Токовые датчики температуры 4..20 мА

Токовые датчики 4-20 мА широко распространены в промышленности, где уровень шумов (наводок) высокий, поэтому нужны помехоустойчивые способы подключения.

Датчики температуры TMP35/TMP36/TMP37

Аналоговый датчик TMP3x можно использовать в схеме токового датчика с выходным током от 4 до 20 мА. Ссылка на datasheet. Аналог этого датчика доступен от китайского производителя UMW TMP36GRTZ. Потенциально вместо TMP3x в нижеприведенной схеме можно использовать датчик NST235 китайского NOVOSENSE или недорогой TC1047 американского Microchip после соответствующего пересчета сопротивлений.

В этих датчиках тока используется ток нулевой шкалы, равный 4 мА, который может быть использован для питания схемы формирования сигнала передатчика. Максимальный выходной сигнал в этих преобразователях составляет 20 мА. На рисунке показана схема, которая передает информацию о температуре по токовой петле 4..20 мА.

При использовании TMP3x в качестве датчика температуры выходной ток линейно пропорционален температуре среды. Вся схема работает от 3—вольтового выхода источника опорного напряжения REF193. REF193 не требует внешней настройки благодаря высокому допуску по исходному выходному напряжению и низкому току питания TMP3x, OP193 и REF193.

Китайские аналоги ИОНиТ. Наиболее близкие по параметрам: RS3430XH6-Q1 (RUNIC), RS5030XK (RUNIC) TRP5030-SO1R (3PEAK), . 

Вся схема потребляет менее 3 мА при общем расходе в 4 мА. OP193 (Analog Devices), вероятно, можно заменить на TP5591 (3PEAK). OP193 регулирует выходной ток в соответствии с суммированием токов в неинвертирующем узле OP193. Формула расчета на 3 выводе OP193:

В таблице приведены значения сопротивлений резисторов для различных датчиков температуры.  

Регулировка смещения на 4 мА обеспечивается P2. P1 обеспечивает регулировку усиления схемы на 20 мА. Эти два регулятора не взаимодействуют, поскольку неинвертирующий вход OP193 подключен к виртуальной земле. Нулевой и полный выходные токи цепи регулируются в соответствии с диапазоном рабочих температур каждого датчика температуры.

Диод Шоттки, D1, необходим в этой схеме для предотвращения возникновения переходных процессов при включении питания, которые приводят к перегрузке неинвертирующего входа OP193 более чем на 300 мВ ниже его инвертирующего входа. Без этого диода такие переходные процессы могут вызвать изменение фазы операционного усилителя и возможную блокировку передатчика. Соответствие напряжения питания контура в схеме ограничено максимальным входным напряжением, подаваемым на REF193; оно составляет от 9 В до 15 В.

Датчик температуры LM35

Датчик температуры LM35 с токовым выходом 4-20 мА.

NTC/PTC датчик температуры

В SMD исполнении NTC/PTC термисторы стоят очень дешево. Из минусов — нелинейная зависимость сопротивления от температуры. Есть расчетная формула Стейнхарта-Харта, которая позволяет очень близко вычислять температуру по сопротивлению, но она требует расчета логарифма, что на микроконтроллере ресурсоемко, проще держать таблицу зависимости температуры от сопротивления. Нелинейность показаний компенсируется очень низкой ценой, хотя приведенные выше датчики в азиатском исполнении также стоят недорого, но более линейны.

График зависимости сопротивления NTC
датчика от температуры

У PTC термисторов зависимость сопротивления от температуры также слегка нелинейна. Для примера график TMPЗ63 (TI).

График зависимости сопротивления PTC
датчика TMP363 (TI) от температуры

Преобразовать измененние сопротивление термистора в ток несложно с помощью резистивного делителя. В статье указаны несколько схем подключений:

Схема А

Схема B

Схема С

Схема D

При выборе номинала резистора R_A примерно равным сопротивлению термистора в районе измеряемых температур, значения U будут изменяться ближе к линейным, что обеспечит большую точность при интерполяции табличных значений.

Выбирая номиналы R_A и термистора, следует учесть, что протекающий через термистор ток вызывает его нагрев и, как следствие, искажение показаний. Желательно чтобы мощность на термисторе не превышала 1 мВт. А значит, при напряжении U₀ = 5В, R_A должен быть как минимум, 10 килоОм. Сопротивление термистора в измеряемом диапазоне должно иметь примерно тот же порядок.

Схема B призвана ограничить мощность, рассеиваемую на термисторе.

Схемы C и D являются обратными к A и B. Их имеет смысл использовать, если требуется измерять низкие температуры, когда референтное значение АЦП (U_ref) ниже U₀.

В некоторых случая, когда требуется высокая точность измерений, можно использовать измерительный мост Уинстона (Уитстона). 

При трассировке печатной платы нужно оставить достаточную площадь меди для рассеивания тепла при нагреве термистора.

Делитель с плечом в виде NTC/PTC можно использовать в вышеприведенной схеме с операционным усилителем и ИОНиТ для датчика температуры TMP3x.

Current loop transmitter XTR116/117

Широко распространенная микросхема от TI Для огранизации работы по токовой петле 4-20 мА. Включает в себя операционник, ИОНиТ, т.е. «все в одном флаконе». Большой минус — нет азиатских аналогов, поэтому стоит довольно дорого.

Выводы

Датчик температуры с выходом 4-20 мА можно значительно удешевить, если:

• Вместо высокоточного источника опорного напряжения рассчитанного на широкий диапазон входных напряжений, которые могут использоваться при подключении токовой петли (до 18 В), использовать LDO (как в схеме подключения LM35). Можно вынести на третий провод питания. Это не столь большая проблема при подключениии датчика.
• Диодный мостик для поддержки любой полярности подключения линии можно исключить (оставить один диод для защиты схемы от переполюсовки, как в схеме подключения LM35).
• Использовать простую схему резистивного делителя, т.к. мостовая схема, в данном случае, скорее избыточна, если нет требований к высокой точности.
• Использовать дешевые нелинейные аналоговые NTC/PTC датчики. Таблицу замеров держать в микроконтроллере.

Список литературы

• 4-20 mA current loop Transmitter XTR115/XTR116 (TI).
• 4-20 mA current loop Transmitter XTR117 (TI).
• 4-20 mA current loop transmitter AD694 (Analog Devices).
• Высокоточный аналоговый датчик температуры TMP35/TMP36/TMP37 (Analog Devices).
• Высокоточный аналоговый датчик температуры TMP36 (UMW).
• Датчик температуры LM35 (National Semiconductor).
• Датчик температуры LM35 (National Semiconductor).
• Датчик температуры LMT8x (UMW).
• Высокоточный аналоговый датчик температуры TC1047 (Microchip).
• Высокоточный аналоговый датчик температуры NST235 (Novosense).
• Аналоговый датчик температуры NST60 (Novosense).
• Источники опорного напряжения RS34xx (RUNIC).
• Источники опорного напряжения RS50xx (RUNIC).
• Источники опорного напряжения TRP50xx (3PEAK).
• Источники опорного напряжения REF193 (Analog Devices).
• Прецизионный операционный усилитель OP193 (Analog Devices).
• Прецизионный операционный усилитель TP5591 (3PEAK).
• Китайские производители датчиков температуры. 
• Выявление подделок датчика температуры 1-Wire DS18B20 https://github.com/cpetrich/counterfeit_DS18B20/
• Высокоточный цифровой датчик температуры 1-Wire NST1002 (Novosense) 15-bit ADC.
• 4-20 mA current loop transmitters.
• Сравнение датчиков температуры. Часть 1. Аналоговые.
• Измерение температуры при помощи NTC термистора и микроконтроллера AVR.