Sammenligning av fordeler og ulemper ved fire vanlige temperatursensorer

Å velge temperaturfølende produkter kan virke som en triviell sak, men på grunn av variasjonen av tilgjengelige produkter, kan denne oppgaven være ganske skremmende. I denne artikkelen vil forfatteren introdusere fire typer temperatursensorer (motstandstemperaturdetektorer (RTD), termoelementer, termistorer og integrerte kretssensorer (IC) med digitale og analoge grensesnitt) og diskutere fordeler og ulemper ved hver type sensor.
Fra et systemnivåperspektiv, om en temperatursensor er egnet for din applikasjon vil avhenge av nødvendig temperaturområde, nøyaktighet, linearitet, løsningskostnad, funksjonalitet, strømforbruk, løsningsstørrelse, installasjonsmetode (overflatemonteringsmetode, metode for innsetting gjennom hull). , og ekstern installasjonsmetode for kretskort), samt enkel støtte for kretsdesign. RTD
Når du måler motstanden til en RTD mens den endrer temperaturen, er responsen nesten lineær, og fungerer som en motstand. Som vist i figur 1 er motstandskurven til RTD ikke helt lineær, men har noen få grader av avvik (viser en rett linje brukt som referanse) - men den er svært forutsigbar og etterprøvbar. For å kompensere for denne lille ikke-lineariteten, digitaliserer de fleste designere de målte motstandsverdiene og bruker oppslagstabeller i mikrokontrollere for å bruke korreksjonsfaktorer. Repeterbarheten og stabiliteten innenfor et bredt temperaturområde (omtrent -250 grader C til +750 grader C) gjør RTD ekstremt nyttig i høypresisjonsapplikasjoner, inkludert måling av temperaturen til væsker eller gasser i rørledninger og store beholdere .
Kompleksiteten til kretser som brukes til å behandle analoge RTD-signaler varierer generelt avhengig av applikasjonen. Komponenter som forsterkere og analog-til-digital-omformere (ADC), som genererer sine egne feil, er uunnværlige. Tilfør kun strøm til sensoren når det er nødvendig for måling - du kan også oppnå laveffektdrift gjennom denne metoden, men dette vil gjøre kretsen mye mer kompleks. Dessuten øker strømmen som kreves for å slå på sensoren også dens interne temperatur, og påvirker dermed målenøyaktigheten. Med bare noen få ampere strøm vil denne selvoppvarmingseffekten generere temperaturfeil (disse feilene kan korrigeres, men krever ytterligere vurdering). Husk også at kostnadene for trådviklede platina RTDer eller tynnfilm RTDer kan være ganske høye, spesielt sammenlignet med kostnadene for I-sensorer.
Termistor
Termistor er en annen type elektropositiv sensor. Det finnes en rekke tilgjengelige termistorer, alt fra kostnadseffektive produkter til høypresisjonsprodukter. Termistorer med lav pris og lav presisjon kan utføre enkle målings- eller nasjonale verdideteksjonsfunksjoner - disse typene motstander krever flere komponenter (som komparatorer, referanse- og diskrete motstander), men er veldig billige og har ikke-lineære motstandstemperaturegenskaper, som vist i figuren 2. Hvis du trenger å måle et bredt temperaturområde, må du utføre mye lineariseringsarbeid. Kalibrering av flere temperaturpunkter kan være nødvendig. For å oppnå høyere nøyaktighet kan en dyrere og strammere toleransetermistorgruppe brukes for å løse dette ikke-lineære problemet, men denne matrisen er vanligvis mindre følsom enn en enkelt termistor.

På grunn av den økte kompleksiteten og kostnadene til systemer med flere hoppepunkter, brukes rimelige termistorer vanligvis bare for applikasjoner med minimale funksjonskrav, inkludert brødristere, kaffetraktere, kjøleskap og hårfønere. I tillegg lider termistorer også av selvoppvarmingsproblemer (vanligvis ved høyere temperaturer, når motstanden er lavere). Som med RTD-er, er grunnårsaken til at man ikke kan bruke termistorer ved lave strømspenninger ennå ikke identifisert - men husk at jo lavere fullskala-utgang, jo lavere systemfølsomhet konverterer den direkte basert på egenskaper for analog-til-digital omformere (ADC). Laveffektapplikasjoner må også øke kretsens kompleksitet for å være svært følsomme for feil forårsaket av støy. Termistorer kan fungere i temperaturområdet -100 grader C til +500C, selv om de fleste termistorer har et angitt maksimalt driftstemperaturområde på +100 grader C til+150 grader C termoelementer
Et termoelement inkluderer et kryss av to ledninger laget av forskjellige materialer. For eksempel er et termoelement av typen a) laget av jern og konstantan. Som vist i figur 3 er kontakt 1 plassert ved temperaturen som skal måles, mens kontakt 2 og kontakt 3 er plassert ved forskjellige temperaturer målt ved hjelp av LM35 analoge temperatursensorer. Utgangsspenningen er omtrent proporsjonal med forskjellen mellom disse to temperaturverdiene.
Fordi følsomheten til termoelementer er ganske lav (i størrelsesorden titalls mikrovolt per grad Celsius), vil du trenge en lav offset forsterker for å generere brukbar utgangsspenning. Innenfor arbeidsområdet til termoelementer krever ikke-linearitet i overføringsfunksjonen temperatur til spenning ofte kompensasjonskretser eller oppslagstabeller, akkurat som RTDer og termoelementer. Til tross for disse ulempene, er termoelementer fortsatt veldig populære, spesielt egnet for ovner, varmtvannsberedere, ovner, testutstyr og andre industrielle behandlinger - fordi den termiske kvaliteten til termoelementene er veldig lav, og arbeidstemperaturområdet (som kan utvides) til over 2300 grader ) er veldig bredt:
IC sensor
IC-sensorer kan fungere innenfor et temperaturområde på {{0}} grader C til+150 grader C - valgt|C-sensorer kan fungere opp til +200 grader C. Det finnes ulike typer integrerte IC-sensorer, men de fire vanligste integrerte IC-sensorene er analoge utgangsenheter, digitale grensesnittenheter, eksterne temperatursensorer og de med temperaturkontrollerfunksjoner (temperaturbrytere). Analoge utgangsenheter (vanligvis spenningsutgang, men noen har også strømutgang) er mest som passive løsninger når de krever ADC for å digitalisere utgangssignalet. Digitale grensesnittenheter bruker oftest to-ledningsgrensesnitt (12C eller PMBus) og har innebygde ADC-er. I tillegg til en lokal temperatursensor, har eksterne temperatursensorer også en eller flere innganger for å overvåke ekstern diodetemperatur - de er oftest plassert i høyt integrerte digitale IC-er (som prosessorer eller feltprogrammerbare gate-arrayer (FPGA)). Når temperaturterskelen er nådd, kan termostaten gi en enkel alarm. Det er mange fordeler med å bruke IC-sensorer, inkludert: lavt strømforbruk; Kan tilby små emballasjeprodukter (noen størrelser så små som 0.8mmx0.8mm); Lave enhetskostnader kan også oppnås i visse applikasjoner.