Среди всего многообразия датчиков, которые можно подключать к АЦП для обработки с помощью виртуального измерительного комплекса, одним из самых полезных будет датчик температуры. Благодаря широкому рабочему диапазону он может применяться и для регистрации метеорологических процессов, и для анализа температурного режима аккумулятора при быстром заряде, и даже для проверки работы автоматики холодильных камер.

Широкие возможности масштабирования, закладываемые в ПО для виртуального измерительного комплекса, позволяют существенно упростить предварительную обработку сигнала или даже полностью от нее отказаться.

С учетом исключительной простоты схемотехники предлагаемых АЦП логично использовать такой же простой датчик температуры. Не может быть и речи о платиновой проволоке, поскольку ее низкая чувствительность и нелинейность параметров потребуют применения нескольких операционных усилителей; не подойдут и термопары, так как их компенсатор «холодного спая» сложен по конструкции и требует очень серьезной настройки.

Терморезисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) очень чувствительны к изменениям температуры. Они просто подключаются, но их характеристики нелинейны, так что их чрезвычайно сложно калибровать. В температурном диапазоне от -50 °С до +150 ° С большие преимущества имеют кремниевые датчики. Достаточно чувствительные и часто обладающие хорошей линейностью характеристик, они, ко всему прочему, дешевы и доступны. Надо ли искать им замену, если известно, что по точности они сравнимы с АЦП, которые описываются в этой книге?

Складывается впечатление, что микросхема LM 335 (или ее варианты LM 135 и LM 235) создана специально для решения данной проблемы. Эта микросхема выпускается многими производителями, в том числе компаниями National Semiconductor и SGS-Thomson. Она имеет корпус транзисторного типа и может рассматриваться как стабилитрон с температурным коэффициентом напряжения (ТКН) равным 10 мВ/°К. Рабочий диапазон температур микросхемы LM 335 лежит в границах от -40 °С до +100 °С (для варианта LM 135 он составляет от -50 °С до +150 °С). При этом нулевое выходное напряжение соответствует температуре абсолютного нуля 0 °К (-273,15 °С).

По характеристике, приведенной на рис. 6.5, видно, что выходное напряжение меняется от 2,23 В при -50 °С (223 °К) до 4,23 В при +150 °С (423 °К). Эти параметры удачно соотносятся с рабочим диапазоном описываемых АЦП - от 0 до 5 В.

Если не ввести в схему элементы калибровки, то несоответствие между температурой и выходным напряжением в наихудшем случае может достигать 9 "К. Следовательно, для выполнения задач, рассматриваемых в книге, требуется подстроечный резистор для калибровки. С учетом этого получается, как и предполагалось, исключительно простая схема, приведенная на рис. 6.6.

Надо заметить, что для обеспечения нормальной работы этого датчика достаточно одного резистора и небольшой гальванической батареи 9 В, тогда как для большинства изделий других производителей потребовался бы источник стабильного тока.

После калибровки (обычно при температуре +25 °С) точность получаемых результатов в зависимости от группы датчика оказывается лучше, чем ±(1-2) "С. Наилучшей является группа «А». Это

хорошо соотносится с точностью 1% и разрешением 2\) ыо (то есть 2 °С) 8-разрядного АЦП.

При работе с 10- или 12-разрядными АЦП необходимо использовать микросхему датчика группы «А» и уделить особое внимание калибровке.

Печатная плата датчика имеет примерно такие же размеры, как девятивольтовая гальваническая батарея. Топологическая схема печатной платы приведена на рис. 6.7.

При сборке схемы датчика следует руководствоваться монтажной схемой (рис. 6.8). Стоит обратить внимание на то, что на плате установлены практически все компоненты, а также разъем гальванической батареи и соединительная колодка, подключение к которым может осуществляться самыми разными способами. Внешний вид платы датчика с установленными элементами показан на рис. 6.9.

Через соединительную колодку с помощью одной пары проводов датчик температуры подключается к АЦП, а с помощью другой пары

на плату можно подать напряжение питания от 9 до 12 В, заменив гальваническую батарею на внешний источник. Эта же соединительная колодка позволит, при необходимости, с помощью трех проводов длиной до одного метра вынести датчик на микросхеме LM 335 на безопасное расстояние, чтобы не подвергать остальные устройства измерительного комплекса вредному воздействию.

Для работ, связанных с погружением в жидкие среды, будет необходимо изолировать датчик, поместив его в чехол из термореактивного материала, причем достаточно тонкого, чтобы тепловая инерционность датчика увеличилась не сильно. Идеальный вариант - это чехол, заполненный термоклеем. Понятно, что места паяных соединений проводов и выводов датчика перед размещением в изолирующем чехле для предотвращения замыканий должны быть изолированы отрезками гибкой пластиковой трубки.

Так как датчик определяет точность всего измерительного тракта, калибровать его нужно предельно аккуратно. В принципе калибровку следует проводить при 25 °С, по ничто не мешает провести ее при другой температуре в пределах от 20° до 30 °С. При этом надо помнить, что температура в разных частях помещения может быть неодинаковой. Следовательно, эталонный термометр, как можно более точный, должен располагаться в непосредственной близости от калибруемого датчика на микросхеме LM 335, и, кроме того, необходимо выждать некоторое время, чтобы достичь теплового равновесия.

Напряжение калибровки зависит от температуры окружающей среды: например, при температуре 20 °С (или 293 °К) выходное напряжение датчика нужно установить на величину 2,93 В.

Можно рекомендовать и более простой способ калибровки при 0 °С, не требующий образцового термометра. Для этого достаточно проделать в куске льда отверстие (например, остывающим паяльником) и поместить корпус LM 335 (но не выводы!) в талую воду, которая начнет быстро заполнять углубление, - это «тающий лед», температура которого по определению равна 0 °С. Затем надо будет при помощи многооборотного подстроечного резистора отрегулировать датчик до получения на табло виртуального вольтметра показания 2,73 В.

Важно выполнять калибровку датчика именно с тем АЦП, с которым этот датчик будет работать впоследствии, чтобы как можно лучше скомпенсировать его погрешность.

Естественно, допускается комбинирование обоих вышеуказанных методов для получения максимальной точности, хотя при этом не стоит рассчитывать на получение общей точности выше ±1 "С.

Большинство задач предполагает проведение динамической регистрации изменений температуры за тот или иной период времени. Однократные измерения температуры гораздо удобнее проводить при помощи обычного термометра.

Пакет PICOLOG, работающий со всеми изделиями компании PICO Technology, позволяет выполнять измерения с временными интервалами от нескольких минут до многих месяцев и даже лет. Помимо этого, он дает возможность провести масштабирование результатов измерений, а при использовании датчика температуры выполнить преобразование «вольты-градусы Цельсия». (Вначале надо скорректировать наклон характеристики преобразования для получения результатов в градусах Кельвина, а затем произвести коррекцию смещения для перехода к величинам,, измеренным в градусах Цельсия.)

Какой бы АЦП ни использовался (ADC 10 или ADC 12), необходимая величина коррекции,смещения в меню «Настройка линейной шкалы» для параметра «Температура» равна -273. Коэффициент коррекции наклона при работе с ADC 10 (8-разрядным) равен 1,9608, а при работе с ADC 12 (12-разрядным) равен 0,1221.

Чаще всего будет использоваться шкала, градуированная от -50° С до +100 °С или +150 "С и включающая весь рабочий диапазон датчика.

Хотя пакет PICOSCOPE в меньшей степени, чем PICOLOG, пригоден для измерения и обработки замеров температур (осциллограф, частотомер и анализатор спектра здесь не помогут), его вольтметр постоянного тока можно настроить непосредственно на отображение измеренной температуры (рис. 6.10).

Для отображения температуры в градусах Кельвина достаточно выбрать режим «Переменная шкала», затем установить минимальное значение равным нулю, а максимальное - 500, без знаков после запятой (десятые доли градуса при точности ±1 °С не имеют значения). При отображении результатов в градусах Цельсия минимальное и максимальное значения равны соответственно -273 и +227, также без знаков после запятой.

Работая с АЦП, которые изготовлены по приведенным в книге схемам, на примере программы DEGRES.BAS можно убедиться, насколько просто превратить виртуальный вольтметр в виртуальный термометр.

Метод приведения шкалы, использованный в этом упрощенном варианте программы VOLTS.BAS, можно применять во всех других программах, рассмотренных в главе 5.