Простой датчик температуры с аналоговым выходом 0-10В

Датчик температуры может использоваться в различных условиях окружающей среды. Датчик предназначен для измерения температуры в градусах Цельсия и преобразовании его в напряжение. Датчик температуры подходит для работы на общих промышленных зонах и на открытой местности.
В датчике установлен термометр типа LM35, что обеспечивает надежность и точность при измерениях температуры. Благодаря герметизации датчика с измерительным элементом, обеспечивается высокая вибростойкость и влагостойкость.
Основные технические характеристики:
• Подходит для использования в газообразных средах, а также измерения температуры окружающей среды и температуры предметов и исследуемой поверхности
• Возможность крепления с помощью болтового соединение непосредственно к поверхности измеряемой температуры
• Защита от инверсной подачи питания
• Рабочая температура достигает +100 °C
• Диапазон измеряемых температур: -50...+80
• Напряжение питания: постоянный ток 12В
• Потребляемый ток: 10мА
• Напряжение выходного сигнала: 0-10В
• Выходной ток: 20мА
Конструкция датчика позволяет крепить его непосредственно к площади поверхности для измерения температуры ее поверхности или компенсации температурных изменений (для лучшего эффекта, на место контакта нанести небольшой слой теплопроводной пасты, например КПТ-8 или КПТ-19), возможно так же крепить таким способом датчик температуры на пластиковые, поливинилхлоридные и прочие поверхности изготовленные из материалов с низкой теплопроводностью.

Предыстория:

Обратился как-то ко мне знакомый, который работал инженером в фирме — интеграторе GPS/Глонасс оборудования. Один из их клиентов захотел измерять температуру окружающей среды за бортом очередного трактора. На этой технике уже стояли GPS — терминалы, отечественные, ADM600, какой-то пермской конторы. Спросил меня, какой лучше датчик применить, недорогой. У меня сразу возникла мысль, почему бы не применить DS18B20, на что коллега мне ответил: «у треккера нет 1wire», есть только 2 АЦП, один канал от 0-13, второй от 0 — 36, ну и плюс еще всякие входа дискретные и протокольные интерфейсы. Странно думаю, как так-то? В общем нужно было срочно решить его проблему, причем еще и как обычно — недорого. Придя домой сразу же открыл ящик стола. В кассетнице лежало с десяток DS18b20 и LM35. Откуда LM 35, я даже и не вспомнил. Никогда их не применял. Открыв ДШ по GPS треккеру и вправду не обнаружил у него шину Dallas а. Решено, делать датчик на том что есть — LM35. В ДШ написанно, что при базовом подключении, цена деления 10мВ на 1 градус С. И при этом нет возможности измерить отрицательную температуру.

Исходя из этого, требуется усилить сигнал и сделать смещение на датчике, что бы была возможность измерения отрицательных температур. Полазив в интернете, нашел схему смещения на двух диодах. Решил поставить транзистор.
В качестве усилителя применен низковольтный ОУ LM358:

Дальше решил промоделировать схему со смещением:

Как видно из рисунка, выходной сигнал измеряется (вольтметром) относительно общего провода.
Резистор R1 и транзистор Q1(включенный как диод) образуют схему смещения уровня вывода GND датчика температуры. При этом потенциал нижнего вывода резистора R4 оказывается отрицательным по отношению к GND LM35 и, датчик может работать как с положительными, так и с отрицательными температурами. Измерение выходного сигнала, как уже говорилось выше, осуществляется относительного общего провода питания. При нулевом значении температуры выходное напряжение составляет 0.6В (при использовании транзистора MMBT3906).
Снижение температуры ниже нуля вызывает уменьшение выходного напряжения (10 мВ на 1С на выходе LM35).
Подъем температуры выше нуля приводит к росту выходного напряжения.
Далее вопрос стал о конструктиве. Набросал 3D в Proteus, дабы визуально оценить размеры (решил плату усилителя совместить с головкой датчика в единую конструкцию, ибо линии на этом тракторе могут достигать длины и более 2х метров).

В DIPe сразу не понравилось, громоздко. Решил использовать планарные элементы. В качестве элемента для головки термодатчика использовал медный наконечник с отверстием под болт, решил обжать им LM35, предварительно промазав КПТ-8. Обжал при помощи специальной обжимки от Phoenix contact, брал у коллеги, поэтому не удалось сфотографировать. Далее аккуратно обработал простыми плоскогубцами.

Нарисовал плату в sLayot, получилась достаточно компактна:

Ну дальше сборка, решил сделать сразу 10 штук:


После сборки, обжал аккуратно наконечником корпус термодатчика и хорошо припаял с обратной стороны печатной платы… Конечно лучше было сделать прорези и пропаять с обеих сторон, но времени не было. Плату аккуратно обмакнул в Казанский герметик и поместил в термоусадочную трубку с клеем, провода от датчика поместил в пластиковый гофрорукав с авторынка, диаметром 6мм.



Питание датчика осуществляет отдельный параметрический стабилизатор на TL431 и МДП транзисторе и в данном случае не рассматривается.
Попробовал я откалибровать датчик. Калибровал при помощи спиртового градусника и своего самодельного термометра на DS18B20:

Калибровал так: холодильник, улица, фен. Хотя можно было применить чашку со льдом и комфорку плиты. Но так как термодатчик линеен, не стал сильно заморачиваться и сделал несколько замеров:

Сопоставляя данные с разных термометров сделал вывод: датчик получился достаточно точным.
Схема подключения датчика к прибору ADM600:


Передал датчики товарищу. Который через неделю после инсталяции термометров скинул мне отчет из програмного комплекса Fort Monitor, все работало =)

PS: По оси Y указана температура, а не напряжение. Так устроен программный комплекс…
  • +6
  • 15 декабря 2014, 12:47
  • Jman

Комментарии (23)

RSS свернуть / развернуть
В качестве элемента для головки термодатчика использовал медный наконечник с отверстием под болт, решил обжать им LM35, предварительно промазав КПТ-8.
В качестве элемента чего? Непонятна роль наконечника. Для чего нужен? Как обжимается, что обжимает? Как крепится? Не ясно ни из текста, ни из фотографий.
Что такое «Казанский герметик»?
+2
  • avatar
  • EW1UA
  • 15 декабря 2014, 13:31
Спасибо за поправку, исправил. Роль наконечника — крепление к поверхности болтом, саморезом и тд.
0
То есть вся платка помещается в наконечник?
0
В наконечник помещается датчик LM35. Наконечник нужен для обеспечения механического крепления датчика к обьекту (и передачи тепла, конечно). Все на картинках видно :)
+1
Все правильно подмечено =)
0
Было бы может и видно, если б было фото платы с обратной стороны, с той стороны, где прячется наконечник.
На трёхмерной модели датчик расположен с той же стороны, где и усилитель. На фото я датчика вообще не наблюдаю.
И ещё мне интересно, как наконечник скреплён с платой окромя герметика и термоусадочной трубки. Написано «припаял».
+1
К сожалению фото не сохранилось. Датчик LM35 припаян в посадочные отверстия и переведен в горизонтальное положение. Датчик LM35 расположен с другой стороны ПП, как и гильза, в которую он опресован. На этой же стороне я оставил площадку меди. когда опресовал датчик. впаял его в посадочные места, аккуратно загнул в горизонтальное положение. Гильзу хорошо припаял к медному пяточку. Трехмерная модель — это просто набросок для предварительного представления размеров датчика. В публикации написано.
0
Спасибо, теперь более понятно.
0
Смотрите ПП нарисованную в sLayout, там показаны слои печатных проводников. Зеленый у меня нижний, красный ТОР.
0
Интересно посмотреть на аналоговый сигнал при большой длине сигнального кабеля. Если емкость велика, возможно появление генерации на выходе операционника =(
0
В данном случае мне сказали порядка 7ми метров ПВС3х0,75. Хотя я рекомендовал экранированный кабель. В генерацию не сорвался.
0
Я юзал когда-то TMP36. У него как раз смещение уже имеется и как раз от -50. Обошелся бы только одним усилителем с подобранным КУ.
+1
Спасибо за наводку… Буду иметь ввиду. Но у меня просто были залежи… Решил от них избавиться.
0
На последней схеме и 12 и 24 вольта это одно и тоже? Что за -24В (двуполярное питание?)???
0
Нет, так ребята интеграторы отмечают Vcc и GND… Иначе не понимают =) Написал +24, 0 — то же стали задавать лишнии вопросы. Решил открытым контекстом + и минус =)
0
Я бы на выход оу всетаки бы посоветовал ставить токоограничивающий резистор 100 -500 ом до обратной связи т.к. защитав оу только в положительном плече
+1
Ок. Принято.
0
При нулевом значении температуры выходное напряжение составляет 0.6В (при использовании транзистора MMBT3906)
Оно же зависит от температуры. Как это влияет на точность датчика?
Обжал при помощи специальной обжимки от Phoenix contact
Нормально обжимается, корпус не раздавливает?
обжал аккуратно наконечником корпус термодатчика и хорошо припаял с обратной стороны печатной платы…
А как термодатчик относится к такому перегреву?

Я бы, наверное, вклеил термодатчик в гильзу теплопроводным клеем вроде Arctic Alumina, причем после пайки наконечника к плате.
0
  • avatar
  • Vga
  • 15 декабря 2014, 19:42
1. По другому не знал, как реализовать смещение. По точности, проверил с 2мя термометрами, и человек то же проверил, больше чем на четверть градуса не ползло пока…
2. Обжал нормально, только я не дожимал до конца, потом аккуратно плоскогубцами обжал.
3. Ну я ж его в несколько заходов прогревал. Не ЭПСН, которыми ведра паяют. Так что норм. Да и внизу результат =)
4. Кстати да, но клея никакого не было под рукой.
0
3. Чтобы пропаять в любом случае нужно разогреть до 200+, а теплопроводность гарантирует что и термодатчик прогреется не хуже. Напротив, в один проход, вероятно, лучше — меньше экспозиция при высокой температуре. Хотя по идее, такой нагрев он выдерживать должен.
4. Ну дык купить надо) Я правда сам еще эту арктик алюмину не нашел, хотя и хочу купить. Но у меня еще есть какой-то китайский однокомпонентный — хз правда как у него с теплопроводностью.
0
1. Ну, транзистор скорее всего изменяет крутизну характеристики термодатчика, если имеет ту же температуру, что и последний. Насколько сильно — считать надо.
0
Набросал 3D в Proteus

Нарисовал плату в sLayot
А можно же сразу и плату в Протеусе делать? Или есть какие-то неудобства?
0
Душа не лежит к протеусу как к трассировщику, печатки делал еще в универе на нем. Потом юзал Пкад 2002, сейчас в DIP Trace работаю.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.