Как работает датчик температуры воздуха

Датчик наружной температуры воздуха: устройство, расположение и точность вычислений

Нет ли ошибки в показателях датчика температуры наружного воздуха?

В большинстве современных автомобилей помимо температуры двигателя можно сегодня встретить еще один температурный показатель. Речь идет о температуре на улице. Вы обращали внимание, что иногда температура воздуха, которая показывается на приборной панели или информационно-развлекательном дисплее, резко меняется? Задумывались ли вы о правдивости данной температуры?

А знаете ли вы, где находится внешний термометр в машине? Интернет-издание 1gai.ru объясняет тайну датчика температуры наружного воздуха в автомобиле.

Датчик температуры наружного воздуха часто фиксируется в задней части переднего бампера.

Датчик наружной температуры Prius установлен сразу за номерным знаком, внутри бампера, примерно в 30 см от земли.

Сначала давайте узнаем, где чаще всего устанавливается температурный датчик, который измеряет температуру наружного воздуха.

Возьмем для примера такие автомобили, как Toyota.

Например, у автомобилей Toyota Prius и Toyota Aqua датчик температуры расположен на нижнем конце передней панели бампера, ниже конца радиатора, на высоте около 30 см от земли по направлению к внешней периферийной решетке. В Toyota Sienta датчик расположен почти на этом же месте: в нижней правой части передней решетки радиатора, на высоте 30 см от земли, только в отличие от Toyota Prius и Toyota Aqua сдвинут вправо.

В случае с автомобилями Toyota нет большой разницы в монтажном положении температурного датчика, неважно, о какой модели идет речь (седаны, гибриды, внедорожники и т. д.). Почти всегда этот автокомпонент в основном устанавливается между внутренней частью передней решетки радиатора и радиатором.

Обратите внимание на датчик температуры воздуха на правой стороне бампера, вокруг внутренней части

Так как датчик температуры воздуха расположен близко к подкапотному пространству, на него, вероятно, влияет тепло двигателя. Но на самом деле такие датчики расположены таким образом, чтобы наружный воздух в достаточной степени оказывал на них существенное влияние.

Например, когда автомобиль находится в движении, влияние тепла двигателя минимально, так как на температурный датчик воздействует окружающая среда. То есть этот датчик предназначен для контроля температуры наружного воздуха, только когда автомобиль находится в движении. Когда автомобиль долгое время стоит на месте с заведенным мотором, показания температуры воздуха могут существенно отличаться от реального значения.

А как насчет, например, автомобилей Volkswagen? На наш запрос представитель компании ответил, что в основном все автомобили бренда имеют датчик температуры воздуха в задней части переднего бампера.

Кстати, благодаря этому датчику в автомобилях Volkswagen работает система предупреждения об образовании гололедицы на улице. Тем, кто не знает, напомним, что это система предупреждения водителя, информирующая об опасности замерзания поверхности дороги. Как правило, при падении температуры до 4 градусов по Цельсию в машине раздается предупреждающий сигнал, а на дисплее приборной панели (в зависимости от типа транспортного средства) отображается предупреждение об опасности гололедицы.

Кстати, сигнал тревоги издается, например, когда температура с минусовым значением поднимается выше нуля градусов, но не превышает 4 градусов по Цельсию. Но как только температура наружного воздуха становится более 4 градусов, система предупреждения об опасности замерзания дороги прекращает информировать водителя об опасности.

Насколько велика разница между обычным уличным термометром и наружным датчиком температуры воздуха в автомобиле?

Температура капота была измерена и достигла 81,0 градусов.

Датчик наружной температуры автомобиля в то же время показал 40,0 градусов. Если асфальт новый и слишком черный, температура, которая отображалась на дисплее в машине, была бы немного выше.

Вот пример эксперимента, который был проведен блогером из Японии. 18 августа 2019 года, когда была зафиксирована самая высокая этим летом температура в Токио (среднее значение 35,2 градуса), автовладелец решил сравнить показатели температуры воздуха, которые показывали ручной электронный градусник и автомобильный датчик температуры. В момент замеров автомобиль черного цвета стоял на асфальтированной парковке под солнечными лучами (машина простояла с 12:00 до 14:00).

Температура наружного воздуха, которую показал электронный термометр, составляла 38,8 градуса. Спустя два часа автоблогер замерил температуру на поверхности капота, которая составила 81 градус. Так нагрелся на солнце капот черного цвета. Затем автолюбитель включил зажигание и посмотрел, какую температуру показывает температурный датчик. Его значение составило 40 градусов.

Как видите, разница огромна. Даже с учетом официальных данных о погоде в тот день температурный датчик имеет довольно-таки большую погрешность, не говоря уже об огромной разнице между температурой на поверхности капота и температурой, зафиксированной автомобильным датчиком температуры воздуха.

Разница между реальными значения температуры воздуха и датчиком зависит в первую очередь от асфальтового покрытия. Есть асфальт с сильным отражением солнечных лучей. В этом случае температура на дисплее машины может не иметь ничего общего с реальным значением температуры воздуха. Как правило, температура на приборной панели немного выше реальных значений. Особенно когда машина стоит на месте с включенным двигателем и кондиционером. Но как только вы начинаете движение, разница в температуре уменьшается при попадании ветра на датчик.

Датчик температуры наружного воздуха устанавливается в основном в передней решетке радиатора или под передним бампером в таком месте, чтобы предотвратить воздействие тепла от двигателя и кондиционера. Также, как правило, датчик расположен так, чтобы не подвергаться прямому воздействию солнечных лучей.

Что касаемо высоты, чтобы нивелировать воздействие тепла, исходящего от земли, датчик обычно располагают примерно на 30 см над дорожной поверхностью. При таком расположении датчик должным образом воспринимает движущийся ветер во время движения машины. Также месторасположение температурного датчика удобнее для простой конструкции проводки.

Кстати, попутный ветер, который воздействует на датчик во время движения транспортного средства, играет важное значение для точного измерения температуры. Дело в том, что, несмотря на то что датчик расположен на 30 см от земли, тепло от земной поверхности влияет на конечные показатели температуры. Благодаря попутному ветру это влияние уходит. Именно поэтому в большинстве автомобилей температурный датчик устанавливается как можно в более высоком месте, например как можно ближе к нижнему краю передних фар.

Обратите внимание, что в некоторых автомобилях датчик температуры воздуха может быть установлен в неприметной части зеркала, но это, как правило, исключение.

Как температурный датчик в машине сообщает температуру воздуха на приборную панель?

Итак, датчик в передней части машины определяет температуру воздуха, но как он передает данные на приборную панель? Дело в том, что датчик температуры наружного воздуха является функциональным автокомпонентом, который работает с устройством под названием «Термистор», фиксирующим изменение температуры воздуха на улице.

Этот элемент использует свойство полупроводника, заключающееся в том, что его электрическое сопротивление изменяется с небольшим изменением температуры. Например, это устройство используется для работы автоматического климат-контроля, который в зависимости от температуры наружного воздуха регулирует выставленную в салоне температуру.

Термисторы, используемые в автомобилях, называются термисторами с отрицательным температурным коэффициентом. Когда температура повышается, значение сопротивления уменьшается, а изменение температуры и значения сопротивления практически равны, поэтому оно используется для датчика температуры.

Кроме того, термистор PTC (положительный температурный коэффициент) используется в качестве датчика для обнаружения повышения температуры, поскольку значение сопротивления быстро увеличивается при достижении определенной температуры. Устройство отображения в автомобиле измеряет ток, протекающий от термистора PTC, предусмотренного в датчике наружной температуры, и отображает его как наружную температуру.

Не беспокойтесь об ошибке температуры

Внешний термометр, отображаемый на приборке, показывает температуру на улице в каждый момент времени в зависимости от ситуации, в которой находится автомобиль. Если вы продолжите движение по шоссе в течение длительного времени, температура упадет, а если вы припарковались на стоянке, где асфальт отражает тепло и солнечные лучи в течение длительного времени, температура будет иметь тенденцию повышаться.

Лучше не слишком беспокоиться о температуре наружного воздуха и погрешности плюс-минус 3 градуса. Однако, если имеется значительное отклонение, например в 5 градусов или более, существует вероятность сбоя датчика, поэтому, пожалуйста, проведите диагностику. И помните, что значения температуры наружного воздуха вам необходимы не в качестве обычной функции комфорта.

Датчик температуры наружного воздуха встроен в ваш автомобиль для того, чтобы вы знали, какую температуру комфортнее всего выставить в салоне. Напомним, что для оптимального климата в салоне и более эффективного расхода топлива не следует выставлять на климатической установке слишком большую разницу между температурой наружного воздуха и температурой в салоне. Оптимально, когда разница составляет 3-5 градусов.

Виды датчиков температуры и особенности их применения

Проконтролировать степень нагрева любого объекта независимо от его агрегатного состояния помогают специальные устройства — датчики температуры. Их принцип работы и исполнение могут существенно отличаться. Это позволяет подобрать оптимальный вариант в зависимости от преследуемых целей. Зная для чего предназначено устройство, стоит разобраться, как подключить прибор, чтобы он позволил снимать показатели с заданной точностью.

Основные разновидности

Чтобы было проще выбрать подходящую модель, стоит рассмотреть основные виды датчиков температуры, разобраться с их устройством и конструктивными особенностями. Это позволит определиться с наилучшим решением для конкретной ситуации.

Термопара

В состав температурного датчика входят две проволоки, изготовленные из разных металлов. Концы этих проволочек образуют контакт, формируемый посредством скручивания, сваркой встык либо путем формирования узкого сварного шва. Этот контакт называют горячим спаем.

К свободным концам крепятся компенсационные провода, используемые для присоединения измерительного прибора либо автоматического устройства управления. Контакт, образующийся в этих точках соединения, называют холодным спаем.

Когда концы проводов оказываются в зонах, нагретых до различной температуры, внутри термодатчика формируется электрический ток. Его сила напрямую зависит от материалов, которые использовались при изготовлении термопары, и может варьироваться в широком диапазоне.

Наибольшее распространение получили термопары:

• Хромоалюминиевые;
• Железоникелевые;
• Медно-константановые и другие.

Внимание! Стоимость термопары напрямую зависит от вида материала, который использовался для изготовления проволок.

Термопара позволяют определять температуру с достаточно высокой точностью. Однако получить искомый параметры бывает достаточно сложно. Принцип работы датчика предполагает наличие разности температур между разъемами. Используется так называемый термоэлектрический эффект. Горячий спай должен находиться внутри вещества, степень нагрева которого предстоит проконтролировать. Холодный — в окружающей среде.

Терморезисторы

Для подобных приборов характерен более простой принцип работы. Они используют зависимость сопротивления материала от степени нагрева окружающего воздуха. Делятся на отрицательные (NTC) и положительные (PTC). Наибольшую точность демонстрируются температурные датчики, для изготовления которых использовалась платина.

Параметры работы терморезисторов определяются двумя характеристиками:

• базовое сопротивление;
• температура, при которой был найден первый параметр.

Согласно ГОСТ базовое сопротивление должно определяться при 0 °С с использованием нескольких номинальных сопротивлений и температурным коэффициентом, зависящим от значения сопротивления при искомой и нулевой температуре. Для расчета используется специальная формула.

В нормативном документе также можно найти табличное значение температурного коэффициента для термопар, изготовленных из никеля, платины и меди, и коэффициенты полинома, позволяющие рассчитать температуру объекта в зависимости от действительного значения сопротивления.

Проблемой терморезистора считается низкий температурный коэффициент сопротивления. Порядок использования напрямую зависит от комплектации конкретной модели. Базовые включаются в цепь с источника и контролируемого дифференциального напряжения. Для более точного определения предпочтительно использование аналого-цифровых преобразователей. При наличии в датчике аналогового выхода оцифровка значение осуществляется путем подключения терморезистора к преобразователю.

Комбинированные

В состав устройства входит несколько проводников, формирующих единое устройство. У некоторых моделей имеется встроенный цифровой интерфейс. К комбинированным датчикам прибегают, если надо подключить устройства параллельно. Такое устройство позволяет произвести расчеты с погрешностью в 2 °С. Однако необходимо оптимизировать интерфейс.

Цифровые

Имеют трехвыводную микросхему. Для считывания показателей используются несколько датчиков, работающих параллельно. Они снимают показания с достаточно высокой точностью. Около 0.5 °С. Могут эксплуатироваться в широком температурном диапазоне. Однако для получения искомого значения необходимо много времени, порядка 750 секунд. Уменьшить время можно путем регулировки параметров.

Бесконтактные

В состав устройства входит тонкая пленка, нагреваемая под воздействием инфракрасных лучей. Такие термодатчики устанавливаются внутрь пирометров, позволяющих определить степень нагрева объекта на расстоянии. Это актуально при измерении температуры тел, разогреваемых до достаточно высокой температуры. В такой ситуации использование контактных устройств становится невозможным. Однако точность показаний в этом случае остаточно низкая.

Существуют также бесконтактные датчики для измерения степени нагрева металла. Благодаря такому прибору, подключенному к специальному оборудованию, удается проконтролировать состояния сплава, нагретого до температуры более 1000 °С. Это подходящий вариант для литейных и прокатных предприятий, кузнечнопрессового производства и ряда специализированных предприятий, занимающихся выпуском огнеупорных материалов.

Кварцевые

Актуальны для объектов, уровень нагрева которых выходит за стандартные значения. Они востребованы, если температура колеблется в интервале от −80 °С до 250 °С. Их принцип работы основан на использовании частотной зависимости. Может выполнять несколько функций, зависящих от расположения среза по осям кристалла.

Для датчиков кварцевого типа характерна высокая стабильность, разрешение и точность определения искомого параметра. Считаются более предпочтительными при измерении искомого параметра. Чаще всего устанавливаются внутрь цифровых термометров.

Шумовые

Позволяет снять показания, используя разность потенциалов на резисторе. Последняя зависит от степени нагрева устройства. Для использования подобного прибора надо знать одну из температур. Сравнивая два полученных шума, от известной и найденной температуры, определяются искомый параметр.

Благодаря принципу работы такого датчика можно менять температуру в интервале от −270 °С до +1100 °С. При этом имеется возможность изменения показателей в термодинамике, однако реализовать данный способ на практике достаточно сложно.

Ядерного квадрупольного резонанса

Биметаллический терморегулятор использует момент ядра, образующегося при отклонении заряда от симметрии сферы и градиент поля тока решетки кристалла. На частоту влияет градиент поля решетки, который может меняться в достаточно широком диапазоне в зависимости от вещества. Чем выше степень нагрева объекта, тем выше частота.

ЯКР образует ампулу, внутрь которой помещено вещество. Она помещается внутрь обмотки индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. При совпадении частот энергия, излучаемая генератором, поглощается. Если измерения производятся на морозе, погрешность составляет 0.02 градуса. При нагреве до 27 °С точность измерения повышается. К преимуществам стоит отнести стабильность показателей. Однако преобразующая функция является нелинейной.

Объемные

Биметаллическое устройства в своей работе использует способность материала расширяться и сжиматься при изменении температуры. Диапазон действия напрямую зависит от стабильности материала. Температура может варьироваться от −60 °С до +400 °С. Погрешность варьируется в интервале 1–5 %.

Если устройство используется для измерения степени нагрева жидкости, точность измерения повышается и погрешность снижается до 1–3 %, зависит от среды. На интервал работы также влияет температура, при которой закипает либо замерзает жидкость.

Канальный

К данному типу относятся все цифровые модели, использующие для передачи сигнала каналы. Канальность устройства зависит от количества задействованных «магистралей». У одной модели может быть один канал, у другой три.

Назначение

Необходимость в использовании датчиков, контролирующих температурные параметры, может возникнуть в различных ситуациях. Это универсальные приборы используются повсеместно на предприятиях, где стабильность температурных параметров способно нанести вред качеству выпускаемой продукции либо повлиять на технические характеристики эксплуатируемого оборудования.

Их активно подключают на предприятиях нефтегазового и энергетического комплекса, обеспечивается реализация технологических процессов на литейном, машиностроительном, прокатном производстве, при изготовлении металлоконструкций и выполнении механической обработки. Они незаменимы в транспортной индустрии, на предприятиях пищевой промышленности, в фармацевтики, сельском хозяйстве.

• контролирует протекание химических реакций;
• проводятся научные исследования;
• обеспечивается поддержание степени нагрева обрабатываемого изделия в заданном диапазоне;
• поддерживаются оптимальные температурные параметры в различных узлах автомобильного и железнодорожного транспорта;
• создаются нужные условия для обработки зерна и при производстве комбикорма;
• измеряется температура конкретного объекта с заданной точностью;
• реализуется обратная связь, благодаря которой удается избежать преждевременного выхода оборудования из строя.

Внимание! Термопары могут не только использоваться для контроля температуры, но и выступать в качестве источника энергии.

Как выбрать

Чтобы определиться с тем, какой датчик для измерения температуры нужен, стоит учесть ряд параметров. При правильном подборе, удастся обеспечить комфортную работу прибора. Внимания заслуживает:

• Рабочая температура. Устройства конкретного типа ориентированы на использование в определенном температурном диапазоне. При этом учитывается погрешность, с которой определяются результаты. При небольших перепадах, можно воспользоваться термисторами. Если эксплуатация будет производиться в достаточно жестких условиях, стоит выбрать приборы шумового типа;
• Условия проведения замеров. Схема подключения может отличаться. Одни устройства позволяют поместить термометр внутрь материала, другие допускают измерения только снаружи. Радиационные модели позволят снять показания через преграду. При наличии агрессивной среды предпочтительны модели в коррозионно-стойком корпусе либо выносные датчики бесконтактного типа;
• Время до замены либо калибровки. Зависит от условий работы. Датчик температуры воздуха может эксплуатироваться в обычных условиях, при повышенной влажности, пожароопасности, в условиях окислительной среды. Если калибровка невозможна, устройство придется заменить;
• Величина выходного сигнала. Его параметры должны соотноситься с возможностями электроприборов и учитывать порядок дальнейшей обработки. Параметры выходного сигнала зависят от показателей температуры, которые в дальнейшем будут преобразованы в энергию.
• Погрешность. Для измерения показателей с высокой точностью потребуется больше времени. Наибольшей точностью обладают цифровые модели датчиков, измеряющих температуру воздуха в помещении. Биметаллический термометр, использующий принцип ЯКР, позволяет снять показания быстрее прочих аналогов;
• Разрешение. Влияет на точность производимых измерений. При работе в малом режиме 0.5 °С, в максимальном — 0.625 °С;
• Напряжение. Сопротивление резистора существенно влияет на выходное напряжение. Последнее бывает линейным и нелинейным. Температура объекта влияет на эталонные величины, устанавливаемые на выводах термометра каждого датчика;
• Время сработки. Влияет на скорость получения замеров. Быстрые замеры получаются с большой погрешность. Если требуется точность, придется пренебречь временем срабатывания.

Где купить

Различные датчики всегда можно купить в близлежащем специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Порядок подключения

Схема подключения датчика температуры может существенно отличаться. Все зависит от того, какой разновидности отдано предпочтение. Прежде чем приступить к монтажу, надо определиться с требуемой точностью и назначением прибора. Если он будет использоваться для контроля температуры воздуха внутри помещения, потребуется одна схема. Если понадобиться измерить степень нагрева вещества, придется воспользоваться другой.

Как подключить кремниевый

Для подключения датчика температуры кремниевого типа может использоваться схема:

• 2-х проводная. Актуальна при отсутствии повышенных требований к высокой точности, так как в этом случае к измеренному сопротивлению добавляется сопротивление присоединенных проводов. Это существенно увеличивает величину дополнительной погрешности;
• 3-х проводная. Установка датчика температуры по данной схеме позволяет повысить точность. Такое подключение допускает измерение сопротивления проводов, а затем вычесть полученное значение из измеренного;
• 4-х проводная. По такой схеме устройство подключается таким образом, чтобы полностью исключить влияния подводящих проводов. Это позволяет избавиться от дополнительной ошибки и существенно повысить точность контроля.

Как подключить термопару

Для подключения холодных концов используются компенсационные провода либо монтаж производится напрямую к клеммам аналогового входа. При этом важно соблюдать полярность на входе в промышленный контроллер, используемый для программной компенсации температуры холодного спая и последующего расчета температуры в заданной точке.

Внутреннюю компенсацию выполняют с использованием температуры модуля, используемого для подключения термопары. Для точной внешней компенсации температуру холодного спая контролируют дополнительным термометром сопротивления, подключаемым к специальному входу.

Как воспользоваться бесконтактным устройством

У датчиков температуры бесконтактного типа есть особенность определения степени нагрева устройства. Непосредственное подключение в этом случае не требуется. Устройство приближается к контролируемому объекту и обеспечивается его совмещение с соответствующим датчиком. Это оказывает существенно влияние на конечный результат, который во многом зависит от опыта и знаний специалиста, производящего измерения. Если поменяем бесконтактное устройство на контактную модель, точность увеличится.

На схеме, приводимой в инструкции к конкретному устройству, указан порядок подключения и последующей эксплуатации датчика температуры. Прежде чем приступить к монтажным работам, стоит с ней тщательно ознакомиться, чтобы избежать типовых ошибок, допускаемых неопытными пользователями при самостоятельном выполнении монтажных работ.

Терморегулятор с датчиком температуры воздуха: как стать повелителем погоды дома

Для комфортного проживания человеку требуется создание оптимальных микроклиматических условий. Именно поэтому для обогрева любого типа помещений требуется грамотный и правильный подход. Всё чаще популярность приобретают индивидуальные системы, позволяющие устанавливать необходимые температурные режимы. Для осуществления контроля над этими параметрами требуется применение специального устройства – терморегулятора с датчиком температуры воздуха. Материал от редакции Homius познакомит читателя с этим прибором, расскажет о том, какие разновидности бывают, и представит обзор популярных моделей с ценами и отзывами реальных покупателей.

Что такое терморегулятор с датчиком температуры воздуха в помещении

Это устройство представляет собой электронный прибор, назначением которого является автоматическое управление температурными режимами отопительного или охлаждающего оборудования. Основной задачей регулятора температуры воздуха в помещении является поддержание заданной величины этого параметра теплового носителя в соответствии с пожеланиями владельца. Большая часть представленных на рынке устройств предполагает первоначальную ручную настройку нужных показателей комнатной температуры или режимов работы теплоносителя с дальнейшим автоматическим поддержанием.

Основные функции термореле с регулировкой температуры

Основной функцией работы данного устройства является поддержание заданных пользователем параметров температуры, которые могут варьироваться от -40ºС до +140ºС.

Простые механические модели не имеют такого разнообразия вариаций температурных показателей

Основным отличием термореле с выносным датчиком температуры от простейшего регулятора является возможность дополнительной настройки всей отопительной системы в соответствии с желаемыми параметрами домашних условий.

Принято выделять три важных свойства, которыми обладают терморегуляторы с датчиком температуры воздуха:

1. Экономия. Наличие системы контроля позволяет отключать питание нагревательного или охлаждающего оборудования, а, при достижении минимального значения установленных показателей, система снова начинает функционировать.
2. Комфорт. Подобный вид устройств позволяет автоматизировать процессы создания оптимального микроклимата в помещении.
3. Безопасность. Присутствие дополнительных датчиков контроля приводит к подаче звукового сигнала при возникновении критической ситуации (перегрев котла или отключение системы отопления вследствие аварии).

Важно! Возможность включения/выключения тепла по заданной программе поможет сэкономить на счетах за электричество.

Надёжность и высокая технологичность подобных устройств делает их удобными для применения не только в квартирах, но также в загородном доме.

Измерение температуры – передача на блок управления – изменение выходных параметров: простейшее описание работы термореле

Принцип действия терморегулятора с датчиком

Вне зависимости от модели и предназначения регулятора, он имеет определённый набор составных компонентов, обеспечивающих его бесперебойную работу и выполнение возложенных задач:

• сильфон или термоголовка. Это небольшой цилиндр, выполненный из гофрированного материала, за счёт чего он имеет способность сжиматься или растягиваться;
• шток, находящийся на сильфоне и оказывающий воздействие на клапан, в соответствии с заданными режимами работы;
• жидкость, газ или парафин, обладающие высокой чувствительностью к малейшим колебаниям температуры.

Сильфоны применяются не только в терморегуляторах, но также во многих областях промышленности и техники

К сведению! Первые климатические системы, которые стали прародителями всех современных устройств по поддержания температуры, впервые были изобретены датскими учёными в 1943 году.

Принцип работы простейшего механического регулятора температуры можно сравнить с аналогичной деталью утюга. Посредством обычного колёсика пользователь выставляет требуемый режим. Но проблема заключается в том, что при таком исполнении не удаётся контролировать дальнейшую работу и добиться автоматизации.

Встроенный датчик накладывает ограничения по месту установки термореле

Именно поэтому требуется добавление ещё одного узла: выносного или встроенного датчика. Это позволяет получать достоверные данные о температуре воздуха или теплоносителя. Исходя из полученной информации, происходит регулировка процессов включения или отключения устройства. Для снижения недостоверности полученных результатов, реле температуры воздуха с датчиком рекомендуется устанавливать вдали от обогревательных приборов или источников тепла.

Резюмируя принцип работы терморегулятора с выносным датчиком температуры воздуха, можно выделить основные моменты:

• встроенный термостат определяет температуру источника;
• датчики фиксируют аналогичные показатели окружающего воздуха;
• полученные данные анализируются в блоке управления;
• происходит корректировка нужных характеристик в соответствии с заданными пользователем параметрами.

Система тёплого пола на основе использования датчиков температуры и регулятора

Виды датчиков для измерения температуры

Вся современная аппаратура оснащается датчиками температуры. Естественно, подобная деталь имеется в терморегуляторе, поскольку основной функцией данного устройства является поддержание заданных параметров микроклимата. Несмотря на то, что все датчики предназначены исключительно для измерения температуры, все они, в зависимости от типа, функционируют по-разному.

Электронные датчики температуры

В эту группу приборов входит сразу несколько разновидностей датчиков: термоэлектрические, терморезистивные и полупроводниковые.

Термоэлектрические устройства известны также под названием термопара. Принцип работы заключается в образовании тока внутри замкнутого контура при изменении температуры в области спайки. При этом, один конец должен располагаться в среде измерения, а второй используется для фиксации значений.

Термопара – простейший тип датчика с большой погрешностью

К сведению! Существенным недостатком подобного метода является большая величина погрешности измерения.

Следующий тип – терморезистивные. Как следует из названия, для получения показателей используется принцип изменения сопротивления проводника при изменении температуры. В качестве последнего применяются платиновые пластины и никелевые контакты. Положительными сторонами является высокая точность измерений и чувствительность прибора.

Терморезистивный датчик прост, удобен и обладает высокой точностью

Последняя разновидность электрических датчиков – это полупроводниковые устройства. Принцип их работы заключается в фиксировании изменений характеристики p-n перехода при колебаниях температуры. Поскольку в данном случае действует правило зависимости, то подобные устройства обладают очень высокой точностью и демонстрируют линейность характеристик во всём диапазоне измерений.

Полупроводниковые датчики демонстрируют максимально высокую точность измерений

Выносные датчики

Наибольшее распространение и практическое применение для домашних целей получили электронные термостаты с выносными датчиками. В отличие от простого измерителя температуры, которое находится непосредственно на реле, присутствие выносной конструкции помогает «снимать» параметры в другом помещении, на расстоянии от самого регулятора. Связь между датчиком и блоком управление осуществляется при помощи кабеля.

Выносной датчик позволяет размещать его на максимальном удалении от блока управления в самых недоступных местах

К сведению! Чаще всего выносные датчики применяются для терморегулятора с розеткой или газовых котлов, поскольку в последнем случае воздействие нагревательного прибора может привести к погрешности измерений.

Прочие типы датчиков

Существует ещё два основных вида датчиков для измерения температуры воздуха или среды. Один из них – это акустические устройства, принцип работы которых состоит в установлении разницы скорости звука при разных показателях температуры. Второй тип бесконтактного термодатчика – пирометр или тепловизор. Его принцип заключается в определении инфракрасного тепла, исходящего от нагретого тела. Подобным способом удаётся получить искомое значение без непосредственного приближения к среде измерений.

Электронная начинка обеспечивает большую вариативность функций терморегуляторов с выносным датчиком

Преимущества и недостатки терморегуляторов с выносными датчиками

Прежде чем купить терморегулятор с датчиком температуры воздуха, следует узнать, какими положительными и отрицательными сторонами обладают подобные устройства. Сразу стоит отметить, что преимуществ больше.

В первую очередь, использование подобного типа позволяет максимально точно определять необходимые показатели температуры, что позволяет эффективно контролировать микроклиматические условия.

Терморегулятор при правильной настройке может стать составной частью «умного дома»

Во-вторых, наличие выносного датчика позволяет устанавливать его в любом удобном месте, там, где закрепление иного устройства контроля не позволит получать достоверные данные.

Терморегуляторы, оснащённые выносными датчиками, благодаря наличию встроенной электроники, практически лишены ошибок в показаниях.

Но это свойство влечёт за собой главный недостаток – подверженность перепадам напряжения, которые могут вызвать сбой программы или выход устройства из строя, особенно, при резких скачках электричества.

Область применения терморегуляторов с датчиком

Датчик температуры воздуха для котла отопления

Подобные устройства актуальны для владельцев загородных домов, которым требуется полный контроль над работой всей отопительной системы, напрямую влияя на её «сердце» — котёл. Очень важно контролировать температурный режим в источнике и контурах. Именно для этих целей применяется измерительный датчик. В данном случае может применяться терморегулятор с датчиком температуры воды, позволяя отслеживать не только её изменение, но также увеличение объёма вследствие нагрева.

Внешний вид термостата для котла неважен, главное, чтобы он работал

Использование подобного устройства позволяет не только контролировать температурный режим работы котла, но также своевременно выявлять проблемы для их оперативного устранения.

Терморегулятор в розетку для бытовых обогревателей

Для использования в качестве температурных регуляторов обычных бытовых приборов применяются реле, подключаемые к розетке. Подобное решение обладает рядом особенностей, в числе которых:

• универсальность, поскольку устройство может подключаться к любой розетке;
• простота использования;
• регулировка в соответствии с требуемыми параметрами;
• возможность создания нужных климатических условий в квартире.

Большая часть подобных устройств может совмещаться с любыми бытовыми приборами или сплит-системами.

Терморегуляторы для тёплого пола

Это одна из разновидностей устройств, которые применяются для получения контроля над температурой тёплого пола. Датчик термостата располагается непосредственно в системе нагревательных элементов пола. А само устройство подключается к электрической сети.

Особенностью данного типа является цикличность работы, что приводит к равномерному прогреванию поверхности пола и дальнейшему нагреву помещений. Также подобным способом удаётся добиться оптимальной экономии энергии.

Представленный на рынке ассортимент позволяет выбрать устройство на любой вкус

Терморегуляторы для инфракрасных обогревателей

Появление инфракрасных обогревателей и их популярность объясняется способностью данных приборов быстро и эффективно прогревать большие по площади помещения. При установке термостата удаётся автоматизировать процесс, задавая требуемые показатели температуры в разных помещениях.

ИК-обогреватель за короткое время может прогреть большое по площади помещение

Установка специальных программируемых регуляторов позволит выставить значения работы на длительный период времени, что очень удобно для людей, имеющих загородную недвижимость, которые не могут ежедневно посещать свой дом.

Кроме того, монтаж терморегулятора позволит экономить на электроэнергии. Если загородный дом не используется зимой, то наличие соответствующей программы позволит просто не допустить его переохлаждения.

Для подключения допускается использовать как механические, так и электрические термостаты. Первый тип отличается длительным сроком эксплуатации, но при его применении не удается добиться разнообразия температурных режимов.

Для банного варианта термостата важна работа при повышенных температурах

Термостаты для сауны и бани

Особенностью термостатов, которые планируется устанавливать в бане или сауне, является их возможность работать при повышенных температурах. Рекомендуется выбирать модели, работающие в пределах от 60ºС до 120ºС. Наличие подобных приборов позволит контролировать показатели в парилке, выставляя нижний и верхний пороги. Возможность включения строго в определённое время также позволит сэкономить электрическую энергию.

Терморегулятор своими руками

Существует возможность сборки простейшего терморегулятора своими руками. Этот вариант рекомендуется тем, кто умеет читать принципиальные схемы и обладает достаточным знанием в электронике, поскольку требует определённой сноровки. Вся работа осуществляется в несколько этапов:

1. Размещение всех необходимых элементов на плате. При пайке необходимо следить за тем, чтобы не повредить иные детали сборки.
2. Протравка токопроводящих дорожек в соответствии со схемой.
3. Проверка работоспособности схемы посредством тестера.
4. Контроль полярности всех составляющих.

К сведению! Тиристоры подбираются опытным путем, чтобы определить максимальную точность порога срабатывания.

Упростить сборку термостата своими руками поможет заказ наполовину готового устройства

Обзор популярных моделей терморегуляторов

На рынке представлено большое количество разнообразных терморегуляторов. В число лучших попали модели, больше предназначенные для домашнего использования, поскольку именно это направление наиболее актуально для большинства пользователей.

Valtec – настоящее итальянское качество

Valtec VT.AC709.0

Устройство итальянского производства, предназначенное для регулировки тёплых полов и радиаторов отопления. В отличие от большинства аналогов, имеет встроенный таймер для задания периодов различных температурных режимов. Имеется как встроенный, так и выносной датчики. Прибор обладает функцией суточного и недельного программирования. Гарантийный срок устройства – 7 лет. Стоимость составляет 2769 рублей.

Electrolux Thermotronic Touch – марка, не нуждающаяся в представлении

Electrolux Thermotronic Touch

Шведская компания предлагает устройство для контроля температуры тёплых полов. Несмотря на то, что термостат изготовлен в Китае, его отличает высокое качество. В меню предусмотрена установка 6 режимов для каждого дня недели. Имеется внутренний и внешний датчик. Диапазон рабочих температур: +5ºС — +90ºС. Стоимость составляет 6990 рублей.

Grand Meyer PST-2 – внешность может быть обманчива

Grand Meyer PST-2

Модель, предназначенная для инфракрасных обогревателей. Обладает большим дисплеем, кнопочным управлением. На каждый день можно выбрать до 6 режимов. Имеется опция блокировки случайных нажатий. При отключении электричества, прибор запоминает последние настройки. Стоимость составляет 1800 рублей.

Teplolux MCS 350 Wi-Fi – управлять температурой с телефона

Teplolux MCS 350 Wi-Fi

Терморегулятор, предназначенный для контроля температурного режима отопительных котлов. Одной из важнейших особенностей является поддержка протокола Wi-Fi и возможность управления со смартфона. Также к числу отличительных признаков можно отнести большой сенсорный экран. Во время бездействия клавиши блокируются. Стоимость устройства составляет 4551 рубль.

Отзыв на Teplolux MCS 350 Wi-Fi:

Подробнее на Отзовик: https://otzovik.com/review_7277358.html

Установка терморегулятора предоставляет возможность получения полного контроля над температурой, на величину которой влияет различное нагревательное оборудование. Приобретение устройства с выносным датчиком позволит повысить точность измерений. Ещё раз узнать о том, что это такое, можно из представленного видео.

Датчики и микроконтроллеры. Часть 2. Климат-контроль

Продолжим рассказ о датчиках и в этой части рассмотрим разнообразные датчики самых востребованных DIY-сообществом типов — это многочисленные датчики температуры и датчики влажности. Кроме того, затронем датчики давления воздуха и присутствия газов. Приведем описание номенклатуры датчиков и сошлемся на полезную литературу.

Содержание

5. датчики температуры

Ни один проект по автоматике системы климат-контроля не обходится без датчика температуры, главная задача которого — с необходимой точностью выдавать температуру требуемого объекта, будь то воздух в помещении, охлаждающая жидкость, прожаренный стейк или расплавленный металл(В климат-контроле, ага).

5.1 Термопары

Генераторные датчики температуры, представляющие собой два проводника различных материалов, спаянные с одного конца друг с другом.
Главное преимущество термопар — их широкий диапазон температур. Ограниченный, по сути, абсолютным нулем и температурой плавления металлов — т. е. способен измерять там. Где другие датчики просто бессильны — от -270 до +1800 градусов цельсия и выше.
Термопары бывают разные и в зависимости от типа используемых материалов имеют различный диапазон рабочих температур.
Их конструкция также зависит от применения. Например, в одной из лабораторий моей родной кафедры валялись вот такие 200-300мм дрыны:

Рисунок 1 Термопара типа К для печей сопротивления
А вот так выглядят всеми известные термопары типа К, которые идут в комплекте с мультиметрами(фото из моей коллекции):

Рисунок 2: Термопары типа К для мультиметров.

• платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R, диапазон -50 +1600 С (9мкВ/С).
• платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S, диапазон -50 +1600 С(6мкВ/С).
• платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B, диапазон 0 +1800 С
• железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J, диапазон -210 +1200 С(52мкВ/С)
• медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т, диапазон -270 +400 С(41мкВ/С)
• нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N, диапазон +270 +1300 С(27мкВ/С)
• хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K, диапазон -270 +1372 С(41мкВ/С).
• хромель-константановые ТХКн — Тип E, диапазон -270 +1000 С(61мкВ/С).
• хромель-копелевые — ТХК — Тип L, диапазон -200 +800 С
• медь-копелевые — ТМК — Тип М, диапазон -200 +100 С
• сильх-силиновые — ТСС — Тип I (не представлена в ГОСТ, есть в википедии)
• вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3, диапазон 0 +1800, (+2500 для А-1) С.

Рисунок 3: Термопара.

Но здесь появляется первая проблема — ЭДС зависит от разности температур между горячим и холодным спаями, поэтому температуру холодного спая следует знать с необходимой точностью, чтобы определить температуру горячего конца.
Проблему добавляет и то, что фактически, точки подключения термопары к измерительной системе также являются точками спая двух разных металлов, что вносит свою погрешность. Поэтому поместим оба холодных конца рядом, дабы выровнять их температуру и будем контролировать ее еще одним датчиком:

Рисунок 4: Программная компенсация холодного спая

В этом случае, измерив с конечной точностью абсолютным датчиком температуры температуру холодного спая мы программно сможем ее скомпенсировать. Почему нельзя сразу воспользоваться одним абсолютным датчиком? Покажите мне еще один датчик, способный измерить температуру расплавленного металла.
Если абсолютного датчика под рукой нет, а измерять надо, возьмем еще одну термопару, подключим ее последовательно в противофазе и поместим в среду, температура которой нам известна — например вода со льдом:

Рисунок 5: Аппаратная компенсация холодного спая

Но на мой взгляд при наличии широкодоступных точных датчиков температуры использовать бачок с тающей водой, требующей постоянного контроля, немного не технологично. Поэтому в документации встречаются варианты термостатированных холодных спаев, в которых с помощью точного термостата поддерживается заданная температура.

Например, генераторы опорного сигнала «гиацинт», стоящие в советской измерительной аппаратуре представляют собой кварцевый резонатор, обмотанный проволокой высокого сопротивления и помещенный в маленький сосуд Дюарда, в котором поддерживается определенная температура. В результате достигается стабильность частоты до 7-8 знака после запятой.

С проблемой относительности разобрались, теперь попробуем снять показания с термопары. И тут нас поджидают еще две проблемы:
Проблема номер раз — термоЭДС измеряется в микровольтах. Например, для термопары типа K температурный коэффициент составляет 41мкВ/градус. Это означает, что милливольтами запахнет только градусов через 25 разницы температур.
Напомню из прошлой части, что 12-разрядный АЦП при опорном напряжении 3,3В имеет чувствительность 800мкВ. т. е. В нашем случае 20 градусов/деление. Неплохая однако погрешность. Конечно нужно учитывать малый рабочий диапазон выходного напряжения термопары и ставить усилители на базе ОУ, или включать усиление в самом АЦП.

Там возникнут другие сложности вроде точности оцифровки АЦП, собственных шумов аналоговых трактов ОУ и АЦП и т. п. В последующих главах мы подробно рассмотрим вопрос отношения сигнал/шум, а пока можете почитать книгу Data Conversation Handbook, глава 2
Будем следовать одной истине — использовать прецизионные и малошумящие ОУ и АЦП. В списке дополнительной литературы есть множество различных вариантов схем подключения. Однако одна из наиболее распространенных схем в большинстве массовых измерительных приборов — с использованием терморезистора:

Рисунок 6: Использование терморезистора для компенсации температуры холодного спая

Проблема номер два — термопара нелинейна. Нелинейность выглядит следующим образом:

Рисунок 7: Нелинейность термопары

Но благо все в курсе этой нелинейности, каждые поверенные измерения аккуратно занесли в табличку и высчитали точные коэффициенты полиномов вида:

(1)

Для расчета температуры исходя из значения ЭДС и наоборот:

(2)

Для каждого типа термопары в ГОСТ 8.585-2001 заботливо приведены все необходимые коэффициенты аппроксимирующих полиномов для температур относительно 0 градусов цельсия. Вот список коэффициентов полинома для распространенной термопары типа К:

Рисунок 8: Список полиномов для термопары типа К в диапазоне температур от 0 до 500 градусов цельсия

В принципе, особой проблемы посчитать итоговое значение труда не составит, однако если ваш холодный спай болтается в воздухе при неизвестной температуре — кому это надо?

Как итог — термопара — один из лучших датчиков для точного измерения очень горячих, либо очень холодных вещей.

А в моей любимой книге детства — «Радиоэлектронные игрушки» Войцеховского, можно найти описание конструкции термогенератора, от которого предлагается запитать, например, транзисторный радиоприемник. А на марсе от термогенератора аналогичной конструкции, только самую малость потехнологичнее, питается марсоход Curiosity – На Geektimes есть обзорный пост про РИТЭГи.

Рисунок 9: Темроэлектрическая батарея 0,6В 8мА

Минутка бессмысленной и беспощадной практики.

У нас есть отладочная плата на микроконтроллере ATmega1280, пара термопар и желание измерить температуру с хорошей точностью. И у нас это не получится.
АЦП контроллера — 10-разрядный, минимальное опорное напряжение может быть выставлено в 1,1В.
Тогда чувствительностью АЦП составит:

(3)

Аналоговые входы АЦП позволяют работать в дифференциальном режиме с максимальным усилением в 200 раз. Правда с таким усилением опорное напряжение может быть только 2,56В, да и эффективных остается лишь 7 разрядов. Тогда чувствительность АЦП составит:

(4)

Что примерно в 2,5 раза меньше чем чувствительность термопары типа К(41мкВ). т. е. Теоретически, точность измерительного тракта составит не лучше ± 2,5 градусов. Практически, нам помешают шумы. А их согласно таблице 31-8 датащита целых +-10 знаков — т. е. итоговая точность составит не лучше +-25 градусов. Хе-хе. Это мы еще не учли два полуметровых провода до термопар, отсутствие должной фильтрации аналогового питания и питание всей системы от неплохо шумящего USB. Дай скотче хотя бы в ± 50 градусов уложиться.

Напишем программу, которая будет работать на прерываниях (я набросал ее для одного из комментариев). Средой Arduino воспользуемся как загрузчиком:

Рисунок 10: Натурный эксперимент с двумя термопарами, стаканами и скрепками

Для кипятка вокруг одной термопары и стакана с тающим льдом вокруг другой на выходе сплошная каша со средним значением первых двух строк 124 градуса, что очень даже хороший результат — будем считать что в точность +-25 градусов мы уложились.

Рисунок 11: Сырой вывод данных

Разумеется, практической значимости данная халтурка не представляет и для измерения температуры с помощью термопары нужно использовать более точные АЦП. Хорошим встроенным АЦП обладает к примеру микроконтроллер ADuCM360, причем он рассчитан именно на столь малые входные сигналы. Существуют специализированные внешние АЦП для термопар — например компания Maxim Integrated выпускает несколько микросхем для термопар — MAX31850, MAX31851, MAX31855, MAX31856. Есть драйверы и у компании Analog Devices Бюджетным будет вариант использования предварительных усилителей на малошумящих ОУ для нашего АЦП. У меня хорошие результаты показывал LMP2011.

5.2 Термометры сопротивления и терморезисторы

Как известно, сопротивление металла изменяется от температуры окружающей среды. Этот эффект используется для проведения высокоточных (до тысячных долей градуса) измерений температуры с помощью термометров сопротивления. Будучи сделанным не из металла, а из полупроводника, мы получим терморезистор.

Рисунок 12: Платиновые RTD от Honeywell

1. Базовое сопротивление при определенной температуре. Рекомендуемое — 10, 50, 100, 500, 1000 Ом…
2. Температурный коэффициент сопротивления в тысячных в пропромилле на градус кельвина (ppm/K).

(5)

Таким образом, зная текущее сопротивление терморезистора и зная его ТКС и номинальную температуру, можно вычислить текущую температуру:
(6)

На термометры сопротивления имеется ГОСТ Р 8.625-2006, в котором нормируются термометры из платины (ТКС = 0,00385 и 0,00391), а также из меди(ТКС 0,00428) и никеля (ТКС 0,00617). Номинальным сопротивлением для термометров является сопротивление при температуре 0 градусов. Также как и термопары термометры сопротивления имеют некоторую нелинейность, но в ГОСте заботливо приведены коэффициенты полинома. К слову — гораздо более простые, чем для термопар.
Например, для платинового термометра с ТКС = 0,00385 и диапазона измерений от -200 до 0 градусов будет уравнение вида:

(7)

А для диапазона 0-850 градусов вида:

(8)

Со следующими значениями коэффициентов:

(9)

Одни из популярных — эталонные платиновые термометры серии 700 от Honeywell. Хотя по стоимости платиновые термометры не из дешевых — от 5$ и выше в зависимости от диапазона температур и точности прибора.

Измерить сопротивление можно различными методами. Наиболее простой и рекомендуемый ГОСТ-ом — измерительный мост с источником напряжения. С другой стороны, подключение к источнику тока и использование дифференциального входа АЦП даст линейность измерений.

Рисунок 13: Различные способы подключениях двухпроводных RTD

Процитирую тов Stross из комментариев к предыдущей части:

С другой стороны Ваш АЦП в режимах усиления входного сигнала не должен шуметь как одинокий ручей текущий с горы фудзи трактор
В приложении к разделу есть множество полезных ссылок по подключению RTD и способам повышения точности.
Одна из проблем металлических термометров сопротивления — низкий ТКС, за счет чего необходим измерительный тракт с высокой чувствительностью. Но это лишь конструктивная проблема — измерить сопротивление с высокой точностью в отличие от очень малых токов и напряжений не представляет особого труда.
Если нам не нужна высокая точность и достаточно ±1-2 градусов, то можно воспользоваться полупроводниковыми терморезисторами, имеющими на порядки более высокий ТКС. Например терморезисторы серии KTY84 от NXP имеют ТКС=0,61. С другой стороны термисторы имеют меньший диапазон рабочей температуры порядка -40=300 градусов.
А еще терморезисторы гораздо более нелинейны. Но в датащитах опять таки заботливо приводятся значения ТКС и номинального сопротивления для различных значений температуры:

Рисунок 14: Таблица соответствия ТКС, номинального сопротивления и температуры

По этой таблице не составит особого труда построить кусочно-линейную функцию и использовать ее для определения сопротивления.

5.3 Линейные аналоговые преобразователи

Рисунок 15: линейный аналоговый датчик LM35DZ
Перейдем к более интегрированным решениям. Рассмотрим микросхему аналогового линейного датчика температуры. Эта микросхема подключается к источнику напряжения и дает на выходе аналоговый сигнал, линейно зависящий от температуры с наклоном 10-20мВ/К. Диапазон измеряемых температур намного уже чем у ранее представленных датчиков и составляет в среднем -40+125 градусов. Так как наш простенький 10-разрядный АЦП имеет чувствительность 1мВ, его с лихвой хватит, чтобы считать показания с данного датчика.
Еще одно полезное свойство данных датчиков — их выходное напряжение не зависит от питающего напряжения, которые может изменяться в широких пределах — например, для датчика LM35 от National Semi диапазон питающих напряжений — 4-30В. Точность датчиков — 1-2 градуса. Так выглядит график точности датчика в зависимости от температуры:

Рисунок 16: Точность датчика в зависимости от температуры

Больше про этот датчик особо сказать нечего, так что расходимся.

5.4 Цифровые датчики температуры

Цифровые датчики температуры за своим огромным ассортиментом скрывают удобные интегрированные решения, предоставляющие возможность получать показания температуры в готовом виде посредством цифровых интерфейсов.
Как правило, цифровые датчики температуры подключаются по интерфейсам SPI и I2C. Что касается меня — датчики температуры — это низкоскоростные устройства и тратить на них SPI расточительство.

В качестве примера рассмотрим комбинированный датчик температуры и влажности SHT10:

Рисунок 17: Датчик SHT10 общий вид

Рисунок 18: Погрешность датчика

Но и этот датчик не без косяка — его интерфейс «оптимизирован». Типа для того, чтобы его было удобнее считать. А еще к нему нельзя адресоваться как к I2C устройству.

Благо датчик позволяет подключать себя совместно с другими устройствами и нужно лишь программное переключение протокола общения. На нем остановимся чуть подробнее:

Для старта передачи команды необходимо передать стартовую последовательность:

Рисунок 19: Стартовая последовательность

После стартовой последовательности передается байт команды, состоящий из 0 бит адреса (поддерживается только адрес 000) и 5 бит команды.

Рисунок 20: Список команд

После отправки команды на измерение температуры или влажности, в зависимости от разрядности измерений 8, 12 или 14 бит, процедура измерения займет 20, 80 или 320мс. По завершению процесса измерений датчик притянет линию DATA в ноль и уйдет спать. Как только контроллер получает данный сигнал, путем тактирования линии SCK можно получить два байта данных и байт контрольной суммы(если она активирована), причем по окончанию приема каждого байта необходимо контроллером притягивать землю в ноль. Дапнные передаются с правым вырваниванием, т. е. Для 14-разрядного значения старший бит данных появится только на 5 тик линии SCK. За подробностями отправляю к датащиту.
Датчик температуры имеет линейную характеристику и полученное значение датчика пересчитывается с учетом напряжения питания и наклона характеристики:

Рисунок 21: Расчет температуры

Разумеется, есть датчики температуры с нормальным I2C интерфейсом. Например, LM75A от NXP.

Его диаграмма считывания данных подчиняется базовым принципам I2C:

Рисунок 22: Считывание данных температуры с датчика LM75

Это 11-разрядный датчик, с разрешением 0,125 градуса цельсия, выходные данные хранятся в двух регистрах данных, имеющих определенный адрес. С помощью команд прогтокола I2C для нашего устройства, имеющего адрес 1001XXX (три младших бита выставляются пользователем и позволяют подключать к одной шине до 8 таких датчиков) выставляем указатель адреса регистра с которого начнем производить считывание и с помощью команды чтения считываем два регистра. Полученное знаковое значение умножаем на 0,125 и получаем итоговое значение температуры в градусах цельсия. Удобно.

5.5 DS18B20

Рисунок 23: Цифровой датчик DS18B20

Данному датчику стоит уделить особое внимание. Это 12-разрядный датчик температуры с рабочим диапазоном -55 + 125 градусов цельсия, подключаемый по протоколу 1-wire. Его главное преимущество — этих датчиков можно на одну линию навешать многие десятки штук и все они будут работать. Датчик весьма точный ± 0,5 градуса, однако медлительный — время измерения составляет 750мс.
Внутри датчика 9 регистров, в регистрах 0 и 1 хранится значение измеренной температуры, в регистрах 2 и 3 могут быть использованы как память общего назначения, 4 регистр хранит конфигурацию согласно следующей таблице:

Рисунок 24: Назначение бит конфигурационного регистра

Девятым байтом регистровой памяти идет CRC. Рассчитываемый по следующей формуле на основании первых 8 регистров:

(10)

Для того, чтобы запустить команду вычисления температуры необходимо отправить команду 0x44. По завершению процесса измерения данные будут лежать в первых двух байтах регистровой памяти вплоть до следующего измерения. Считывание 9 байт данных регистровой памяти осуществляется путем подачи команды 0xBE
В целом данный датчик, имея весьма демократичную цену, позволяет, используя длинные линии связи, организовать сеть датчиков, покрывающую ту или иную площадь. Например, можно сеткой разместить датчики в теплице и контролировать температурный градиент внутри нее.

5.6 ИК-датчик температуры

Данный обзор был бы неполным без бесконтактных ИК датчиков температуры. Я вскользь упомянул о нем когда рассказывал о плате CC3200-launchxl — там установлен именно такой датчик.

Рисунок 25: ИК-термодатчик

Эти датчики состоят из тонкой пластинки. Поглощающей ИК излучение, вследствие чего происходит ее нагрев, который детектируется описанными выше термодатчиками. Например в датчике TMP006 от Texas Instruments судя по изображению внутри набор последовательно-включенных термопар, сигнал с которых снимается и преобразуется в цифровой с доступом по I2C. Хозяйке на заметку — этот датчик измеряет температуру от -40 до +125 градусов с точностью ± 1,5 градуса. Я, как обладатель этого датчика на отладочной плате, понемногу с ним играюсь.

Есть и аналоговые решения. Например датчики TPS333 от Excelitas имеют внутри себя встроенный термистор.

Рисунок 26: датчики TPS333 от Excelitas

Наиболее интересны конечно же бесконтактные ИК матрицы, на основе которых делаются тепловизоры. Например датчик D6T-44L-06 от Omron за 35 долларов представляет собой матрицу 4х4 бит, с помощью которой можно измерить температуру от 5 до 50 градусов на расстоянии до 3метров.

Рисунок 27: Область детектирования

Вот тут есть классная видеопрезентация от производителя:

Разрешение датчика конечно так себе, да и диапазон температур не шибко большой, но свою нишу такая матрица имеет, да и цена лично меня порадовала. Можно взять на заметку.

5.7 Дополнительная литература

6 Датчики влажности

Ни одна система климат-контроля не будет полноценной без измерения относительной влажности воздуха, так как от нее зависит комфорт человека, находящегося в контролируемом помещении. Думаю многим знаком график зоны комфорта:

Рисунок 28: Зона комфорта в помещении

В России допустимые значения температуры и влажности в жилых помещениях регламентируются СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях»(Приложение 2).
Задача датчиков влажности — определить относительную влажность воздуха. Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления водяного пара в воздухе к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуры:

(11)
Где — парциальное давление паров воды в воздухе, — равновесное давление насыщенного пара.
Есть несколько способов измерить влажность воздуха.
Конечно же стоит упомянуть классические психрометры — сборка сухого и влажного термометра, по разности показаний которых довольно точно определяется текущая влажность воздуха. Никто не запрещает взять два датчика температуры, один из них снабдить сырой ваткой и на основе их показания вычислять влажность.

Рисунок 29: Психрометр

Далее следуют механические гигрометры, где в качестве чувствительного элементы выступает обезжиренный волос либо полимерная пленка, изменяющие свою длину в зависимости от влажности.

Но нам больше интересны решения с электрическим сигналом на выходе.
Такие сенсоры реагируют на влажность изменением емкости или сопротивления гигроскопичного материала, насыщаемого влагой в количестве, пропорциональном парциальному давлению пара измеряемого воздуха. Широкое распространение получили именно емкостные датчики. Поэтому только их мы и рассмотрим.

Рисунок 30: Структура датчика влажности.

6.1 Датчики влажности с емкостным выходом

Самый простой по своей сути датчик. Представляет собой конденсатор с изменяемой емкостью. Емкость такого конденсатора в первую очередь зависит от влажности. Но не последним показателем является температура воздуха. Например, для датчика серии HCH-1000 от Honeywell чувствительность датчика составляет в среднем 0,6 пФ/%RH. При этом температурный коэффициент составляет 0,16пФ/градус. Наглядно, график изменения емкости выглядит следующим образом:

Рисунок 31: Изменение емкости датчика HCH-1000

В отличие от сопротивления. Емкость измерить гораздо сложнее. Точные профессиональные приборы — измерители иммитанса (RLC-метры) — не самое дешевое оборудование.

Простой способ измерения емкости — определение скорости заряда и разряда RC цепочки. Определяя с необходимой точностью постоянную времени заряда и зная точное сопротивление резистора, мы можем определить емкость конденсатора.

Рисунок 32: заряд конденсатора

Так как наша емкость изменяется в пределах 300-360пФ, для получения постоянной времени в 1-2мс (что будет легко поймать большинством таймеров и АЦП) потребуется сопротивление . При таком методе измерений нам требуется с необходимой точностью измерять текущий уровень заряда конденсатора, а также отмечать время, за которое конденсатор достигнет значения 63,2%. Процедуру для надежности можно повторить несколько раз.

Есть еще один способ, правда менее стабильный: раз мы измеряем период, то пусть у нас будет импульсный сигнал. Пусть емкостной датчик отвечает за частоту генерации сигнала. Изменяется влажность — изменяется выходная частота. На выходе буферного элемента D1.3 будет сигнал, частота которого зависит от емкости нашего датчика. Единственный вопрос к точности пороговых напряжений логических элементов. К слову, точность самого датчика HCH-1000 ±2%.

Рисунок 32: Простой генератор на логике

Не забудем, что для повышения точности показаний необходимо учитывать текущие показатели температуры.

6.2 Датчики влажности с выходом по напряжению

Электронная промышленность уже поработала за нас и создала приборы, выдающие готовый аналоговый сигнал. Примером таких датчиков являются датчики HIH-4010 от Honeywell, с точностью ± 8%.

Рисунок 33: Датчики влажности с выходом по напряжению. Общий вид

Для таких датчиков в датащите указываются графики зависимости выходного напряжения от влажности:

Рисунок 34: Зависимость выходного напряжения датчика от влажности

С подобными датчиками часто поставляется уникальный для каждого экземпляра калибровочный паспорт, в котором указаны значения выходного напряжения для двух различных значений влажности при определенной температуре. Достаточность указать эти данные в программе и мы получаем готовые калиброванные значения датчика.

6.3 Датчики влажности с цифровым выходом

Последним нашим датчиком в этой категории будет цифровой датчик влажности.
Один из них мы уже рассмотрели в секции датчиков температуры — это SHT1x. Однако, существует множество комбинированных датчиков влажности и температуры и честно говоря мне не попадались цифровые чисто датчики влажности, что впрочем неудивительно — одно без другого никуда.

Продолжим наш дискус касаемо расчета влажности с датчика SHT1x. Получаемые с этого датчика необходимо преобразовать. В датащите указаны необходимые формулы:

(12)

И коэффициенты полинома:

Рисунок 35: Коэффициенты полинома для версии V4

Следует отметить, что относительная влажность зависит от температуры и требует корректировки по следующей формуле:

Рисунок 36: Корректировка относительной влажности в зависимости от температуры

7 Датчики давления

Датчик давления — это датчик, регистрирующий давление измеряемой среды, которой может быть воздух, газ или жидкость.

В зависимости от задачи, может потребоваться измерять как абсолютное давление, давление относительно атмосферного давления, и дифференциальное давление — т. е. разницу давлений между двумя точками измерения.

Рисунок 37: Давление.

• миллиметры ртутного столба — mm Hg;
• Паскаль — Па, Pa;
• Фунт-сила на кв. дюйм — Psi
• Бар — bar
• Физическая атмосфера — атм

Датчик давления представляет собой чувствительный элемент, помещенный между двумя камерами — в одной присутствует измеряемое давление, в другой — опорное. В абсолютных датчиках воздействие на кристалл идет только с одной стороны. Рассмотрим схему датчика MPX2100 от Freescale в разрезе:

Рисунок 38: Конструкция относительного и абсолютного датчика давления

На рисунке показан чувствительный элемент, который под разницей давлений изменяет свои свойства. Есть несколько видов чувствительных элементов. Один из самых распространенных — тензорезистивный — изменение сопротивления материала под воздействием деформации. Часто в качестве материала такого датчика берется монокристалл кремния. Одной из проблем является зависимость сопротивления датчика от температуры, но, как правило, во всех датчиках присутствует термокомпенсация.

Другой чувствительный элемент под воздействием давление изменяет свою емкость. В секции датчиков влажности мы уже обсудили, что данный метод проблематичен для последующих измерений, да и датчики давления с емкостным выходом мне ни разу не попались.

Также есть пьезоэлектрический эффект, где чувствительный элемент генерирует напряжение под воздействием определенного давления. У меня кстати есть один такой — он установлен в зарядной станции ЗД-6 комплекта индивидуальных дозиметров ИД-1. Зарядное устройство содержит 4 параллельно соединенных пьезоэлемента и механический усилитель, давящий на пьезоэлементы; давление создается вращающейся ручкой. Он используется для генерации напряжения в 180-250В для заряда дозиметра

Рисунок 39: Измеритель дозы ИД-1

Есть датчики и других типов — индуктивные, резонансные и прочие, но они встречаются в очень промышленных объектах и мы их рассматривать в рамках данной статьи не будем.

7.1 Аналоговые датчики давления

На выходе аналоговых датчиков давления присутствует уровень тока или напряжения, которое необходимо подать на измерительный тракт нашего прибора.
Сделаем небольшое лирическое отступление и упомянем датчики с промышленными уровнями аналогового сигнала 0-10В и 4-20мА, предназначенные для подключения к промышленной автоматике. Суровые промышленные датчики видно сразу:

Рисунок 40: Суровые промышленные датчики давления

Однако схема их включения аналогична всему тому, что было описано в разделе 3:

Рисунок 41: Подключение промышленного датчика

Установив делитель напряжения, либо подобрав шунтирующее сопротивление так, чтобы уровень выходного сигнала соответствовал входному диапазону АЦП, эти датчики можно подключать и к обычным микроконтроллерам.

С датчиками давления построенными по мостовой балансной схеме часто имеется та же проблема, что и с термопарами — многие датчики выдают всего порядка 40мВ на весь свой диапазон. Например вот так выглядит зависимость выходного напряжения от давления для датчика MPX2100:

Рисунок 42: Зависимость выходного напряжения датчика от давления

Так что вооружаемся дифференциальным малошумящим АЦП и вперед.

С другой стороны существуют более удобные, но и более дорогие датчики, имеющие на выходе сигнал 0-5В, или 0-3.3В и подобные в зависимости от напряжения питания.
К таким датчикам относится 40PC от Honeywell:

Рисунок 43: датчик серии 40PC от Honeywell

Оцифровать выходной сигнал такого датчика может любой микроконтроллерный АЦП. Вот только при своей точности в 0,2% его стоимость на рынке — порядка $40-50.

7.2 Цифровые датчики давления

Цифровой датчик давления позволяет получать все данные более технологичным способом. Суть его та же — пьезорезистивный мост, дифференциальный АЦП и интерфейс.

Вот так выглядит внутри MEMS-датчик LPS331 от ST в корпусе 3х3х1мм:

Рисунок 44: Структурная схема датчика давления LPS331

Все цифровые датчики давления имеют встроенный датчик температуры и, соответственно, термокомпенсацию. Чувствительность конкретно этого датчика давления — ± 200Па. Разумеется температуры с этого датчика также доступна, с точностью ± 2 градуса.

Одно из применений датчика давления — это барометрическая альтиметрия — т. е. определение относительной высоты. Как известно, с изменением высоты уменьшается давление воздуха. Так что выставим на земле нулевую высоту и поднявшись ввысь, или опустившись внизь можно определить пройденный путь.
Зависимость давления воздуха от высоты выглядит следующим образом:

Рисунок 45: зависимость давления воздуха от высоты

Для поиграться могу порекомендовать часы-отладочный комплект EZ430‑Chronos от Texas instruments на базе контроллера CC430F6137. На хабре есть описание этих часов
В них встроен цифровой датчик давления Bosh BMP085 стоимостью $4. Он имеет рабочий диапазон 30-110кПа и размеры 5х5х1.2мм.

Рисунок 46: Через несколько минут они покажут 4500. Метров.

8 Датчики присутствия газов

Ранее описанные датчики позволяют измерить то, что мы можем ощутить самостоятельно. Но в воздухе может оказаться еще кое-что, что способно убить нас совершенно незаметно.

Рисунок 47: датчик присутствия газа

Это газ. CO2, CO, метан, пропан, аммиак, водород, этанол, хладагенты и прочие газы., большинство из которых проблематично учуять, но которые приведут к серьезным последствиям.

Датчик определенного типа рассчитан, как правило, только на один конкретный газ, так что если вы хотите контролировать различные газы, то нужно использовать несколько датчиков.

Наибольшее распространение имеют различные датчики FIGARO, так что именно их и рассмотрим на примере датчика угарного газа TGS2442. Чувствительным элементом таких датчиков является оксид олова (SnO2). Датчик имеет многослойную структуру.

Рисунок 48: Структура датчика газа

Сначала идет селективный фильтр, пропускающий целевой газ и уменьшающий влияние других газов. После имеется камера с чувствительным элементом о четырех контактах. Два контакта предназначаются для нагревателя и еще два — для резистора, сопротивление которого зависит от концентрации газа.
Подключение датчика производится следующим образом:

Рисунок 49: Подключение датчика газа

Точность определения концентрации напрямую зависит от точности времени подогрева и времени снятия сигнала. Обе цепи подключаются к питанию на короткое время чтобы предотвратить перегрев чувствительного материала.
На нагреватель подается напряжение в 4.8В каждую секунду, длительностью 14мс. Средний ток нагревателя 200мА. За 5мс до включения нагревателя на 5мс включается схема измерителя и производится замер сопротивления.

Рисунок 50: Цикл работы датчика газов

Итоговая концентрация газа определяется в зависимости от отношения измеренного сопротивления к сопротивлению при концентрации газа 100 пропромилле. Зависимость хорошо видно на следующем графике:

Рисунок 51: Чувствительность к газам. Ro = Rs при 100 ppm CO

PS

Данная часть получилась больше справочной чем практической, но я надеюсь что этот материал поможет в выборе типа датчиков для вашей будущей системы климат-контроля.

В заключительной части цикла про датчики я расскажу о датчиках тока и напряжения, знания о которых мы применим при создании самодельного прибора учета электроэнергии и расчете энергетических параметров. Вопросы анализа частоты, реактивной и активной мощности, коэффициента мощности и гармонических искажений я решил разбить и вынести в отдельный цикл.