Схемы включения датчиков температуры

Резистивные датчики температуры

Известно, что независимо от схемы включения – двух-, трех- или четырехпроводной – резистивные датчики температуры (RTDs) являются стабильными и точными устройствами измерения температуры. Вместе с тем, они имеют и большую стоимость. Понимание достоинств и недостатков RTDs может помочь в выборе средств измерения температуры.

Среди множества устройств измерения температуры одним из наиболее точных является резистивный датчик температуры, обычно обозначаемый как RTD. Сопротивление RTD пропорционально температуре. Чаще всего в качестве ре-зистивного материала таких датчиков используется платина, хотя некоторые датчики сделаны из никеля или меди. В зависимости от конструкции RTD могут измерять температуру в диапазоне от -270 до 850°C.

Для работы RTD необходим внешний источник стимулирующего воздействия, обычно это источник тока. Однако при этом ток нагревает резистивный элемент и вызывает ошибку измерения температуры. Эта ошибка рассчитывается по формуле:

где T – температура, P = I 2 R – генерируемая мощность и S – °C/мВт.

Методы измерения

Существуют различные методы измерения температуры с помощью RTD. Первый из них – это двухпроводной метод, при котором измеряется падение напряжения на RTD при пропускании через него тока. Достоинство этого метода заключается в его простоте, поскольку используется всего два провода. Это облегчает подключение и реализацию. Главный недостаток заключается в том, что в измерительную схему входит сопротивление подводящих проводов, которое может внести некоторую ошибку.

Трехпроводной способ является усовершенствованием двухпроводного. Здесь снова ток пропускается через устройство и измеряется результирующее напряжение. Использование в схеме третьего провода обеспечивает компенсацию сопротивления подводящего провода. Для этого необходимо либо трехпроводное компенсирующее измерительное устройство, либо действительное измерение вклада третьего провода и его вычитание из общего результата измерения.

Третий метод – четырехпроводной. Как и в двух предыдущих методах, в нем производится пропускание тока и измерение напряжения. Однако ток протекает через один набор подводящих проводов, в то время как напряжение воспринимается другим набором проводников. Напряжение измеряется непосредственно на резистивном элементе (RTD), а не в той точке, где подключен источник тока. Это означает, что сопротивление подводящих проводов полностью исключается из измерительной схемы.

Так, например, если сопротивление подводящих проводов равно 0,1 Ом, а сопротивление RTD – 100 Ом, то вклад этих проводов в погрешность будет около 0,1%. В четырехпроводном методе сопротивление подводящих проводов не входит в схему измерения, поэтому данный метод наиболее точный.

Двухпроводное измерение сопротивления

Схема показывает соединения для типового двухпроводного измерения температуры

Четырехпроводное измерение сопротивления

Типовая четырехпроводная схема измерения сопротивления помогает исключить большую часть случайных и систематических погрешностей измерения температуры

За и против

У RTD есть ряд очевидных преимуществ по отношению к другим устройствам измерения температуры. Например, они наиболее стабильны и наиболее точны среди всех других устройств. По сравнению с термопарами они также более линейны.

Конечно, у них есть и некоторые недостатки. По сравнению с термисторами и термопарами RTD имеют большую стоимость. Кроме того, им необходим источник тока. У них низкий температурный коэффициент сопротивления. Например, при изменении температуры на один градус Цельсия сопротивление RTD может измениться на 0,1 Ом. Низкое абсолютное сопротивление может привести к ошибкам измерения при использовании двухпроводной схемы.

При использовании RTD подчас не учитываются некоторые явления, в первую очередь – это саморазогрев. Если RTD нагревается тестовым током, то может появиться погрешность измерения. Если производится измерение низкой температуры (например, ниже 0°C), то тепло от RTD может поднять ожидаемую температуру. Кроме того, в измерение может быть внесена еще большая погрешность при отсутствии компенсации сопротивления подводящих проводов. Использование четы-рехпроводного метода помогает устранить этот вид погрешности. Другая ошибка – выбор RTD, не соответствующего диапазону температур. Попытки измерить за пределами температурного диапазона RTD может привести к большому уровню погрешностей или даже повреждению датчика. Всегда выбирайте подходящий RTD для предполагаемого измерения.

Дэйл Сигой – ведущий инженер в компании Keithley Instruments Inc.; www.keithley.com

Активная система охлаждения силовых приборов

Поводом для написания данного материала явилась статья прочитанная на сайте www.ixbt.com. "Термоконтроль вентиляторов на практике" ( http://www.ixbt.com/cpu/fan-thermal-control.shtml ). В основе статьи - проблема снижения шума от вентиляторов в ПК. Меня же заинтересовало построение системы охлаждения радиаторов различных устройств. При этом схема должна обладать саморегулирующими свойствами.

Базовая схема терморегулятора

Вначале всех экспериментов была повторена базовая схема первого варианта терморегулятора. Схема оказалась вполне работоспособна и вентилятор в ней оказался действительно малошумным и включался при определенном нагреве датчика температуры. Однако здесь же нашлись и недостатки, а именно сильный разогрев корпуса управляющего компаратора на LM311 и слабый воздушный поток от вентилятора. Ни то, ни другое меня не устраивало. Кроме того при постановке термоконтроллера в УКВ радиостанцию, оно включалось каждый раз при переводе станции на передачу.

Схема контроллера была несколько изменена путем подключения к выходу компаратора на LM311 буферного каскада на биполярном транзисторе КТ817. Входы компаратора были зашунтированы керамическими конденсаторами. Изменена логика сравниваемых напряжений на входе (из-за подключения буферного каскада на выходе). Конденсатор С2 удален, так как вызывал длительную задержку включения - выключения вентилятора. В результате схема стала быстрее реагировать на изменение температуры радиатора. При включении вентилятор сразу набирал обороты на максимальную мощность и давал эффективное охлаждение. Речь о тишине уже не шла!

Измененная схема терморегулятора

Отличие имелось и в отсутствии плавного регулирования скорости вращения. Работа по принципу включено - выключено. При напряжении +13,8 В терморегулятор так же работал устойчиво.

С полным описанием принципа работы схемы можно ознакомиться по вышеприведенной схеме. В модернизируемой схеме он не изменился.

В окончательном варианте устройство собрано на односторонней печатной плате на основе стеклотекстолита, размерами 45,72 х 29,21 мм. Если использовать планарный монтаж, то можно значительно уменьшить геометрические размеры. Устройство предназначено для работы в системе охлаждения мощных регулирующих транзисторов в блоках питания, выходных транзисторов в усилителях мощности ЗЧ, ВЧ, УВЧ, в том числе введения охлаждающей системы в автомобильные радиостанции различного класса (если вы умеете работать с паяльником и не боитесь "влезть" в импортную аппаратуру). Хотя любая аппаратура такого уровня греется "как хороший утюг". С подобной проблемой я столкнулся со своей Alinco DR-130.

Список используемых радиодеталей

Ремонт вентилятора системы охлаждения: кипеть или нет?

На современных автомобилях радиатор двигателя чаще всего оснащают электрическим вентилятором, у которого немало преимуществ по сравнению с механическим. Электрический включается только по достижении некоего верхнего предела температуры, а когда она придет в норму, тут же выключается.

Результат – более стабильный температурный режим двигателя. К тому же он быстрей прогревается после пуска, меньше расходует топлива. Включившийся электровентилятор вращается достаточно быстро даже при низких оборотах двигателя – и этим снижает риск перегрева при больших нагрузках в тяжелых дорожных условиях. Механический вентилятор в таких случаях не всегда эффективен.

Казалось бы, перечнем достоинств тему можно и закрыть, да качество электротехники не позволяет. Отказ вентилятора – дело рядовое, а последствия бывают впечатляющими: «вскипятив» двигатель, неопытный водитель нередко платит немалые деньги за ремонт. Некоторые даже сознательно отказывались от передовой системы в пользу надежного и бесхитростного привода ремнем.

В чем же главная причина капризов электровентилятора? Его мотор потребляет ток до 15–20 А, включаясь по команде датчика температуры охлаждающей жидкости в радиаторе (рис. 1). Чтобы большой ток не шел напрямую через нежные контакты датчика 1, в штатной конструкции применили разгрузочное реле 2. Решение естественное… но не безупречное – на российских автомобилях самым ненадежным элементом в системе охлаждения зарекомендовал себя как раз датчик температуры. Его контакты обгорают – и конец! И это, заметьте, при исправной работе разгрузочного реле.

Для объяснения ситуации придется вспомнить, что такое «ЭДС самоиндукции» или «противоиндукции». Забыли? Королеве Физике от этого ни холодно, ни жарко – явление есть. И оно работает… Тот, кто ездит на автомобиле с контактной системой зажигания, знает, как сильно обгорают тугоплавкие вольфрамовые контакты, хотя и разрывают сравнительно небольшой ток с напряжением не выше 14–14,5 В. Все дело в противоиндукции: в момент разрыва контактов исчезающее электромагнитное поле не только создает высокое напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания, необходимое для свечи, но и немалое, до 400 В, напряжение противоиндукции в первичной обмотке. Вот оно-то и «прожигает» контакты: каждое их размыкание не проходит бесследно – а за тысячу километров пути их накапливается около 4 миллионов. Результат – эрозия контактов. Система работает хуже и хуже.

Контакты датчика температуры срабатывают не с такой большой частотой, но зато сами гораздо слабей контактов прерывателя – ЭДС противоиндукции катушки вспомогательного реле в конце концов на них сказывается – они обгорают… И чем больше потрудился датчик температуры, тем выше вероятность отказа. Задавая себе шекспировский вопрос «кипеть или не кипеть?», водителю надо почаще глядеть на указатель температуры и прислушиваться к шуму под капотом. Но еще вернее – вовремя заменить старенький датчик, дабы зря не рисковать. Однако есть и другие возможности.

Первая: обзавестись каким-нибудь импортным датчиком включения вентилятора с тремя выходами – схема на рис. 2. Здесь уже нет разгрузочного реле. Электромотор включается постепенно – сначала через контакты 1 и 2 с добавочным резистором, а затем уже напрямую, через контакты 1 и 3. Результат – гораздо меньший эрозионный износ. Во многих случаях (при невысоких нагрузках на двигатель автомобиля) пара 1–3 почти не используется.

Второй вариант – на рис. 3: здесь мы сохраняем разгрузочное реле. Однако в цепи есть новый элемент – диод 4 (типа КД105 и близкие к нему. Выбираются из справочника по диодам). Диод можно впаять непосредственно в реле (так удобней). В момент разрыва контактов датчика 1 тлетворное влияние на них ЭДС самоиндукции исключено – ток через диод уходит на «массу».

Подобное применение диодов очень характерно для зарубежных автогигантов «Мерседес », БМВ и т.д. В последнее время в продаже стали появляться готовые колодочки под такие реле – уже с впаянными туда диодом и проводками. Дело лишь за автолюбителем и его фантазией.