МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ АНАЛОГОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

SIMULATION OF ELECTRONIC CIRCUITS OF ANALOG TEMPERATURE SENSORS

Sergey Martsinukov

Candidate of Science, assistant professor of department of electronic instruments and devices, Saint-Petersburg Electrotechnical University,

Russia, Saint-Petersburg

Dmitry Kostrin

Doctor of Science, assistant professor of department of electronic instruments and devices, Saint-Petersburg Electrotechnical University,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются вопросы моделирования аналоговых схем датчиков температуры, построенных на основе операционных усилителей. Для моделирования используется среда LTspice, имеющая бесплатную модель распространения. Приведены результаты моделирования трех датчиков температуры: с металлическим резистором, на основе термистора и термопарного. Продемонстрирована эффективность рассмотренного подхода для подбора оптимальных значений номиналов компонентов электронных схем.

ABSTRACT

In this paper, the issues of modeling analog circuits of temperature sensors built on the basis of operational amplifiers are considered. The LTspice environment is used for modeling, which has a free distribution model. The results of modeling three temperature sensors are presented: with a metal resistor, based on a thermistor and a thermocouple. The effectiveness of the considered approach for the selection of optimal values of the nominal values of electronic circuit components is demonstrated.

Ключевые слова: датчик; температура; моделирование; LTspice.

Keywords: sensor; temperature; simulation; LTspice.

Введение. Современный уровень развития схемотехники и микропроцессорной техники дает широкие возможности по контролю и автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, научных исследованиях и быту [1]. Для реализации этих возможностей требуется в режиме реального времени получать информацию о параметрах регулируемого процесса или объекта. Основу любого электронного средства контроля составляет датчик, преобразующий физическую величину в электрический сигнал [2–4]. Применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, также они могут выполнять функцию элементов измерительных систем.

Несмотря на развитие цифровой техники, применение аналоговых устройств контроля остается достаточно актуальным благодаря их простоте и большей помехоустойчивости в сложных условиях эксплуатации. Аналоговая система управления измеряет физический параметр, сравнивает его с опорным значением и, в зависимости от результата сравнения, выдает на электрический регулятор сигнал управления, приводящий к увеличению или уменьшению значения физического параметра.

На рынке ежегодно появляются новые цифровые датчики, предназначенные для измерения различных физических величин [1, 4]. Между тем существуют многие применения, где стандартные датчики не удовлетворяют поставленным требованиям и приходится разрабатывать собственные, специфические средства измерений. На этапах разработки экспериментальных образцов или мелкой серии это могут быть дискретные аналоговые датчики.

Компьютерное моделирование [5, 6], проводимое например в среде LTspice, позволяет изучить процессы, протекающих в разрабатываемой схеме. Несмотря на бесплатную модель распространения, данная программа демонстрирует высокую скорость моделирования и достаточно хорошую точность получаемых результатов.

Основные подходы к проведению моделированию в программе LTspice доступно объяснены в [7, 8] и в рамках данной работы рассматриваться не будут. Для ознакомления с более подробной информацией о программе можно рекомендовать издание [9], включающее большое количество примеров моделирования.

Датчик температуры с металлическим резистором. В рассматриваемой схеме ток датчика RT задается резистором R3 (рис. 1). Потенциометр R2, сформированный из двух резисторов, служит для задания потенциала смещения на неинвертирующем входе операционного усилителя. Команда .param R2.1 = 10к – – {R2.2} позволяет изменять сопротивление одного плеча подстроечного резистора при варьировании сопротивления другого плеча.

Рисунок 1. Датчик температуры на основе медного резистора

Изменение сопротивления измерительного резистора определено как R = R0 + a·time и при R0 = 50, a = 0.00427·R0 соответствует медному резистору ТС-0295. При этом, шкала времени при проведении моделирования полностью совпадает со шкалой изменения температуры – процесс начинается с нулевого значения времени и температуры в градусах Цельсия и заканчивается при значении 100 с, соответствующим 100 °C. Перебор значений сопротивления подстроечного резистора осуществляется с помощью команды .step param R2.2 0.6к 1.2к 0.2к, задающей перебор значения сопротивления в килоомах от 0.6 до 1.2 с шагом 0.2. Результаты моделирования приведены на рис. 2.

Правильной настройкой сопротивления потенциометра R2 можно добиться установления на выходе схемы 0 В при 0 °C, что при условии линейности зависимости изменения напряжения от температуры дает возможность получить готовый электронный термометр.

Рисунок 2. Изменение напряжения на выходе схемы

В данном случае можно отметить, что требуемая величина сопротивления резистора R2.2 составляет чуть меньше, чем среднее значение между 0.8 и 1.0 кОм, т. е. порядка 0.9 кОм. Для более точного нахождения данной величины можно повторить моделирование с другой настройкой процесса, например .step param R2.2 0.8к 0.9к 0.01к.

Датчик температуры на основе термистора. Для упрощения обработки результата измерений необходимо линеаризовать характеристику термистора, что может быть реализовано параллельным соединением двух резисторов [10] (рис. 3). Если через резисторы пропустить ток стабилизированного значения, то падение напряжения на них линейно варьируется в зависимости от температуры рядом с некоторым расчетным значением.

Рисунок 3. Схема термисторного датчика температуры

Так же, как и при работе с металлическими резисторами, при измерениях температуры с помощью термисторов необходимо правильно выбрать рабочий ток датчика. Избыточный ток приведет к саморазогреву термистора и снижению температурного разрешения, а слишком малый ток приведет к низкой температурной чувствительности и потребует большого коэффициента усиления в усилительных звеньях. На рис. 4 приведены выходные характеристики схемы при различных сопротивлениях подстроечного резистора.

Рисунок 4. Изменение напряжения на выходе схемы

Очевидно, что выходная характеристика рассмотренной схемы линейна в достаточно небольшом интервале температур. В случае необходимости проведения измерений в большем диапазоне необходимо либо обрабатывать результаты с помощью цифровых устройств, либо использовать иной метод измерения.

Датчик температуры на основе термопары. Кроме моделирования достаточно простых схем датчиков, пригодных в основном для лабораторного применения и ознакомления с принципами их работы, в программе LTspice возможен анализ реальных схем с целью проверки их работоспособности и подбора точных значений номиналов компонентов. На рис. 5 приведена схема, обеспечивающая компенсацию влияния холодного спая термопарного датчика температуры [11].

Рисунок 5. Схема для компенсации влияния холодного спая термопары

Рисунок 6. Схема для компенсации влияния холодного спая термопары

Работа самой термопары реализована в виде регулируемого источника напряжения V = 40.7u∙(time – temp). На рис. 6 показаны результаты моделирования работы схемы при разных значениях температуры. Очевидно, что в данном случае упрощенная модель работы термопары обеспечивает возможность проверки работы схемы, хоть и не пригодна для более точных измерений. Зависимости, полученные для разных температур, достаточно близки, но не совпадают в силу того, что характеристики термопары и диода не повторяют друг друга.

Заключение. Рассмотренный в работе метод моделирования аналоговых схем электронных датчиков температуры позволяет изучить их характеристики и подобрать оптимальные значения номиналов применяемых компонентов. Приведенный подход может быть применен для анализа иных датчиков физических величин [12], а также многих других аналоговых электронных устройств.

Список литературы:

1. Кострин Д.К., Лисенков А.А., Ухов А.А. Электронные средства контроля технологических процессов. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. – 228 с.
2. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. – М.: Мир, 1989. – 196 с.
3. Фрайден Дж. Современные датчики. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.
4. Кострин Д.К., Ухов А.А. Датчики в электронных устройствах. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. – 240 с.
5. Ухов А.А., Герасимов В.А., Селиванов Л.М., Кострин Д.К., Симон В.А. Разработка электронного устройства. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. – 32 с.
6. Герасимов В.А., Кострин Д.К., Селиванов Л.М., Ухов А.А. Компьютерные технологии в разработке электронных приборов и устройств. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. – 164 с.
7. Система схемотехнического моделирования LTspice. Краткое руководство [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://zpostbox.ru/ ltspice.html (дата обращения: 10.03.23).
8. Краткое руководство по симулятору LTspice [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://valvolod-in.narod.ru/articles/LTspice.pdf (дата обращения: 10.03.23).
9. Володин В.Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 400 с.
10. Кострин Д.К. Электронные датчики. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. – 36 с.
11. Кострин Д.К. Моделирование электронных схем обработки сигналов аналоговых датчиков. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2023. – 32 с.
12. Кострин Д.К. Проведение лабораторных работ по исследованию схем электронных датчиков в дистанционном режиме // Дистанционное обучение – образовательная среда XXI века: Материалы XII Международной научно-методической конференции (Минск, 26 мая 2022 г.). – Минск, 2022. – C. 108–109.