Термометрия: термопары, термисторы, цифровые датчики (DS18B20)

Введение

Измерение температуры — ключевая задача в промышленности, науке, медицине и быту. От точности термометрии зависят:

• безопасность технологических процессов;
• качество продукции;
• энергоэффективность;
• достоверность научных экспериментов;
• комфорт и здоровье людей.

В статье рассмотрены:

• физические принципы температурных датчиков;
• устройство и характеристики термопар, термисторов и цифровых датчиков (на примере DS18B20);
• схемы подключения и обработки сигналов;
• сравнительный анализ методов;
• практические рекомендации по выбору и эксплуатации.

1. Основные методы измерения температуры

1.1. Контактные методы

• Термометры расширения (жидкостные, биметаллические).
• Терморезистивные датчики (термометры сопротивления, термисторы).
• Термоэлектрические датчики (термопары).
• Полупроводниковые датчики (аналоговые и цифровые).

1.2. Бесконтактные методы

• пирометры (измерение теплового излучения);
• тепловизоры.

В фокусе статьи — контактные электронные датчики, сочетающие точность, быстродействие и удобство интеграции в системы автоматики.

2. Термопары: принцип, типы, применение

2.1. Физический принцип

Эффект Зеебека: в цепи из двух разнородных металлов возникает ЭДС, пропорциональная разности температур спаев:

E=S⋅(T1​−T0​),

где:

• E — термоЭДС (мВ);
• S — чувствительность (мкВ/°C), зависит от пары материалов;
• T1​ — температура горячего спая (измеряемая);
• T0​ — температура холодного спая (опорного).

2.2. Конструкция

• Горячий спай — точка измерения (сварка, пайка, скрутка).
• Холодный спай — место подключения к измерительному прибору.
• Компенсационные провода — для удлинения цепи без внесения погрешности.

2.3. Типовые термопары

Тип	Материалы	Диапазон °C	Чувствительность (мкВ/°C)	Особенности
K	Хромель‑алюмель	–200…+1350	~41	Универсальные, недорогие
J	Железо‑константан	–210…+1200	~55	Высокая чувствительность
T	Медь‑константан	–250…+400	~43	Для низких температур
E	Хромель‑константан	–270…+1000	~68	Высокая ЭДС
N	Нихросил‑нисил	–270…+1300	~39	Стабильность при высоких T
S, R	Платина‑платинородий	0…+1700	~10	Высокая точность, стойкость к окислению

2.4. Схемы подключения

1. Прямое измерение — термоЭДС подаётся на вольтметр (требуется компенсация холодного спая).
2. Компенсация холодного спая (CJC — Cold Junction Compensation):
   • встроенный датчик температуры в разъёме;
   • программная коррекция по эталонному термометру.
3. Усилитель сигнала — для повышения разрешающей способности.

2.5. Преимущества и недостатки

Плюсы:

• широкий диапазон температур;
• механическая прочность;
• быстродействие;
• возможность измерений в агрессивных средах.

Минусы:

• низкая чувствительность (мВ/100 °C);
• нелинейность характеристики;
• необходимость компенсации холодного спая;
• дрейф из‑за диффузии металлов.

3. Термисторы: типы, характеристики, схемы

3.1. Физический принцип

Термистор — полупроводниковый резистор с сильной температурной зависимостью сопротивления. Различают:

• NTC (Negative Temperature Coefficient) — сопротивление падает с ростом температуры;
• PTC (Positive Temperature Coefficient) — сопротивление растёт с ростом температуры.

3.2. Уравнение Стейнхарта‑Харта (для NTC)

T1​=A+B⋅ln(R)+C⋅[ln(R)]3,

где T — температура (К), R — сопротивление (Ом), A, B, C — коэффициенты, определяемые калибровкой.

Для упрощённых расчётов используют β‑модель:

R(T)=R0​⋅eβ(T1​−T0​1​),

где R0​ — сопротивление при T0​ (обычно 25 °C).

3.3. Характеристики NTC‑термисторов

• Диапазон: –50…+300 °C (зависит от материала).
• Чувствительность: –3…–6 %/°C (значительно выше, чем у термопар).
• Номинальное сопротивление: 1 кОм…100 кОм.
• Время отклика: 1…10 с (в воздухе), 0,1…0,5 с (в воде).
• Точность: ±0,1…±1 °C после калибровки.

3.4. Схемы включения

1. Делитель напряжения:Uвых​=Uпит​⋅Rтерм​+Rопор​Rтерм​​. Сигнал оцифровывается АЦП.
2. Мост Уитстона — для повышенной линейности и чувствительности.
3. Генератор на RC‑цепочке — частота зависит от Rтерм​.

3.5. Преимущества и недостатки

Плюсы:

• высокая чувствительность;
• малые размеры;
• низкая стоимость;
• простота схем включения.

Минусы:

• нелинейность;
• ограниченный диапазон;
• саморазогрев от измерительного тока;
• старение (дрейф сопротивления).

4. Цифровые датчики температуры: DS18B20

4.1. Общие сведения

DS18B20 — цифровой датчик температуры от Maxim Integrated (ныне Analog Devices) с интерфейсом 1‑Wire.

Ключевые характеристики:

• диапазон: –55…+125 °C;
• разрешение: 9…12 бит (0,5…0,0625 °C);
• точность: ±0,5 °C (в диапазоне –10…+85 °C);
• напряжение питания: 3,0…5,5 В;
• ток потребления: 1 мА (активный режим), 1 мкА (спящий).

4.2. Принцип работы

1. Встроенный АЦП измеряет напряжение на p‑n‑переходе (температурно‑зависимый диод).
2. Результат преобразуется в цифровой код.
3. Данные передаются по 1‑Wire‑протоколу.

4.3. Интерфейс 1‑Wire

• Однопроводная шина — данные и питание по одному проводу (плюс общий провод).
• Адресация — каждый датчик имеет уникальный 64‑битный ROM‑код.
• Команды:
  • READ SCRATCHPAD (чтение температуры);
  • CONVERT T (запуск измерения);
  • WRITE SCRATCHPAD (установка разрешения).

4.4. Схема подключения

• Параллельное включение нескольких датчиков на одну шину (до 100 м при правильной терминиции).
• Резистор подтяжки 4,7 кОм между шиной и питанием.
• Питание:
  • от шины (паразитное питание);
  • внешнее (рекомендуется для стабильности).

4.5. Алгоритм работы (пример для микроконтроллера)

1. Инициализация шины 1‑Wire.
2. Поиск устройств (SEARCH ROM).
3. Выбор датчика (MATCH ROM).
4. Запуск преобразования (CONVERT T).
5. Чтение результата (READ SCRATCHPAD).
6. Преобразование кода в температуру:T=2nкод​⋅шаг, где n — разрешение (9…12), шаг = 0,5 °C для 9 бит.

4.6. Преимущества и недостатки

Плюсы: