Оценка возможности применения микросхемы 1019ЧТ3С в изделиях спецтехники

Введение

В настоящее время во вновь разрабатываемых изделиях спецтехники существует возможность применения как датчиков температуры (ДТ), так и других элементов, только разрешённых межотраслевым ограничительным перечнем (МОП). Применение элементов, не перечисленных в МОП, жёстко пресекается со стороны представительства заказчика.

Номенклатура терморезисторов (ТРМ), согласно МОП, с 2014 года была значительно сокращена, либо переведена в разряд неперспективных, то есть, в новых разработках их использование невозможно.

Применение разрешённых ТРМ типа СТ с положительным ТКС весьма ограничено, поскольку их рабочий диапазон составляет +300…+800°С. Отследить отрицательные температуры с по­мощью ТРМ типа СТ сложно ввиду слабой температурной зависимости (см. рис. 1, кривая 1).

Кроме того, в области положительных температур изменение сопротивления значительно – от десятков до тысячи килоом, а в области отрицательных температур оно составляет от нескольких Ом до 1 кОм. При таком характере температурной нелинейности сопротивления проектирование схемы, линеаризующей выходной сигнал ТРМ во всём температурном диапазоне, является непростой задачей. Поэтому обработка полученного с терморезистора аналогового выходного сигнала возможна двумя способами:

• формированием релейного (дискретно-аналогового) сигнала;
• программной линеаризацией после аналого-цифрового преобразования.

Авторы статьи также исследовали терморезисторы типа ТР (ОЖО 468 224 ТУ). В перечне МОП от 2013 года этот тип ТРМ отнесён к неперспективным. Основными их недостатками являются отрицательный ТКС, нелинейность выходной характеристики (см. рис. 1, кривая 2) и, как следствие, сложность обработки выходного аналогового сигнала и большая погрешность измерений. Более того, уже в ТУ разработчики данного терморезистора заложили погрешность ±20%. Поэтому использование этого ТРМ в качестве чувствительного элемента ДТ нецелесообразно.

Результаты исследований, проведённых авторами с терморезисторами типа СТ и ТР, полностью совпали с выводами, изложенными в литературе [1, 2]. Схемы обработки выходного сигнала, в том числе разновидности моста Уитстона, предложенные в литературе [3], не обеспечивают требуемую точность измерений с ТРМ такого типа, а описанные там же схемы обработки рассчитаны на температурный диапазон максимум до +500°С (в абсолютном измерении).

Таким образом, разработчики аппаратуры для изделий спецтехники столк­нулись с проблемой выбора и применения ТРМ, отвечающего следующим требованиям:

• температурный диапазон измерения –600…+1500°С;
• линейность и пропорциональность результата измерения во всем температурном диапазоне;
• погрешность измерения не более ±10°С;
• малое время реакции на изменение температуры;
• небольшие габариты;
• разрешение к применению в аппаратуре изделий спецтехники.

В перечне от 2013 года появилась микросхема 1019ЧТ3С (АЕЯР.431320. 507 ТУ), которая является термозависимым датчиком тока. На основании анализа ТУ, данная ИС не имеет недостатков, присущих упомянутым выше терморезисторам. Поэтому авторы решили провести испытания ИС и оценить возможности её использования в качестве ДТ, а также в составе законченного преобразователя для изделий спецтехники.

Схемы обработки сигнала ДТ

Выходным сигналом микросхемы 1019ЧТ3С (АЕЯР.431320. 507 ТУ) является ток, линейно зависящий от температуры (см. рис. 2) [4].

Для преобразования тока в напряжение можно воспользоваться классической схемой делителя напряжения (см. рис. 3), в результате чего падение напряжения на резисторе R будет изменяться в зависимости от выходного тока микросхемы [3].

К недостаткам такой схемы можно отнести зависимость её выходных параметров от напряжения питания и стабильности сопротивления резистора. Падение напряжения на резисторе R можно определить по следующей формуле:

где I_ДТ(T) – выходной ток микросхемы 1019ЧТ3С.

При сопротивлении, равном 1 кОм, минимальное падение напряжения составит 200 мВ (при температуре –60°С), а максимальное – 400 мВ (при температуре +150°С), без учёта погрешности микросхемы 1019ЧТ3С. В связи с небольшим значением разности напряжений, необходимо использовать усилитель, который можно построить по дифференциальной схеме.

Учитывая, что результат аналогового преобразования сигнала в дальнейшем планируется подавать на АЦП с диапазоном входного напряжения ±10 В, целесообразно использовать зависимость вида:

где Т – период дискретизации сигнала; n = 0,1…N, T′(nT) – температура в °С; U(nT) – выходное напряжение схемы обработки после выполнения аналого-цифрового преобразования; ε(nT) – погрешность аналого-цифрового преобразования; K₁ – обратная чувствительность в °С /В; K₀ – поправка в °С.

Величины K₁, K₀ определим по следующим формулам:

где U_max , U_min – максимальное и минимальное выходные напряжения схемы обработки; T_max = 150°С – максимальная температура; T_min = –60°С – минимальная температура.

Процесс аналого-цифрового преобразования можно представить в следующем виде:

где Т – период дискретизации сигнала; n = 0,1…N; U(t) – выходное напряжение схемы обработки; ε(t) – суммарная погрешность микросхемы 1019ЧТ3С и схемы обработки; δ(t) – дельта-функция; К – масштабный коэффициент.

Результаты моделирования схемы обработки

Для проведения исследований микросхемы 1019ЧТ3С зависимость (2) была реализована схемой аналоговой обработки, включая смещение выходного напряжения дифференциального усилителя, его масштабирование и суммирование.

Моделирование схемы обработки проводилось в программе Multisim 11.0. Схема модели показана на рисунке 4. Микросхема 1019ЧТ3С представлена переменным резистором R1, обеспечивающим необходимый диапазон регулировки тока, и резистором R16, имитирующим минимальный ток датчика. Операционный усилитель OP1177AR, использованный при моделировании, является аналогом распространённого усилителя ИОУ 544УД2.

Для считывания показаний использовались миллиамперметр U4 и два вольт-метра U3 и U5. По результатам моделирования построены зависимости (см. рис. 5 и рис. 6) выходного напряжения схемы обработки от тока датчика и температуры. Входные сигналы, подаваемые на усилитель, соответствовали параметрам ИС.

Результаты проведённого моделирования следующие:

• подтверждена линейность выходной характеристики исследуемой микросхемы во всем температурном диапазоне, в соответствии с требованиями АЕЯР.431320. 507 ТУ;
• при имитации обрыва датчика выходное напряжение схемы обработки составило –13 В (соответствует отрицательному напряжению питания ИОУ);
• при имитации короткого замыкания выводов микросхемы 1019ЧТ3С выходное напряжение схемы обработки составило +14,6 В (соответствует положительному напряжению питания ИОУ).

Результаты испытаний микросхемы 1019ЧТ3С

Для проведения натурных испытаний микросхемы 1019ЧТ3С был изготовлен макет, на вход которого вместо резисторов R1 и R16 (см. рис. 4) витой парой присоединялся датчик температуры. В качестве источника питания на макетной плате использовался модуль МДМ 7,5-2В1515 фирмы АЕДОН, работающий от лабораторного источника питания +27 В. Это необходимо для имитации реальных условий эксплуатации схемы обработки и датчика температуры.

Температурный диапазон испытаний ±50°С был ограничен возможностями имеющейся климатической камеры, в которую помещался макет схемы обработки вместе с датчиком. Выдержка температуры в контрольных точках составляла 1 ч при постоянном контроле выходных параметров схемы.

По результатам испытаний ИС были сделаны следующие выводы:

• суммарная погрешность измерения схемы обработки и микросхемы 1019ЧТ3С в температурном диапазоне ±50°С не превышает ±2°С (см. рис. 7);
• чувствительность схемы обработки составляет 1 В на 10°С. (см. рис. 8) в том же температурном диапазоне.

Для оценки разброса погрешности измерения ИС 1019ЧТ3С в схеме обработки были проведены испытания трёх микросхем из одной партии при указанных выше условиях. Схема обработки поочередно подключалась к выходам испытуемых микросхем. Результаты испытания представлены на рисунке 9. Они показывают, что погрешность измерения схемы обработки с тремя образцами микросхемы 1019ЧТ3С не превышает ±5°С в температурном диапазоне ±50°С.

В ходе испытаний микросхемы 1019ЧТ3С также получена зависимость выходного напряжения схемы обработки от времени при изменении температуры с заданной скоростью (см. рис. 10). Видно, что показания микросхемы и датчика температуры испытательной камеры (термопары) совпадают с точностью до значения суммарной погрешности микросхемы и схемы обработки.

Вывод

Датчики температуры, построенные на базе микросхемы 1019ЧТ3С (АЕЯР.431320. 507 ТУ), целесообразно использовать при проектировании аппаратуры для изделий спецтехники.

Литература

1. Мэклин Э.Д. Терморезисторы. Радио и связь. 1983.
2. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. Техносфера. 2005.
3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. Додэка. 2005.
4. Микросхема 1019ЧТ3С АЕЯР.431320. 507. Технические условия.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!