Sponsorzy:

Comarch National Instruments

Temperature sensors

We have to choose the best temperature sensors for our CanSat. We’ve carried out a few experiments and measurements for this purpose.

What makes a sensor ‘the best’?

  • small dimensions
  • low thermal capacity and low thermal inertia
  • high accuracy
  • resolution; the higher, the better
  • conversion time; the lower, the better

Sensors from ESA

As a part of the Kit from ESA, we’ve received two analog temperature sensors. The first – thermistor – is a kind of resistor whose resistance chances significantly with temperature. The second one is cheap and popular LM35 whose output voltage is proportional to temperature. Both of them have a few disadvantages.

Thermistor:

  • needs accurate ADC
  • low accuracy (0.25 °C)
  • non-linearity
  • differences in resistance between items
  • bad calibration in datasheet

LM35:

  • needs accurate ADC
  • amplifier should be used
  • isn’t good for temperatures below 0 °C
  • low accuracy (±0.5 °C)

We are searching for better solutions…

We looked into digital temperature sensors. They don’t need external A/D converters and they are tiny. But many of them have unacceptably long conversion time.

Methods

To acquire data from our sensors we used Arduino Duemilanove. It has a 10-bit A/D converters for analog sensors and I2C interface for digital ones. Arduino was connected to PC with National Instruments LabView software. LabView is the best way to acquire and analyze data from sensors and measurements instruments. Sensors were mounted on breadboard and connected to Arduino. LabView application created especially for this measurements is shown below. It can read from serial port, perform necessary calculations with data collected from sensors, draw plots and create indicators.

lv2

lv3 

The measurements were conducted in a freezer where ambient temperature was (-12 ± 2) °C and in a room at  (23 ± 2) °C.

TMP100

For first tests with digital temperature sensors we’ve chosen small and cheap TMP100. It has a built-in 12bit A/D converter and I2C interface. Max. accuracy is ±2 °C and resolution is 0.0625°C in 12bit mode. Normal conversion time is about 320 ms. We carried out several tests and compared sensors each other.

The first test: conversion time

conversiontime

As you can see in the above plot, conversion time – 0.43 s  is close to the value in the datasheet (320 ms).

TMP100 vs. PTC thermistor

TMP100vsPTC

TMP100 vs. LM35

TMP100vsLM35

Unfortunately, TMP100 has higher thermal interia. Most likely it is due to fact that TMP100 is soldered on PCB, which has high thermal capacity. Thermistor and LM35 may hang in the air, so heat transfer is faster.

We rejected LM35 due to noise and unstable readings. Thermistors are better in this field, but also have low accuracy and datasheets leave much to be desired. But TMP100 still isn’t a good solution…

The solution

We’ve chosen two sensors. The first one is fast, accurate to ±0.25°C, 16-Bit Digital I2C Temperature Sensor ADT7420 from Analog Devices, and the second one is PT1000 platinum resistance sensor with positive temperature coefficient. Accuracy is at least ±0.01°C  (!).  We’re planning use it with 16-bit A/D converter, and stable current source.

We believe that chosen sensors will allow us to carry out high-precision measurements.

Czujniki temperatury

Czujniki ciśnienia i temperatury są jedynymi czujnikami wymaganymi przez ESA. Są one bardzo ważne, dlatego poświęcamy dużo sił i środków aby wybrać te najlepsze. Dziś podsumujemy nasze dotychczasowe wyniki prac nad wyborem i testowaniem czujnika temperatury. W celu wyboru odpowiedniego czujnika przeprowadziliśmy kilka eksperymentów i pomiarów.

Jakie cechy ma najlepszy czujnik?

  • małe wymiary
  • niska pojemność i bezwładność cieplna
  • wysoka dokładność
  • dokładność; im lepsza, tym lepiej
  • czas konwersji; im mniejszy, tym lepszy

Czujnik od ESA

Jako cześć zestawu od ESA, otrzymaliśmy dwa analogowe czujniki temperatury. Pierwszy – termistor – to taki rezystor, którego opór znacząco zmienia się wraz z temperaturą.:

Termistor

  • wymaga dokładnego przetwornika analogowo-cyfrowego
  • niska dokładność (0,25 °C)
  • nielinowość
  • nieprawidłowa kalibracja w arkuszy danych

LM35

  • wymaga dokładnego przetwornika analogowo-cyfrowego
  • wymaga wzmacniacza
  • nie mierzy prawidłowo temperatur poniżej 0 °C
  • niska dokładność (±0,5 °C)

Szukając lepszych rozwiązań…

Szukając lepszych rozwiązań przyglądnęliśmy się bliżej cyfrowym czujnikom temperatury. Nie wymagają przetworników analogowo-cyfrowych i są bardzo małe. Niestety wiele z nich posiada stanowczo za duży czas konwersji.

Metody

lv2 lv3

Dane zbieraliśmy przy pomocy Arduino Duemilanove. Posiada 10 bitowy konwerter analogowo-cyfrowy oraz interfejs I2C.

Arduino zostało podłączone do komputera z softwarem National Instruments LabView. Czujniki zostały umieszczone na płytce prototypowej. Aplikacja w  LabView została stworzona specjalnie do tych pomiarów. Czyta ona dane z portu szeregowego, dokonuje niezbędnych obliczeń, przetwarza dane i rysuje wykresy.

Pomiary zostały dokonane w zamrażalniku, w którym temperatura wynosiła (-12 ± 2) °C oraz w pokoju o temp. (23 ± 2) °C.

Do pierwszych testów cyfrowych czujników wybraliśmy niewielki i tani TMP100. Posiada on wbudowany 12 bitowy konwerter analogowo-cyfrowy i iterfejs I2C. Jego maksymalna dokładność to ±2 °C a rozdzielczość to 0,0625°C. Czas konwersji to około 320 ms. Przeprowadziliśmy kilka testów i porównaliśmy wyniki.

Test pierwszy: czas konwersji

conversiontime

Jak widzimy z wykresu czas konwersji wynosi około 0,43 s i jest bliski wartości z datasheetów (0,32 s).

TMP100 vs. PTC thermistor

TMP100vsPTC
TMP100 vs. LM35

TMP100vsLM35

Niestety, TMP100 ma wysoką bezwładność cieplną. Jest to zapewne spowodowane faktem, że TMP100 jest przylutowany do PCB, który ma znaczącą pojemność cieplną. Termistor i LM35 mogą znajdowąć się w powietrzu, więc przepływ ciepła jest szybszy.

Odrzuciliśmy LM35 z powody szumu oraz niestabilności odczytów. W tym obszarze termistory są zdecydowanie lepsze, ale niska dokładność wyklucza ich zasotowanie.

Rozwiązanie

Wybraliśmy dwa sensory. Pierwszy to szybki, dokładny do ±0,25°C, 16 bitowy czujni ADT7420 firmy Analog Devices, a drugi to platynowy czujnik oporu PT1000. Jego dokładność wynosi ponad ±0,01°C (!). Planujemy użyć 16 bitowego konwertera analogowo-cyfrowego i stabilnego źródła prądu.

Mamy nadzieje, że wybrane czujniki pozwolą nam przeprowadzić pomiary z wysoką precyzją.

Życzenia

Przesyłamy Wam ducha miłości, radości i dawania. Przyjmij go na Wigilię. Życzymy wesołych Świąt.

wesolychswiat

Życzy Kraksat

Wishes

Sending you the spirit of love, joy and giving. Unwrap it on Christmas Eve. Wishing you a Merry Christmas.

wesolychswiat

Wishes Kraksat

Nasz sponsor – National Instuments

ni logo

Jesteśmy szczęśliwi, że możemy obwieścić, że National Instruments Corporation została naszym sponsorem.

W ramach współpracy otrzymaliśmy sześć licencji na program LabView. W zamian weźmiemy udział w konkursie na projekty studenckie i przygotujemy prezentacje na NI Days na temat naszego wykorzystania LabView, który zazwyczaj odbywa się w październiku. Mamy nadzieję, że nasz współpraca będzie owocna.

Zamierzamy napisać w LabView:

  • analizę danych
  • trójwymiarowy widok puszki w czasie rzeczywistym
  • prezentację danych (DIAdem)