Primerjava prednosti in slabosti štirih glavnih temperaturnih senzorjev

Izbira izdelkov za zaznavanje temperature se morda zdi nepomembna stvar, vendar je zaradi raznolikosti razpoložljivih izdelkov ta naloga lahko precej zastrašujoča. V tem članku bo avtor predstavil štiri vrste temperaturnih senzorjev (uporovni temperaturni detektorji (RTD), termočleni, termistorji in senzorji integriranega vezja (IC) z digitalnimi in analognimi vmesniki) ter razpravljal o prednostih in slabostih vsake vrste senzorjev.
Z vidika sistemske ravni bo, ali je temperaturni senzor primeren za vašo aplikacijo, odvisno od zahtevanega temperaturnega območja, natančnosti, linearnosti, stroškov rešitve, funkcionalnosti, porabe energije, velikosti rešitve, načina namestitve (metoda površinske montaže, metoda vstavljanja skozi luknjo , in način zunanje namestitve vezja), kot tudi enostavnost podpore za načrtovanje vezja. RTD
Pri merjenju upora RTD med spreminjanjem njegove temperature je odziv skoraj linearen in deluje kot upor. Kot je prikazano na sliki 1, krivulja upora RTD ni popolnoma linearna, ampak ima nekaj stopinj odstopanja (prikazuje ravno črto, ki se uporablja kot referenca) - vendar je zelo predvidljiva in preverljiva. Da bi nadomestili to rahlo nelinearnost, večina načrtovalcev digitalizira izmerjene vrednosti upora in uporabi iskalne tabele v mikrokontrolerjih za uporabo korekcijskih faktorjev. Zaradi ponovljivosti in stabilnosti v širokem temperaturnem območju (približno -250 stopinj C do +750 stopinj C) je RTD izjemno uporaben v aplikacijah z visoko natančnostjo, vključno z merjenjem temperature tekočin ali plinov v cevovodih in velikih posodah. .
Kompleksnost vezij, ki se uporabljajo za obdelavo analognih signalov RTD, se na splošno razlikuje glede na aplikacijo. Nepogrešljive so komponente, kot so ojačevalniki in analogno-digitalni pretvorniki (ADC), ki sami ustvarjajo napake. Senzor napajajte le, ko je to potrebno za merjenje - s to metodo lahko dosežete tudi delovanje z nizko porabo energije, vendar bo to vezje veliko bolj zapleteno. Poleg tega moč, potrebna za vklop senzorja, poveča tudi njegovo notranjo temperaturo, kar vpliva na natančnost meritev. Pri samo nekaj amperih toka bo ta učinek samosegrevanja povzročil temperaturne napake (te napake je mogoče popraviti, vendar zahtevajo nadaljnjo obravnavo). Upoštevajte tudi, da so stroški žično navitih platinastih RTD ali tankoslojnih RTD lahko precej visoki, zlasti v primerjavi s stroški I-senzorjev.
Termistor
Termistor je druga vrsta elektropozitivnega senzorja. Na voljo je vrsta termistorjev, od stroškovno učinkovitih izdelkov do izdelkov z visoko natančnostjo. Poceni in nizko natančni termistorji lahko izvajajo preproste meritve ali nacionalne funkcije zaznavanja vrednosti - te vrste uporov zahtevajo več komponent (kot so primerjalniki, referenčni in ločeni upori), vendar so zelo poceni in imajo nelinearne temperaturne lastnosti upora, kot je prikazano na sliki 2. Če morate izmeriti širok razpon temperatur, boste morali opraviti veliko linearizacijskega dela. Morda bo potrebna kalibracija več temperaturnih točk. Da bi dosegli višjo natančnost, lahko za pomoč pri reševanju tega nelinearnega problema uporabimo dražji niz termistorjev s strožjo toleranco, vendar je ta niz običajno manj občutljiv kot en sam termistor.

Zaradi povečane kompleksnosti in stroškov sistemov z več preskočnimi točkami se poceni termistorji običajno uporabljajo samo za aplikacije z minimalnimi funkcionalnimi zahtevami, vključno z opekači kruha, aparati za kavo, hladilniki in sušilniki za lase. Poleg tega imajo termistorji tudi težave s samosegrevanjem (običajno pri višjih temperaturah, ko je njihov upor manjši). Tako kot v primeru RTD-jev glavni vzrok za nezmožnost uporabe termistorjev pri nizkih napetostih moči še ni odkrit - vendar ne pozabite, da nižji kot je izhod v polnem obsegu, nižja je občutljivost sistema, ki jo neposredno pretvori na podlagi značilnosti analogno-digitalnih pretvornikov (ADC). Aplikacije z nizko porabo energije morajo tudi povečati kompleksnost vezja, da bi bile zelo občutljive na napake, ki jih povzroča hrup. Termistorji lahko delujejo v temperaturnem območju od -100 stopinj C do +500C, čeprav ima večina termistorjev nazivno največje delovno temperaturno območje od +100 stopinj C do +150 stopinj C termoelementov
Termočlen vključuje spoj dveh žic iz različnih materialov. Na primer, termočlen tipa a) je izdelan iz železa in konstantana. Kot je prikazano na sliki 3, se kontakt 1 nahaja pri temperaturi, ki jo je treba izmeriti, medtem ko sta kontakt 2 in kontakt 3 nameščena pri različnih temperaturah, izmerjenih z analognimi temperaturnimi senzorji LM35. Izhodna napetost je približno sorazmerna z razliko med tema dvema temperaturnima vrednostma.
Ker je občutljivost termočlenov precej nizka (približno desetine mikrovoltov na stopinjo Celzija), boste za ustvarjanje uporabne izhodne napetosti potrebovali ojačevalnik z nizkim odmikom. Znotraj delovnega območja termočlenov nelinearnost v funkciji prenosa temperature na napetost pogosto zahteva kompenzacijska vezja ali iskalne tabele, tako kot RTD in termočleni. Kljub tem pomanjkljivostim pa so termoelementi še vedno zelo priljubljeni, še posebej primerni za pečice, grelnike vode, peči, opremo za testiranje in druge industrijske obdelave – ker je toplotna kakovost termoelementov zelo nizka in delovno temperaturno območje (ki ga je mogoče razširiti) nad 2300 stopinj) je zelo širok:
IC senzor
Senzorji IC lahko delujejo v temperaturnem območju od {{0}} stopinj C do +150 stopinj C - izbrano|Senzorji C lahko delujejo do +200 stopinj C. Obstajajo različne vrste integriranih senzorjev IC, vendar so štirje najpogostejši integrirani senzorji IC analogne izhodne naprave, digitalne vmesniške naprave, daljinski temperaturni senzorji in tisti s funkcijami temperaturnega regulatorja (temperaturna stikala). Analogne izhodne naprave (običajno napetostni izhod, nekatere pa imajo tudi tokovni izhod) so najbolj podobne pasivnim rešitvam, ko potrebujejo ADC za digitalizacijo izhodnega signala. Digitalne vmesniške naprave najpogosteje uporabljajo dvožične vmesnike (12C ali PMBus) in imajo vgrajene ADC. Poleg lokalnega temperaturnega senzorja imajo oddaljeni temperaturni senzorji tudi enega ali več vhodov za spremljanje temperature oddaljene diode - najpogosteje so nameščeni v visoko integriranih digitalnih IC-jih (kot so procesorji ali polje programirljivih vratnih nizov (FPGA)). Ko je temperaturni prag dosežen, lahko termostat sproži preprost alarm. Uporaba senzorjev IC ima številne prednosti, vključno z: nizko porabo energije; Lahko zagotovi izdelke majhne embalaže (nekatere velikosti tako majhne kot 0.8mmx0.8mm); Pri nekaterih aplikacijah je mogoče doseči tudi nizke stroške naprave.