Порівняння переваг і недоліків чотирьох основних датчиків температури

Вибір датчиків температури може здатися незначною справою, але через різноманітність доступних продуктів це завдання може бути досить складним. У цій статті автор представить чотири типи датчиків температури (резистивні датчики температури (RTD), термопари, термістори та датчики інтегральних схем (IC) з цифровими та аналоговими інтерфейсами) і обговорить переваги та недоліки кожного типу датчиків.
З точки зору системного рівня, відповідність температурного датчика вашому застосуванню залежатиме від необхідного температурного діапазону, точності, лінійності, вартості рішення, функціональності, енергоспоживання, розміру рішення, методу встановлення (метод поверхневого монтажу, метод введення через отвір). , і зовнішній спосіб монтажу друкованої плати), а також легкість підтримки конструкції схеми. RTD
Під час вимірювання опору RTD під час зміни його температури відповідь є майже лінійною, діючи як резистор. Як показано на малюнку 1, крива опору RTD не є повністю лінійною, але має кілька ступенів відхилення (показує пряму лінію, яка використовується як еталон), але її можна передбачити та перевірити. Щоб компенсувати цю невелику нелінійність, більшість розробників оцифровують виміряні значення опору та використовують таблиці пошуку в мікроконтролерах для застосування поправкових коефіцієнтів. Повторюваність і стабільність у широкому діапазоні температур (приблизно від -250 градусів C до +750 градусів C) роблять RTD надзвичайно корисним у високоточних застосуваннях, зокрема для вимірювання температури рідин або газів у трубопроводах і великих контейнерах. .
Складність схем, що використовуються для обробки аналогових сигналів RTD, зазвичай різниться залежно від програми. Такі компоненти, як підсилювачі та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), які генерують власні помилки, незамінні. Подайте живлення на датчик лише тоді, коли це необхідно для вимірювання - ви також можете досягти роботи з низьким споживанням за допомогою цього методу, але це значно ускладнить схему. Крім того, потужність, необхідна для живлення датчика, також підвищує його внутрішню температуру, тим самим впливаючи на точність вимірювання. З лише кількома амперами струму цей ефект самонагрівання спричинить температурні помилки (ці помилки можна виправити, але потребують додаткового розгляду). Крім того, пам’ятайте, що вартість платинових терморезистивних датчиків із дротяною намоткою або тонкоплівкових терморезистивних датчиків температури може бути досить високою, особливо порівняно з вартістю I-датчиків.
Термістор
Термістор - ще один тип електропозитивного датчика. Існує безліч доступних термісторів, починаючи від рентабельних продуктів і закінчуючи високоточними продуктами. Недорогі та низькоточні термістори можуть виконувати прості вимірювання або національні функції визначення значення - ці типи резисторів вимагають кількох компонентів (таких як компаратори, еталонні та дискретні резистори), але вони дуже дешеві та мають нелінійні температурні властивості опору, як показано на малюнку 2. Якщо вам потрібно виміряти широкий діапазон температур, вам доведеться виконати багато робіт з лінеаризації. Може знадобитися калібрування кількох температурних точок. Щоб досягти вищої точності, для вирішення цієї нелінійної проблеми можна використовувати дорожчий масив термісторів з більш жорстким допуском, але цей масив зазвичай менш чутливий, ніж один термістор.

Через підвищену складність і вартість систем з декількома точками переходу, недорогі термістори, як правило, використовуються лише для застосувань з мінімальними функціональними вимогами, включаючи тостери, кавоварки, холодильники та фени. Крім того, термістори також страждають від проблем із самонагріванням (зазвичай при вищих температурах, коли їхній опір нижчий). Як і у випадку з терморезистивними датчиками температури (RTD), основна причина неможливості використання термісторів при низькій напрузі потужності ще не виявлена, але пам’ятайте, що чим нижчий повний вихідний сигнал, тим нижча чутливість системи, яку він безпосередньо перетворює на основі характеристики аналого-цифрових перетворювачів (АЦП). Додатки з низьким енергоспоживанням також потребують збільшення складності схеми, щоб бути високочутливими до помилок, викликаних шумом. Термистори можуть працювати в діапазоні температур від -100 градусів C до +500C, хоча більшість термісторів мають номінальний максимальний діапазон робочих температур від +100 градусів C до +150 градусів C термопар
Термопара включає в себе з'єднання двох проводів, виготовлених з різних матеріалів. Наприклад, термопара типу а) виготовляється із заліза та константану. Як показано на малюнку 3, контакт 1 розташований при температурі, яку потрібно виміряти, тоді як контакт 2 і контакт 3 розташовані при різних температурах, виміряних за допомогою аналогових датчиків температури LM35. Вихідна напруга приблизно пропорційна різниці між цими двома значеннями температури.
Оскільки чутливість термопар досить низька (порядку десятків мікровольт на градус Цельсія), вам знадобиться підсилювач із низьким зміщенням для генерування корисної вихідної напруги. У межах робочого діапазону термопар нелінійність у функції передачі від температури до напруги часто потребує компенсаційних схем або таблиць пошуку, так само, як для RTD і термопар. Однак, незважаючи на ці недоліки, термопари все ще дуже популярні, особливо придатні для печей, водонагрівачів, печей, випробувального обладнання та інших промислових процедур, оскільки теплова якість термопар дуже низька, а діапазон робочих температур (який можна розширити) до вище 2300 градусів) є дуже широким:
IC датчик
Датчики IC можуть працювати в діапазоні температур від {{0}} градусів C до +150 градусів C - вибрано|Датчики C можуть працювати до +200 градусів C. Існують різні типи інтегрованих датчиків IC, але чотири найпоширеніші вбудовані датчики IC – це пристрої аналогового виведення, пристрої цифрового інтерфейсу, дистанційні датчики температури та датчики з функціями контролю температури (перемикачі температури). Пристрої аналогового виводу (зазвичай вихід напруги, але деякі також мають вихід струму) найбільш схожі на пасивні рішення, коли їм потрібен АЦП для оцифровки вихідного сигналу. Пристрої цифрового інтерфейсу найчастіше використовують двопровідні інтерфейси (12C або PMBus) і мають вбудовані АЦП. На додаток до локального датчика температури, віддалені датчики температури також мають один або кілька входів для моніторингу температури дистанційного діода - вони найчастіше розміщуються в високоінтегрованих цифрових мікросхемах (таких як процесори або програмовані вентильні матриці (FPGA)). При досягненні температурного порогу термостат може подати простий сигнал тривоги. Використання датчиків IC має багато переваг, зокрема: низьке енергоспоживання; Може надати невеликі пакувальні продукти (деякі розміри невеликі як 0.8mmx0.8mm); Низька вартість пристрою також може бути досягнута в певних додатках.