Měření parametrů integrovaných snímačů teploty


Štohl, Radek

Ing., Ústav automatizace a měřící techniky, FEI VUT v Brně, Božetěchova 2, Brno, 612 66, stohl@dame.fee.vutbr.cz

1. Abstrakt

The article gives the measurement of intelligent (smart) integrated temperature sensor's parameters and their evaluation in the personal computer. There are introduced the results of experimental testing of four types from three world producers - Analog Devices, Dallas Semiconductor and Smartec. The software is executed in the graphic development background LabVIEW by company National Instruments.

2. Úvod

Rychlý rozvoj techniky klade velké úkoly na automatizaci ve všech oborech lidské činnosti. Dostatečné množství informací o jednotlivých procesech je základní podmínkou úspěšné činnosti všech systémů. Měření neelektrických veličin představuje dnes mnoho speciálních oblastí měřící techniky, které se vyvíjely postupně v různých obdobích podle technické úrovně a rozvoje oboru nebo i oborů, na které byly vázány. S postupným rozvojem elektroniky dochází ke zlepšování vlastností elektronických senzorů. Tento rozvoj vede ke kvalitativní změně, která je označována za 3. generaci snímačů - integrované snímače. Tyto snímače se používají pro měření nejčastěji měřených fyzikálních veličin, tj. vibrace, tlak a teplota.

Pro měření teploty se obecně používá prvek, který je teplotně závislý. Tímto prvkem může být rezistor, termistor, PN přechod, termočlánek, krystal, oscilátory, materiály s povrchově-akustickou vlnou a další elektronické součástky. Pro výrobu integrovaných snímačů teploty se nejvíce používá monokrystalový křemík. Odtud plyne typický pracovní rozsah snímačů -50 až +130 °C.

Použitím integrovaných snímačů se zabývá řada publikací. Tento příspěvek se zaměří na jejich vlastnosti a parametry z hlediska jejich dlouhodobější stability. Ve stručnosti připomenu pouze typické vlastnosti těchto snímačů:

Jako výstupního signálu výrobci používají:

Sortiment inteligentních integrovaných snímačů teploty je dnes velmi obsáhlý (odhad 150 až 170 typů) od celé řady výrobců. K nejznámějším patří firmy jako např. Analog Devices, Dallas Semiconductor, Motorola, Texas Instruments, Smartec, Siemens, National Semiconductor, TelCom Semiconductor, Linear Technology a další. Nabízí snímače, které jsou určeny pro méně náročné aplikace, kde nejsou kladeny velké požadavky na přesnost (řádově 0,5 až 3 °C) a stabilitu měření. Typickými aplikacemi jsou např. klimatizační systémy, systémy chlazení procesorů v přenosných počítačích, řízení teploty v elektronických zařízeních. Snímače jsou většinou navrženy jako termostaty, tedy mohou pracovat zcela autonomně.

Existují ale i výrobci, kteří vyrábějí snímače pro speciální použití. Tyto snímače se vyznačují větším rozsahem měřených teplot až do 540 °C s přesností 0,01 °C (XSYS Corporation), které jsou vyrobeny na bázi SiC.

3. Přehled vybraných integrovaných snímačů teploty

Po konzultaci s českými zástupci firem jsme se zaměřili na typy u nás běžně dostupné. Požadavky na výběr snímačů byly:

Těmto kritériím vyhověly následující výrobky firem:

3.1. Analog Devices

Americká firma Analog Devices má v současnosti ve výrobním programu dvanáct typů integrovaných snímačů teploty. Z této nabídky jsme zvolili dva. Prvním byl TMP01 monolitický programovatelný regulátor teploty s rozsahem -40 až 85 °C v pouzdře TO-99 s typickou přesností ±1,0 °C. Snímač poskytuje analogový výstup, jehož napětí je úměrné absolutní teplotě s koeficientem 5 mVK-1. Hodnota teploty se pak určí podle:

,

(1)
kde je

- hodnota teploty [°C],
UVPTAT - výstupní napětí snímače [V]

Druhým pak byl snímač TMP04 s číslicovým výstupem kompatibilní s TTL/CMOS logikou pro teplotní rozsah -40 až 100 °C s přesností ±1,8 °C. Výstupní signál je PWM. Naměřená hodnota teploty se vypočítá podle vzorce:

,

(2)
kde je T1 - délka výstupního signálu v log. 1 [s],
T2 - délka výstupního signálu v log. 0 [s]

3.2. Smartec

Firma Smartec vyrábí bipolární teplotní snímač SMART SMT160-30 s převodem teploty na PWM:

,

(3)
kde je tH - doba signálu v log. 1 [s],
T - perioda signálu [s]

Výrobce garantuje přesnost měření v -45 až 130 °C ±2,0 °C s rozlišením 0,005 °C.

3.3. Dallas Semiconductor

Tato americká firma produkuje snímače teploty a termostaty se specifickým rozhraním. Nabízí obvody s tří- i jednovodičovým interface, po kterém komunikuje s přidruženám systémem číslicově. My jsme vybrali termostat DS1820, který má jednovodičové rozhraní microLAN odpovídající modelu OSI. Obvod obsahuje 64 bitovou paměť ROM pro svoji identifikaci, teplotní senzor a EEPROM paměť pro uložení mezí hystereze. Měří teplotu v rozsahu -55 až 125 °C s rozlišením 0,5 °C, které lze programově zvýšit na 0,1 °C. Hodnotu teploty poskytuje jako devíti bitové číslo. Jako teplotně závislý prvek je použit krystal.

4. Podmínky měření

Z teorie experimentů vyplývá, že pro získání reprezentativních výsledků je žádoucí použít co největší soubor testovacích prvků, což je ale v protikladu s praxí. Reálné možnosti jsou omezené jak z hlediska finančního, tak i technického rázu. Podařilo se nám získat po pěti kusech od každého typu snímače.

Ověření parametrů se uskutečnilo v Laboratoři teploty Oblastního inspektorátu Metrologického institutu v Brně. Prostředí je klimatizované a v průběhu celého měření byla v místnosti udržována konstantní teplota 22,5 °C s odchylkami ±0,7 °C a relativní vlhkost (35 až 15) %. Pro testovací účely byly použity tři zařízení s různými typy lázní.

Pro měření teplot v rozsahu -40 až 20 °C byl použit automatický laboratorní systém AUTOMATIC SYSTEMS LABORATORIES LU 100B, ve kterém byl jako teplotní médium použit denaturovaný líh. Jako srovnávací měřidlo jsem používal sekundární etalon teploty 1. řádu (skleněný rtuťový teploměr). Pracovní rozsah teplot 25 až 80 °C se dosahoval v precizní lázeni TAMSON TMV70 s bezkontaktním elektronickým řízením s médiem destilovaná voda. Srovnávacím měřidlem byl opět skleněný rtuťový teploměr (sekundární etalon teploty 1. řádu). Pro teplotní rozmezí 100 až 150 °C byla použita opět precizní lázeň TAMSON TMV70, ale médiem byl silikonový olej.

Integrované snímače byly testovány v rozmezí teplot -40 až 100 °C po krocích 10 °C. Mezi jednotlivými měřeními teploty byly snímače vystaveny umělému stárnutí dvěma způsoby.

Nejprve se zjistila korekční křivka každého snímače, po té se vystavili teplotě 100 až 120 °C po dobu sedmi dnů. Opět se změřily nové korekční křivky snímačů a porovnala se s výchozími. Dalším krokem následovalo navození umělého stárnutí metodou cyklování. Teplotní skoky se prováděly z teploty -40 °C na 80 °C s časovou prodlevou třiceti minut na obou teplotách. Celkem bylo teplotních "šoků" patnáct. Nakonec se uskutečnilo závěrečné proměření korekčních křivek a vyhodnocení celkových výsledků.

Pro řízení a následné vyhodnocení měření byl vytvořen program [Štohl 1997] v grafickém programovacím prostředí LabVIEW 4.0 firmy National Instruments. Celá měřící aparatura se skládá z  notebooku CARD STAR 486/33 MHz (8 MB RAM, 180 MB HDD) a víceúčelové měřící karty Lab-PC+ (8 analogových vstupů ±5 V, max. vzorkování 83,3 kHz, 12bitový A/D převodník; 24 I/O linek TTL) od firmy National Instruments.

5. Zpracování výsledků

Každý výsledek experimentu je naměřen s určitou chybou. Chyba měření se skládá ze dvou částí, a sice z chyby metody měření a přesnosti snímače. Pro vyvození správných závěrů je žádoucí, aby chyba zvolené metody měření byla zanedbatelná vůči chybě snímače, či alespoň o jeden řád lepší.

Pro snímače s výstupem PWM vzniká chyba při měření PWM signálu. Z teorie zpracování signálu lze odvodit pevný poměr mezi frekvencí signálu, vzorkovací rychlostí a šumem vzorkování. Potom standardní odchylka šumu vzorkování je dána:

,

(4)
kde je

- směrodatná odchylka šumu vzorkování [-],
Tvz - perioda vzorkování [s]
tm - celký čas měření [s]
T - perioda PWM signálu [s]

Minimalizování chyby měření lze docílit tím, že se experiment bude za stejných podmínek několikrát opakovat. S ohledem na reálné možnosti se po ustálení teploty na daném bodě odečítala snímači naměřená teplota desetkrát. Z takto získaných hodnot teplot byly vypočteny:

,

(4)
kde je n - počet pokusů [-],

- naměřené hodnoty v jednotlivých pokusech [°C]

,

(5)

,

(6)

,

(7)
kde je

- indikace etalonu [°C],

- korekce podle primárního etalonu [°C]

,

(8)
kde je e() - korigovaná hodnota etalonu [°C],

,

(9)
kde je E1() - průměrné hodnoty před působením vysoké teploty na snímače [°C],
E2() - průměrné hodnoty po působení vysoké teploty na snímače [°C]

Podobně se postupuje i při metodě cyklování.

Na obr. 1 a 2 jsou uvedeny výsledky měření pro jeden inteligentní integrovaný snímač DS1820. Z průběhu grafu na obr. 2 je patrné, že hodnoty korekční křivky jsou v záporné oblasti a nepřekračují výrobcem garantovaný pás přesnosti ±2 °C. Po provedení umělého stárnutí oběma metodami je z výsledků patrné, že se body korekční křivky snímače nabývají převážně kladných hodnot a jsou v pásmu deklarované přesnosti měření teploty.

Obr. 1. Korekční křivka snímače DS1820

Obr. 2. Vliv umělého stárnutí

6. Závěr

Na základě experimentálního měření parametrů integrovaných snímačů teploty TMP01, TMP04, SMT160-30 a DS1820 lze říci, že po stárnutí typu "působení vyšší teploty" nevzniklo u žádného ze vzorků překročení tolerančních mezí přesnosti měření teploty udávaným výrobcem. Situace ale byla jiná po provedení stárnutí druhým způsobem, tj. cyklováním. V tomto případě u tří vzorků došlo k překročení rozsahu přesnosti a další tři vykazovaly trvalou změnu svých parametrů (zřejmě vnitřní destrukce struktury čipu). Podle těchto výsledků jsme se rozhodli provést další měření s tím, že se pokusíme zvýšit počet vzorků i rozšířit typovou základnu snímačů.

7. Literatura

BEJČEK, L. 1998. Integrované snímače teploty. In PRAGOREGULA'98. Praha, 1998.

Firemní literatura a katalogy Analog Device, Smartec a Dallas Semiconductor.

Lab-PC+ User Manual. National Instruments Corp. 1993

ŠTOHL, R. 1997. Integrované snímače teploty. VUT v Brně, ÚAMT 1997. Diplomová práce.