Схема подключения датчика температуры охлаждающей жидкости

В этой статье мы обсудим различные типы датчиков температуры и возможность их использования в каждом конкретном случае. Температура — это физический параметр, который измеряется в градусах. Она является важнейшей частью любого измерительного процесса. К областям требующим точных измерений температуры относится медицина, биологические исследования, электроника, исследования различных материалов, и тепловых характеристик электротехнической продукции. Устройство, используемое для измерения количества тепловой энергии, позволяющее нам обнаружить физические изменения температуры известно как датчик температуры. Они бывают цифровые и аналоговые.

Основные типы датчиков

В целом, существует два методы получения данных:

1. Контактный. Контактные датчики температуры находятся в физическом контакте с объектом или веществом. Они могут быть использованы для измерения температуры твердых тел, жидкостей или газов.

2. Бесконтактный. Бесконтактные датчики температуры производят обнаружение температуры, перехватывая часть инфракрасной энергии, излучаемой объектом или веществом и чувствуя его интенсивность. Они могут быть использованы для измерения температуры только в твердых телах и жидкостях. Измерять температуру газов они не в состоянии из-за их бесцветности (прозрачности).

Признаки неисправности ДТОЖ

Датчик для охлаждения жидкости, как и любой другой датчик, может иметь неисправности, которые когда-либо приведут к сбоям в работе мотора.

Основные признаки, которые указывают на поломку устройства:

• повышенный расход топлива;
• плохой выхлоп, когда двигатель в холодном состоянии;
• проблемы запуска двигателя в морозы.

Как правило, если возникают подобные неполадки, то замена датчика не требуется. Возможно, проблема появилась из-за отхода или повреждения контакта, неполадок в проводке или утечке жидкости для охлаждения.

Иногда холодный двигатель троит и «колбасит», а его холостые обороты прыгают с минимальных до максимальных значений в минуту, а через несколько минут или с повторного старта ситуация исправляется.

Такая проблема может образоваться из-за поломки датчика температуры жидкости для охлаждения.

Проверить состояние прибора можно с помощью омметра . При этом вывинчивать его не нужно. Проверяется не его сопротивление, а масса-датчик.

Когда датчик в порядке, то сопротивление стремится к бесконечности, если же он сломан, то сопротивление равно 10 кОм или менее.

Типы датчиков температуры

Есть много различных типов датчиков температуры. От простых контролирующих процесс вкл/выкл термостатического устройства, до сложных контролирующих системы водоснабжения, с функцией её нагрева применяемых в процессах выращивания растений. Два основных типа датчиков, контактные и бесконтактные далее подразделяются на резистивные, датчики напряжения и электромеханические датчики. Три наиболее часто используемых датчика температуры это:

• Термисторы
• Термопреобразователи сопротивления
• Термопары

Эти датчики температуры отличаются друг от друга с точки зрения эксплуатационных параметров.

ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ

Урок о подключении к контроллеру Ардуино интегральных датчиков температуры с аналоговым выходом. Приводится рабочий проект термометра, рассказывается о программной обработке информации с термодатчиков.

Предыдущий урок Список уроков Следующий урок

Этой публикацией я начинаю цикл уроков об измерении температуры в системе Ардуино. Всего планируется 4 урока посвященных различным типам датчиков температуры:

• интегральным термодатчикам с аналоговым выходом — LM35, TMP35, TMP36, TMP37;
• кремниевым термодатчикам серии KTY81;
• интегральным датчикам с цифровым интерфейсом 1-Wire – DS18B20;
• термопарам (термоэлектрическим преобразователям).

В каждом уроке я расскажу:

• коротко о принципе работы и параметрах термодатчиков;
• о схемах подключения термодатчиков к микроконтроллерам;
• расскажу о программной обработке информации с термодатчиков;
• приведу схему термометра на базе платы Ардуино и программное обеспечение для него.

В каждом уроке будет рассмотрен проект термометра на базе контроллера Ардуино работающий :

• в автономном режиме с выводом информации на LED индикатор;
• в режиме связи с компьютером, позволяющем не только отображать текущую температуру, но и регистрировать изменение температуры с выводом данных в графическом виде.

Интегральные датчики температуры с аналоговым выходом по напряжению.

При всем разнообразии этих устройств, им присущи следующие общие качества:

• напряжение на выходе линейно пропорционально температуре;
• датчики имеют калиброванный масштабный коэффициент зависимости выходного напряжения от температуры, дополнительной калибровки не требуют.

Попросту говоря для измерения температуры с помощью датчиков такого типа необходимо измерить напряжение на выходе и через масштабный коэффициент пересчитать его в температуру.

Существует множество термодатчиков, которые можно отнести к этой категории. Я бы выделил следующие типы датчиков температуры:

• LM35;
• TMP35;
• TMP36;
• TMP37.

Это самые распространенные, достаточно точные, недорогие устройства. Я писал статьи об этих датчиках. Можно посмотреть по ссылкам LM35 и TMP35, TMP36, TMP37. Там подробно описаны все параметры, технические характеристики устройств, типовые схемы включения.

Подключение термодатчиков к микроконтроллеру.

Удобнее всего использовать датчики в корпусе TO-92.

Схема подключения для устройств в корпусе TO-92 выглядит так.

По этой схеме будут работать все перечисленные датчики. Информацию о других схемах включения термодатчиков можно посмотреть по ссылкам LM35 и TMP35, TMP36, TMP37.

Основные параметры, различия датчиков.

Принципиальные отличия перечисленных датчиков друг от друга заключается в том, что:

• TMP36 – единственный из перечисленных термодатчиков, способен измерять отрицательную температуру.
• Датчики имеют различные диапазоны измерения температуры.

Речь идет о термодатчиках, подключенных по приведенной выше схеме. Например, есть схема включения LM35, позволяющая измерять отрицательные температуры. Но она сложнее в реализации и требует дополнительного питания. Лучше для отрицательных температур использовать TMP36.

Основные параметры термодатчиков LM35, TMP35, TMP36, TMP37 для этой схемы я свел в таблицу.

У всех термодатчиков напряжение на выходе может быть только положительным, но за счет смещения TMP36 способен измерять отрицательную температуру. Нулевое напряжение на его выходе соответствует температуре – 40 °C, а при выходном напряжении 0,5 В температура будет равна 0 °C. Я считаю TMP36 самыми удобными из аналоговых интегральных датчиков температуры и использую их достаточно широко.

Проект Ардуино термометра на датчиках температуры LM35, TMP35, TMP36, TMP37.

Разработаем термометр, который будет:

• В автономном режиме отображать значение температуры на четырех разрядном семисегментном светодиодном (LED) индикаторе.
• Передавать текущее значение температура на компьютер. Наблюдать его можно с помощью монитора последовательного порта Arduino IDE.
• С помощью специальной программы верхнего уровня (я ее написал): отображать измеренную температуру на мониторе компьютера.
• регистрировать изменение температуры и отображать его в графическом виде.

Схема термометра на базе платы Arduino UNO R3.

К плате Ардуино необходимо подключить:

• четырех разрядный семисегментный LED индикатор в мультиплексированном режиме;
• датчик температуры TMP36 или подобный.

Я выбрал светодиодный индикатор типа GNQ-3641BUE-21. Он яркий, оптимальных для этой задачи размеров. Мы подключали его к плате Ардуино в уроке 20. В этом уроке можно посмотреть документацию на индикатор, схемы подключения. Там же есть описание библиотеки управления семисегментными LED индикаторами.

Схема термометра на базе платы Arduino UNO R3 выглядит так.

LED индикатор подключен к контроллеру в мультиплексированном режиме ( урок 19, урок 20).

Датчик температуры подключен к аналоговому входу A0. Конденсатор C1 – блокирующий питание датчика, R1 и C2 – простейший аналоговый фильтр. Если термодатчик установлен вблизи микроконтроллера, то фильтр можно исключить из схемы.

TMP35, TMP36, TMP37 допускают работу на нагрузку емкостью до 10 нФ, а LM35 – не более 50 пкФ. Поэтому, если датчик соединяется с контроллером длинной линией имеющей значительную емкость, то резистор R1 должен быть установлен со стороны датчика, а конденсатор C2 – со стороны контроллера. Блокировочный конденсатор C1 всегда устанавливается рядом с термодатчиком.

В любом случае в программе контроллера будет реализована цифровая фильтрация сигнала с датчика.

Для проверки я собрал устройство на макетной плате.

Вычисление температуры.

Принцип простой. Для вычисления температуры датчиков LM35, TMP35, TMP37 необходимо:

• Считать код АЦП.
• Вычислить напряжение на выходе датчика как Uвых = N * Uион / 1024, где
• Uвых – напряжение на выходе термодатчика;
• N – код АЦП;
• Uион – напряжение источника опорного напряжения (для нашей схемы 5 В);
• 1024 – максимальное число градаций АЦП (10 разрядов).

Формулы вычисления температуры для разных датчиков при опорном напряжении 5 В выглядят так.

Если используется цифровая фильтрация, то необходимо еще учесть коэффициент для нее. Также надо понимать, что формулы расписаны в виде удобном для понимания. В реальной программе лучше рассчитать постоянную часть формулы заранее и использовать как коэффициент. Об этом подробно написано в уроке 13. Там же информация о чтении и цифровой фильтрации аналогового сигнала.

Программа Ардуино термометра.

Программа должна выполнять следующие функции:

• считывать значения кодов АЦП;
• усреднять их (цифровая фильтрация) для повышения помехозащищенности;
• вычислять температуру из кода АЦП;
• выводить значение температуры на четырех разрядный LED индикатор в формате: знак;
• десятки;
• единицы;
• десятые доли °C.

Разработка программы строится по привычному принципу:

• реализовано прерывание от таймера с периодом 2 мс;
• в нем параллельным процессом происходит: регенерация LED индикатора;
• чтение кодов АЦП и усреднение их значений;
• программные таймеры.

Если Вы читали предыдущие уроки, то все будет понятно.

Должны быть подключены библиотеки MsTimer2.h и Led4Digits.h. Загрузить библиотеки можно из урока 10 и урока 20. Там же есть подробное описание и примеры. По поводу измерения напряжения аналоговых входов можно посмотреть урок 13.

Я сразу приведу скетч программы.

// термометр, датчики LM35, TMP35, TMP36, TMP37 #include #include

#define MEASURE_PERIOD 500 // время измерения, * 2 мс #define ADC_RESOLUTION 4.8828125 // разрешающая способность АЦП, мВ (5000 мВ / 1024) #define OFFSET 500. // смещение выходного напряжения, мВ (для TMP36) #define SCALE_FACTOR 10. // масштабный коэффициент, мВ (для TMP36)

int timeCount; // счетчик времени измерения long sumA0; // переменная суммирования кодов АЦП long avarageTemp; // среднее значение температуры (сумма кодов АЦП, среднее значение * 500) boolean flagTempReady; // признак готовности измерения температуры float temperature; // рассчитанная температура, °C

// тип индикатора 1; выводы разрядов 5,4,3,2; выводы сегментов 6,7,8,9,10,11,12,13 Led4Digits disp(1, 5,4,3,2, 6,7,8,9,10,11,12,13);

void setup() { MsTimer2::set(2, timerInterrupt); // задаем период прерывания по таймеру 2 мс MsTimer2::start(); // разрешаем прерывание по таймеру Serial.begin(9600); // инициализируем порт, скорость 9600 }

void loop() {

if ( flagTempReady == true ) { flagTempReady= false; // данные готовы

// вычисление температуры temperature = ( avarageTemp * ADC_RESOLUTION / 500. — OFFSET ) / SCALE_FACTOR;

// вывод температуры на индикатор if (temperature >= 0) { // температура положительная disp.print((int)(temperature * 10.), 4, 1); } else { // температура отрицательная disp.digit[3]= 0x40; // отображается минус disp.print((int)(temperature * -1 * 10.), 3, 1); } disp.digit[1] |= 0x80; // зажечь точку второго разряда // передача температуры на компьютер Serial.println(temperature); } }

//————————————— обработчик прерывания 2 мс void timerInterrupt() { disp.regen(); // регенерация LED индикатора

// измерение среднего значения темпрературы timeCount++; // +1 счетчик выборок усреднения sumA0+= analogRead(A0); // суммирование кодов канала A0 АЦП

// проверка числа выборок усреднения if ( timeCount >= MEASURE_PERIOD ) { timeCount= 0; avarageTemp= sumA0; // перегрузка среднего значения sumA0= 0; flagTempReady= true; // признак готовности результата } }

Можете загрузить скетч по этой ссылке:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Загружаем, проверяем. Запускаем монитор последовательного порта и проверяем данные на компьютере.

Программа разработана для датчиков TMP36, но ее легко адаптировать под другие типы датчиков. Для этого достаточно изменить значения масштабного коэффициента и смещения, заданные в начале программы операторами #define.

Разрешающая способность и точность термометра.

Разрешающая способность АЦП в нашей схеме 5 В / 1024 = 4,88 мВ.

Разрешающая способность термометра:

• при масштабном коэффициенте 10 мВ/°C (датчики LM35, TMP35, TMP36) равна менее 0,5 °C;
• при масштабном коэффициенте 20 мВ/°C (датчик TMP37) равна менее 0,25 °C.

Вполне приличные параметры.

Что касается погрешности измерения – несколько хуже.

Погрешность измерения самих датчиков составляет:

• не более 0,5 °C для LM35;
• не более 1 °C для TMP35, TMP36, TMP37.

Погрешность измерения АЦП платы Ардуино.

В нашем устройстве мы использовали опорное напряжение 5 В,т.е. напряжение источника питания. В платах Arduino UNO R3 напряжение 5 В формируется на линейном стабилизаторе NCP1117ST50. Характеристики в формате PDF можно посмотреть по этой ссылке NCP117.pdf. Стабильность выходного напряжения этой микросхемы довольно высокая – 1%.

Т.е. общая погрешность измерения термометра составляет не более 2%.

Несколько повысить ее можно измерив напряжение 5 В на плате и задав в параметр разрешение АЦП не 5 В, а более точное значение. У меня на плате напряжение оказалось равным 5,01 В. В моей программе надо исправить:

#define ADC_RESOLUTION 4.892578 // разрешающая способность АЦП, мВ (5010 мВ / 1024)

Применение внешнего источника опорного напряжения для платы Ардуино.

Но есть радикальный способ улучшить, как точность измерения АЦП, так и разрешающую способность. Это применение внешнего источника опорного напряжения.

Самым распространенным источником стабильного напряжения являются микросхемы LM431, TL431 и т.п. Я собираюсь написать статью об этой микросхеме. Пока дам ссылку на информацию – LM431.pdf.

Приведу схему включения LM431 в качестве источника опорного напряжения 2,5 В для платы Ардуино.

В программе надо изменить строку определяющую разрешение АЦП:

#define ADC_RESOLUTION 2.44140625 // разрешающая способность АЦП, мВ (2500 мВ / 1024)

И в setup() подключить внешний источник опорного напряжения:

analogReference(EXTERNAL); // внешнее опорное напряжение

В результате разрешающая способность уменьшится в 2 раза, а стабильность – на порядок. Только все равно, для повышения точности необходимо измерить вольтметром реальное напряжение LM431 и подкорректировать его в программе.

Такая доработка термометра абсолютно необходима, если устройство питается от нестабилизированного источника питания напряжением близким к 5 В, например, от гальванических батарей или аккумулятора. В этом случае о стабильности источника питания говорить не приходится и без стабилизации источника опорного напряжения измерение будет весьма условное.

Программа верхнего уровня для термометра.

Смотреть на бегущие строки чисел в окне монитора Arduino IDE, быстро надоедает. Хочется просто видеть значение температуры. К тому же для практического использования термометра с компьютером должно быть установлено программное обеспечение Arduino IDE. Не на всех компьютерах оно есть. Также людей часто интересует изменение температуры, процесс нагрева или охлаждения в динамике. Хочется иметь возможность регистрировать изменение температуры и отображать его в графическом виде.

Для этого я написал простую программу верхнего уровня, которая:

• отображает текущее значение температуры;
• регистрирует изменение температуры с дискретностью 1 сек;
• выводит информацию об изменении температуры в графическом виде.

Эта программа может быть использована как с термометром из этой статьи, так и для термометров последующих уроков с другими типами датчиков.

Программа работает под управлением операционных систем Windows 95, 98, XP, 7. С остальными — не пробовал.

Установка приложения.

• Загрузите архивный файл Thermometer.zip:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

• Распакуйте его в рабочую папку. Можно оставить папку из архива Thermometer.

Приложение состоит из двух файлов:

• Thermometer.exe – исполняемый файл;
• Conf.txt – файл конфигурации.

Устанавливать программу не надо, просто запускается файл Thermometer.exe.

Подключение термометра к компьютеру.

Обмен данными между компьютером и контроллером осуществляется через COM порт. Порт может быть реальным или виртуальным.

Удобнее всего использовать виртуальный порт, который создает драйвер платы Ардуино. Порт появляется при подключении платы к компьютеру. Запускать Arduino IDE не надо. Номер порта можно посмотреть: Панель управления -> Система -> Диспетчер устройств -> Порты (COM и LPT)

У меня COM5.

Можно подключить компьютер через какой-нибудь мост USB-UART. Я использую модули PL2303 USB UART Board. Как подключить написано в статье о программе Монитор холодильника на элементе Пельтье.

Если на компьютере есть штатный COM порт (интерфейс RS232), то никаких драйверов устанавливать не надо. Для подключения контролера в этом случае необходимо использовать преобразователь уровней RS232 – TTL, микросхемы ADM232, SP232, MAX232 и им подобные.

Вариантов подключения много. Главное, чтобы на компьютере был сформирован COM порт, виртуальный или реальный.

Первый запуск программы.

Перед запуском программы виртуальный COM порт должен быть уже создан на компьютере. А так как порт создается при подключении к разъему платы Ардуино, то это означает, что сначала необходимо подключить плату к компьютеру.

Дальше запускаете программу Thermometer.exe. В файле конфигурации программы записан какой-то COM порт. Программа попытается открыть его при запуске. Если не получится, то она выдаст сообщение с номером ошибочного порта.

Нажмите OK и откроется окно программы. Вместо температуры будут прочерки. Нет данных.

Выберете в меню (сверху) режим выбор порта. Откроется окно выбора.

Задайте номер порта для Вашей платы. У каждого порта написано его состояние. Естественно, необходимо выбирать из портов с надписью “свободен”.

Закройте окно. Выбранный COM порт сохранится в файле конфигурации, и всегда будет вызываться при запуске программы. Задавать порт при каждом запуске программы не надо.

Если плата включена, программа загружена, все работает правильно, то раз в секунду должен мигать кружок-светодиод перед значением температуры. Он мигает при поступлении новых данных.

Регистратор.

В программе существует регистратор, который позволяет наблюдать динамику изменения температуры. Регистратор включается автоматически при запуске программы. Он записывает значения температуры с дискретностью по времени 1 секунда. Максимальное время регистрации 30 000 сек или 8,3 часов.

Чтобы посмотреть результаты записи необходимо нажать закладку меню ”Регистратор”.

Это я паяльником нагрел датчик.

Увеличить фрагмент можно выбором прямоугольной области с нажатой правой кнопкой мыши. Область надо выбирать слева-направо, сверху-вниз .

Выбор мышью области слева-направо, снизу-вверх вернет отображение всей графической информации. Все просто.

Эта программа будет использоваться в следующих трех уроках с проектами измерения температуры датчиками других типов.

В следующем уроке будем измерять температуру с помощью кремниевых датчиков серии KTY81.

Предыдущий урок Список уроков Следующий урок

Поддержать проект

2

Автор публикации

не в сети 1 час

Эдуард

139

Комментарии: 1585Публикации: 161Регистрация: 13-12-2015

Термистор

Термистор — это чувствительный резистор, изменяющий свое физическое сопротивление с изменением температуры. Как правило, термисторы изготавливаются из керамического полупроводникового материала, такого как кобальт, марганец или оксид никеля и покрываются стеклом. Они представляют собой небольшие плоские герметичные диски, которые сравнительно быстрое реагируют на любые изменения температуры.

За счет полупроводниковых свойств материала, термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), т.е. сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Однако, есть также термисторы, с положительным температурным коэффициентом (ПТК), их сопротивление возрастает с увеличением температуры.

График работы термистора

Преимущества термисторов

• Большая скорость реагирования на изменения температуры, точность.
• Низкая стоимость.
• Более высокое сопротивление в диапазоне от 2,000 до 10,000 ом.
• Гораздо более высокая чувствительность (~200 ом/°C) в пределах ограниченного диапазона температур до 300°C.

Зависимости сопротивления от температуры

Зависимость сопротивления от температуры выражается следующим уравнением:

где A, B, C — это константы (предоставляются условиями расчёта), R — сопротивление в Омах, T — температура в Кельвинах. Вы можете легко рассчитать изменение температуры от изменения сопротивления или наоборот.

Как использовать термистор?

Термисторы оцениваются по их резистивному значению при комнатной температуре (25°C). Термистор-это пассивное резистивное устройство, поэтому оно требует производства контроля текущего выходного напряжения. Как правило, они соединены последовательно с подходящими стабилизаторами, образующими делитель напряжения сети.

Пример: рассмотрим термистор с сопротивлением значение 2.2K при 25°C и 50 Ом при 80°C. Термистор подключен последовательно с 1 ком резистором через 5 В питание.

Следовательно, его выходное напряжение может быть рассчитано следующим образом:

При 25°C, RNTC = 2200 Ом;

При 80°C, RNTC = 50 Ом;

Однако, важно отметить, что при комнатной температуре стандартные значения сопротивлений различны для различных термисторов, так как они являются нелинейными. Термистор имеет экспоненциальное изменение температуры, а следовательно-бета постоянную, которую используют, чтобы вычислить его сопротивление для заданной температуры. Выходное напряжение на резисторе и температура линейно связаны.

Подключение датчика DS18B20 к микроконтроллеру

Типовая схема подключения датчиков DS18B20 к микроконтроллеру:

Резистивные датчики температуры

Температурно-резистивные датчики (термопреобразователи сопротивления) изготовлены из редких металлов, например платины, чье электрическое сопротивление изменяется от соответственно изменению температуры.

Резистивный детектор температуры имеет положительный температурный коэффициент и в отличие от термисторов, обеспечивает высокую точность измерения температуры. Однако, у них слабая чувствительность. Pt100 являются наиболее широко доступным датчиком со стандартным значение сопротивления 100 Ом при 0°C. Основным недостатком является высокая стоимость.

Преимущества таких датчиков

• Широкий диапазон температур от -200 до 650°C
• Обеспечивают высокий выход по току падения
• Более линейны по сравнению с термопарами и термосопротивлениями

Термопары

Наиболее часто используются датчики температуры-термопары, потому что они точны, работают в широком диапазоне температур от -200°C до 2000°C, и стоят сравнительно недорого. Термопара с проводом и штепсельной вилкой на фото далее:

Работа термопар

Термопара изготовляется из двух разнородных металлов, сваренных вместе, что даёт эффект разности потенциалов от температуры. От разницы температур между двумя спаями, образуется напряжение, которое используется для измерения температуры. Разность напряжений между двумя спаями называется “эффект Зеебека”.

Если оба соединения имеют одинаковую температуру, потенциал различия в разных соединениях равен нулю, т.е. V1 = V2. Однако, если спаи имеют разную температуру, выходное напряжение относительно разности температур между двумя спаями будет равно их разности V1 — V2.

Полная проверка датчика

Для нее Вам понадобится, опять же, мультиметр и термометр, который можно погружать в воду и показывающий до 100°C. Порядок выполнения:

1. Подсоединяете к контактам датчика провода мультиметра.
2. Опускаете проверяемую деталь и градусник в емкость с водой.
3. Нагреваете воду, отслеживая температуру и показания мультиметра.

Проверка датчика температуры охлаждающей жидкости

Как Вы уже видели из таблицы, сопротивление датчика меняется от температуры. Если они соответствуют таблице – он в порядке. При изменении значений сопротивления не должно быть резких скачков – это тоже признак неисправности. Если у Вас нет подходящего термометра, можно проводить проверку только при кипящей воде, то есть при 100°C. Сопротивление в таком случае приблизительно должно быть равно 180 Ом.