Кратко рассмотрены основные средства, применяемые при контактном и бесконтактном измерении температуры, отмечены их достоинства и недостатки. На основе анализа характеристик интегральных датчиков температуры со встроенным аналого-цифровым преобразователем, обоснован их выбор в качестве первичных преобразователей информационно-измерительного лабораторного комплекса исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоаппаратуры.
Ключевые слова: первичный преобразователь, датчик температуры, термопара, пирометр, АЦП, информационно-измерительный комплекс, теплоотвод.
Briefly describes the main tools used in contact and noncontact temperature measurement, their advantages and disadvantages. Based on the analysis of the integrated temperature sensor with built-in analog-digital converter, justified their selection as the primary transmitters of information-measuring complex laboratory study heatsinks and cooling systems of radio equipment.
Key words: primary transmitter, temperature sensor, thermocouple, pyrometer, ADC, information-measuring complex, heatsink.
Одной из главных задач при проектировании информационно-измерительного комплекса (ИИК) исследования теплоотводов [1] является выбор способа измерения температуры и непосредственно элементов первичного преобразования– температурных датчиков. Ниже приводится обоснование выбора температурного датчика со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) типа DS1631 как элемента первичного преобразования информации об измеряемой температуре исследуемого объекта.
Известно, что при измерении температуры объекта используется один из двух методов, контактный и бесконтактный (неразрушающий). При контактных измерениях температуры поверхноститела обычно применяют термопары, термометры сопротивления, датчики температуры со встроенным АЦП.
Термопары — наиболее удобные и распространенные датчики температуры. С их помощью можно проводить измерения от -200 до +3000°С, а возможность преобразования температуры в электрический сигнал позволяет проводить дистанционные измерения. Термопара состоит из двух различных проводников, одни концы которых соединены между собой (спаяны, сварены, скручены и т. д.), а вторые — подключены к измерительному прибору. Серьезным недостатком рассмотренного выше контактного способа измерения температуры с помощью термопары является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. К тому же хорошо известно [2], что все контактные теплоприемники, в том числе и термопары, измеряют не температуру среды, поверхности тела или части его объёма, а свою собственную температуру. Задача экспериментального исследования состоит в том, чтобы создать такие условия измерения, при которых температура чувствительного элемента не отличалась бы от измеряемой температуры среды, тела в пределах требуемой точности измерений. Решение этой задачи не всегда возможно, тогда показания теплоприемника нуждаются во введении поправок. Инструментальные погрешности измерительного комплекса достаточно изучены, и их значения приводятся в соответствующей технической документации.
От этих недостатков свободны пирометры — бесконтактные датчики, действие которых основано на использовании излучения нагретых тел.
Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые [3].
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500°С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.
Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000°С. Обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.
Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра. Главным преимуществом цветовых пирометров над остальными является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры.
В современных информационно-измерительных системах, в том числе и научно-исследовательского назначения все чаще используются датчики температуры со встроенным АЦП. Эти датчики самостоятельно оцифровывают значение температуры своего корпуса, и передают информацию в цифровом коде по стандартному интерфейсу.
Классифицировать датчики со встроенным АЦП удобно по выходному интерфейсу. Для цифровых интегральных датчиков температуры распространёнными являются интерфейсы: 1-Wire(скорость обмена не более 125кбит/с) и двухпроводной двухнаправленный интерфейс I2C обеспечивающий последовательную передачу данных со скоростью до 400 кбит/с.
Структура цифрового интегрального датчика температуры с интерфейсом I2C показана на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема цифрового интегрального датчика температуры DS1631
Как видно из рисунка помимо основных узлов обеспечивающих измерение и дискретизацию температуры, датчик содержит компаратор, переключающийся при заданной специальным регистром температуре. Наличие встроенного компаратора позволяет использовать датчик в системах термостатирования.
Итак, термопары позволяют надёжно измерять температуру в достаточно широком диапазоне, но их применение не лишено недостатков, в частности необходимо обеспечить надёжный контакт с исследуемым объектом [2,5]. Дополнительно, применение контактных термопар требует последующей обработки поступающего с них напряжения. Такая обработка, как минимум, должна включать усиление напряжения и его оцифровку. Этого недостатка лишены температурные датчики со встроенным АЦП. Эти датчики содержат в себе устройства квантования аналогового сигнала содержащего информацию о температуре исследуемого объекта, и один из стандартных интерфейсов связи с другими микросхемами, в частности с управляющим микроконтроллером [6–10]. Безусловно, всех недостатков контактного способа лишены пирометры. Однако, как справедливо замечено в исследовании [5], они слишком дороги для применения в учебном оборудование, и нужной для исследования теплоотводов радиоаппаратуры разрешающей способностью, обладают только модели пирометров верхнего ценового диапазона. К тому же, как показывает многолетний опыт авторов, для организации эффективного изучения работы теплоотводов и систем охлаждения достаточно возможностей цифровых интегральных датчиков температуры. Таким образом, для применения в ИИК [11] исследования теплоотводов можно рекомендовать контактный способ измерения температур [12, 13], основанный на использовании датчиков температуры со встроенным АЦП.
Литература:
1. Горячев Н. В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162–166.
2. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппарартуры». — М.: Высш. шк., 1984. — 247 с.
3. Белозеров А. Ф., Омелаев А. И., Филиппов В. Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике. // Оптический журнал, 1998, № 6, с.16.
4. DS1631, DS1631A, DS1731 High-Precision Digital Thermometer and Thermostat: [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3241
5. Горячев Н. В. Применение контактного способа измерения температуры в учебном лабораторном стенде / Н. В. Горячев // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. проф. Н. К. Юркова. — Пенза: Изд-во ПГУ. — 2011. — Вып. 16. — С. 69–73.
6. Горячев Н. В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 239–240.
7. Горячев Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433–436.
8. Горячев Н. В. К вопросу выбора вычислительного ядра лабораторного стенда автоматизированного лабораторного практикума / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2009. № 10. С. 128–130.
9. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков //Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385–391.
10. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.
11. Падолко Е. П. Основные понятия имитационного моделирования и построение имитационной модели системы массового обслуживания / Е. П. Падолко // Современные информационные технологии. 2012. № 15. С. 43–45.
12. Горячев Н. В. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. М. Трифоненко, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 396–399.
13. Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 534–540.
