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
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
Jak widzimy z wykresu czas konwersji wynosi około 0,43 s i jest bliski wartości z datasheetów (0,32 s).
TMP100 vs. PTC thermistor
TMP100 vs. LM35
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.