающий при радиоактивном распаде).

Гораздо чаще требуются приборы, которые могут преобразовывать некоторые физические величины в соответствующие значения электрических сигналов. Сюда можно отнести измерения температуры, уровня светимости, магнитного поля, деформации, ускорения, интенсивности звука и т. п. В последующих разделах будут рассмотрены наиболее часто встречающиеся преобразователи входных сигналов, чтобы дать общее представление о том, что можно измерять и с какой точностью. Более подробно будут описаны измерения тепла и светового потока, но охватить все возможные измерения в данной книге невозможно.

15.01. Температура

Поступающие в продажу датчики температуры имеют очень хорошие характеристики. Это касается как диапазона измеряемой температуры, так и точности, вопроизводимости, универсальности кривых, а также габаритов и стоимости.

Термопары.

Если соединить между собой два провода из различных металлов, то на их концах возникнет небольшая разность потенциалов (сопротивление такого источника при этом будет ), обычно порядка милливольта, с температурным коэффициентом около . Такие соединения называют термопарами, и используются они для измерений температуры в широком диапазоне. Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от — 270 до с хорошей точностью . Термоэлектрические свойства различных сплавов хорошо известны, поэтому термопарные зонды в любом виде (щупы, прокладки, бронированные зонды и т. п.), изготовленные из одних и тех же сплавов, могут взаимозаменяться без дополнительной калибровки.

Рис. 15.1. Классическая схема включения термопары.

Классическая термопарная цепь приведена на рис. 15.1. Специфический подбор металлов, указанный на этом рисунке, составляет термопару, известную как тип J (см. табл. 15.1, в которой приведен список стандартных сплавов и их свойств). Каждая пара изготовляется путем сварки (спайки) двух разных металлов таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. (Известно, что можно соединить провода, просто скручивая их вместе, но такое соединение не будет работать долго!) Опорный («холодный») спай абсолютно необходим, иначе придется иметь дело с добавочными паразитными термопарами, возникающими в точках, где различные металлы соединяются с зажимами измерительного прибора. Эти лишние неконтролируемые . в схеме приводят к странным и неточным результатам. Даже при наличии двух термопар на клеммах все же имеют место термопарные соединения, но это редко вызывает осложнения, поскольку они одинаковы и находятся при той же температуре.

В термопарных схемах напряжение зависит от температуры обоих термосоединений. Грубо говоря, оно пропорционально разности температур между двумя спаями. На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами: (а) Поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную .

Таблица 15.1. Термопары

Обычно для этого используют ванночку с тающим льдом, но можно приобрести прекрасный небольшой стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу. Если измеряются очень высокие температуры, то можно не беспокоиться о тех небольших ошибках, которые возникают, если опорный спай будет находиться при комнатной температуре. (б) Более современные методы заключаются в построении компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна .

На рис. 15.2 показано, как это осуществляется. Основная идея заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т. е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (см. следующий раздел об ИС-датчиках температуры) дает на выходе ток (в микроамперах), пропорциональный температуре (в кельвинах). выбирается в соответствии с термоэлектрическим коэффициентом, в данном случае на этом резисторе преобразуется в (см. табл. 15.1), а опорный трехполюсный источник (в комбинации с ) используется для компенсации тока смещения при , даваемого . Таким образом, тока коррекции нет, если опорный спай находится при , а если он имеет несколько другую температуру, то к собственному напряжению от пары спаев добавляется (термоэлектрический коэффициент соединения типа J при комнатной температуре).

Следует несколько слов сказать об измерительной схеме. Проблема усиления сигналов термопар связана с низким выходным напряжением или около этого), большими синфазными помехами промышленной частоты и радиочастотными наводками. Усилитель должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (60 или 50 Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление. Кроме того, его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (порядка 10 кОм или более), чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление (например, выводы длиной соединения типа калибра имеют сопротивление 30 Ом).

Примером решения этой задачи может служить схема, приведенная на рис. 15.3. Она представляет собой просто обычный дифференциальный усилитель с Т-образной цепью обратной связи, обеспечивающей высокое усиление по напряжению (в данном случае 200) и в то же время с достаточно большим входным сопротивлением, таким, что сопротивление источника не создает заметной погрешности.

Рис. 15.2. Схема компенсации температуры опорного спая термопары.

Операционный усилитель представляет собой прецизионный усилитель, у которого дрейф составляет менее , благодаря чему эта составляющая ошибки измерения много меньше , эквивалентных погрешности в . Благодаря входным шунтирующим конденсаторам ослабляются ВЧ-радиопомехи (термопары и их длинные соединительные линии могут вести себя подобно радиоантеннам). Поскольку в любом случае сигнал от термопары очень слаб, полезно дополнительно ограничить полосу, подключая параллельно сопротивлению обратной связи конденсатор, как показано на схеме рис. 15.3. В случае возникновения больших трудностей, связанных с радиопомехами, может оказаться необходимым экранировать входные провода и добавить ВЧ-дроссели перед входными шунтирующими конденсаторами.

Заметим, что схема компенсации напряжения на опорном спае термопары на рис. 15.3 подключена к Выходной цепи в отличие от обычного способа компенсации напряжения холодного спая термопары на входе, показанного на рис. 15.2.

Это сделано для того, чтобы сохранить точный дифференциальный баланс на входе и тем самым обеспечить высокое подавление синфазной помехи, присущее дифференциальному усилителю. Так как усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 200, то на выходе схемы компенсации напряжение . усиливается до или . Отметим, что для входному току смещения 0,1 нА (манс.) сопутствует на входе ошибка , которая вместе с (макс.) может быть сведена к нулю. Можно также использовать операционный усилитель 7652 типа модулятор-демодулятор со стабилизацией нуля макс., нА макс.).

Вместо простого дифференциального усилителя можно использовать измерительный усилитель, показанный на рис. 7.32; в этом случае существенно улучшатся параметры смещения по постоянному току на входе.

Рис. 15.3. Балансный усилитель сигналов термопары с компенсацией опорного спая на выходе.

Пользователи термопар должны знать, что фирма Analog Devices выпускает усилители сигналов термопар с компенсацией холодного спая (тип J) и (тип К). Эти монолитные устройства обладают всем необходимым (включая опорную точку льда) для получения выходного напряжения пропорционального температуре и даже программируемую тройную точку для термопарного входа. Наилучшие из них имеют точность (без подстройки) при комнатной температуре и при — и при . Фирма Linear Technology изготовляет компенсатор холодного спая микромощной термопары, сконструированные для использования с внешним прецизионным ОУ.

В нем предусмотрена компенсация для всех типов термопар, приведенных в табл. 15.1 (кроме типа В); благодаря коррекции кривизны второго порядка, точность сохраняется в широкой области температур. Наилучшие имеют точность (без подстройки) при комнатной температуре и при — 25 и .

Промышленностью выпускаются комплекты аппаратуры для измерения температур с помощью термопар самых различных конфигураций. Сюда входят вычислительные схемы для преобразования термоэлектрического напряжения в данные о температуре. Например, в цифровых термометрах, изготовляемых фирмами Analog Devices и Omega Engineering, достигается точность около в интервале температур от —200 до и около для температур, превышающих .

Рис. 15.4. Схемы включения термисторов.

При сравнении с другими методами измерения температуры термопары обладают такими преимуществами, как небольшие размеры и широкий интервал температур, кроме того, они особенно хороши для измерения высоких температур.

Термисторы.

Термисторы представляют собой полупроводниковые устройства, у которых температурный коэффициент сопротивления отрицателен и обычно равен приблизительно — . Они выпускаются во всевозможных видах, от шариков из свинцового стекла до бронированных зондов. Термисторы, предназначенные для точных измерений температур (их можно также использовать, например, в качестве элементов схем температурной компенсации), обычно имеют сопротивление несколько сотен омов при комнатной температуре, а характеристики их прекрасно укладываются (с точностью до ) на стандартные кривые. Высокий коэффициент изменения сопротивления делает их очень удобными в эксплуатации, они недороги и стабильны. Для измерения и контроля в области от — 50 до имеется достаточно богатый выбор термисторов.

Рис. 15.5. Зависимость сопротивления от температуры для термистора и термисторно-резисторной пары.

Относительно легко строятся простые и эффективные схемы «пропорционального регулирования температуры», в которых термисторы используются в качестве чувствительных элементов; посмотрите, например, указания RCA по применению ICAN-6158 или же спецификацию Plessey на .

Из-за своего свойства сильно изменять сопротивление в зависимости от температуры термисторы не предъявляют высоких требований к последующим электрическим схемам. Некоторые из простых методов получения выходного напряжения показаны на рис. 15.4. Схема а особенно эффективна при измерениях низких температур, так как сопротивление термистора изменяется по экспоненциальному закону, а схема б имеет несколько более линейный характер изменения выходного напряжения в зависимости от температуры. Например, на рис. 15.5 приведены зависимости сопротивления от температуры одного термистора 10 кОм (Fenwal , унифицированная кривая) и того же термистора с включенным последовательно сопротивлением 10 кОм. Последовательная пара имеет линейную характеристику в пределах 3% в области от —10 до и 1% от 0 до . Такую линейность имеет зависимость выходного напряжения от температуры в схеме с сопротивлением R, изображенной на рис. .

На схемах рис. 15.4 приведены варианты с улучшенной линейностью, в которых использованы составные согласованные термисторы (и соответствующие резисторные пары), изготовляемые Yellow Springs Instrument Company. Эти -термисторные конфигурации обеспечивают линейность 0,2% в области температур от 0 до также выпускает -термисторные модули (с тремя резисторами), имеющие еще лучшие показатели линейности. Схема д представляет собой классический мост Уитстона, уравновешенный при поскольку здесь измеряются отношения, нельзя не учитывать отклонений, связанных с изменениями напряжения питания. Мостовая схема в сочетании с усилителем, обладающим высоким коэффициентом усиления, особенно широко используется для определения небольших изменений вблизи некоторой опорной температуры; при малых отклонениях выходное (дифференциальное) напряжение линейно зависит от величины разбаланса. Во всех термисторных схемах надо учитывать явления саморазогрева. Обычные небольшие термисторные зонды имеют коэффициент рассеяния, равный , т. е. нагрев, соответствующий , должен не превышать , если вы хотите иметь точность считывания температуры не хуже чем 1 град.

В свободную продажу поступает комплект приборов для измерения температур, использующих термисторы с подходящими характеристиками. Эти устройства включают в себя встроенные вычислительные схемы для преобразования считываемого сопротивления непосредственно в данные о температуре. Например, модель цифрового термометра 5800 фирмы Omega перекрывает область от —30 до , причем считывание температуры возможно как по стоградусной шкале Цельсия, так и по шкале Фаренгейта на

-цифровом СИД-индикаторе. Точность термометра во всей области с разрешением .

Термисторный метод измерения по сравнению с другими проще и точнее, но термисторы чувствительны к саморазогреву, хрупки и пригодны для узкой области температур.

Платиновые термометры сопротивления.

Эти устройства представляют собой катушку из очень чистой платиновой проволоки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, равным приблизительно .

Рис. 15.6. ИС-датчики температуры. Напряжения соответствуют . Способы А и Б приводят, кроме того, к ошибке для температурного коэффициента резистора .

Платиновые термометры чрезвычайно стабильны во времени и имеют кривую, очень точно совпадающую со стандартной. С ними можно работать в весьма широкой области температур от —200 до , но стоимость их высока.

Рис. 15.7. Погрешности температуры для .

ИС-датчики температуры.

Как мы уже отмечали в разд. 6.15, смещение шкалы от источника опорного напряжения можно получить от датчика температуры, дающего напряжение, пропорциональное абсолютной шкале, т. е. напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. , например, обеспечивает температурный выход с линейным коэффициентом . Если этот выход подключить к усилителю с регулируемым усилением и смещением для калибровки, то можно получить точность почти для интервала от —55 до . -удобный -клеммный температурный датчик, который в принципе подобен зенеровскому диоду с выходным напряжением например, при он работает как стабилитрон на 2,982 В (рис. 15.6). Выпускаются эти датчики с начальной точностью и имеют внешнюю подстройку. Простой калибровкой можно обычно улучшить его точность до максимально в области — . После подстройки точность выхода должна быть при тестовой температуре и с бюджетом точности на краях (рис. 15.7).

LM35 также обеспечивает наклон зависимости выходного напряжения от температуры , но он ведет себя скорее как -полюсный опорный источник (а не как -клеммный зенеровский диод), в котором питание В) подается на третий зажим; внутреннее смещение у него такое, что выходное напряжение равно 0 В при . При работе вблизи или ниже следует использовать понижающий резистор, как показано на рис. 15.6, г. Наилучшие приборы имеют максимальную погрешность , но они не подстраиваемые. Родственное им устройство работает также, но считывание осуществляется по шкале Фаренгейта (0 В при ).

Существуют и другие ИС-датчики температуры, например устройство, работающее как генератор постоянного тока, у которого ток в микроамперах пропорционален абсолютной температуре; например, при ) он ведет себя как стабилизатор тока на . Точность, достигаемая этим простым прибором, равна (при наилучшей градуировке) в интервале от —55 до . Что особенно привлекает в них, так это простота внешних электрических соединений. Пластиковый вариант имеет сравнимые характеристики в меньшей температурной области до . ИС источника тока (см. разд. 6.18) также имеет на выходе сигнал, пропорциональный абсолютной температуре, устанавливаемый с помощью одного резистора в соответствии с формулой (см. рис. 15.6); эта формула включает в себя -ную коррекцию на ток.

Кварцевые термометры.

Изменение резонансной частоты кристалла кварца может быть использовано для создания точного, с хорошей воспроизводимостью, термометра. Хотя реальные генераторы на кристалле кварца обычно имеют самый низкий температурный коэффициент, можно подобрать сечение кристалла, обеспечивающее большой коэффициент, и воспользоваться высокой точностью частотных измерений. Хорошим образцом такого датчика является прибор фирмы Newlett - Packard термометр со встроенным микропроцессором, имеющий абсолютную точность 40 мград в интервале от — 50 до (при расширении интервала точность уменьшается) и температурное разрешение 100 мкград. Чтобы получить такие характеристики, в приборе предусмотрена индивидуальная калибровка каждого датчика, данные с которого используются для вычисления температуры.

Пирометры и термографы.

Интересен метод «бесконтактного» измерения температуры с помощью классического пирометра. Метод заключается в том, что наблюдатель, рассматривая через зрительную трубу вроде телескопа раскаленную поверхность предмета, сравнивает цвет его свечения с цветом нити накала внутри пирометра. При этом наблюдатель подстраивает ток нити накала так, чтобы ее яркость сравнялась с яркостью объекта наблюдения (причем оба рассматриваются через красный светофильтр), и считывает температуру. Этот метод удобен для измерения температуры очень горячих объектов в окислительной или в восстановительной газовой среде, где невозможно использование термопар. Обычные оптические пирометры имеют интервал измеряемых температур от 750 до , точность около для нижней части интервала температур и около -для верхнего края интервала.

Появление хороших детекторов инфракрасного излучения позволило использовать этот метод измерений и для более низких температур вплоть до обычных. Например, фирма Omega выпускает ряд инфракрасных пирометров с цифровым считыванием в области температур от — 30 до . Измеряя интенсивность инфракрасного излучения, иногда с определенными длинами волн, вы можете определять с хорошей точностью температуру удаленных предметов. Такая «термография» с недавнего времени стала популярной в совершенно различных областях: в медицине для диагностики опухолей или в энергетике, например термография вашего дома покажет вам, где транжирится энергия.

Низкотемпературные измерения.

Особое место занимает проблема точного измерения температуры криогенных (очень холодных) систем. Задача сводится к выяснению вопроса, насколько температура близка к абсолютному нулю (). Здесь имеются два пути: измерение сопротивления обычного углеродсодержащего резистора, которое при низких температурах резко возрастает, и измерение парамагнитных свойств некоторых солей. Эти вопросы касаются специальной области измерительной техники и здесь рассматриваться не будут.

Измерения позволяют управлять.

Если имеется способ регулировать некоторую количественную величину, то при наличии хорошей измерительной аппаратуры можно точно управлять этой величиной. В частности, термисторы обеспечивают прекрасное управление температурой ванны или печи.