Porovnanie výhod a nevýhod štyroch hlavných snímačov teploty

Výber produktov na snímanie teploty sa môže zdať ako triviálna záležitosť, no vzhľadom na rôznorodosť dostupných produktov môže byť táto úloha dosť náročná. V tomto článku autor predstaví štyri typy snímačov teploty (odporové teplotné detektory (RTD), termočlánky, termistory a snímače s integrovaným obvodom (IC) s digitálnym a analógovým rozhraním) a rozoberie výhody a nevýhody každého typu snímača.
Z hľadiska systémovej úrovne bude to, či je snímač teploty vhodný pre vašu aplikáciu, závisieť od požadovaného teplotného rozsahu, presnosti, linearity, nákladov na riešenie, funkčnosti, spotreby energie, veľkosti riešenia, spôsobu inštalácie (metóda povrchovej montáže, metóda vloženia cez dieru a spôsob externej inštalácie dosky plošných spojov), ako aj jednoduchosť podpory návrhu obvodu. RTD
Pri meraní odporu RTD pri zmene jeho teploty je odozva takmer lineárna a pôsobí ako odpor. Ako je znázornené na obrázku 1, krivka odporu RTD nie je úplne lineárna, ale má niekoľko stupňov odchýlky (zobrazuje priamku použitú ako referenciu) – je však vysoko predvídateľná a overiteľná. Na kompenzáciu tejto miernej nelinearity väčšina dizajnérov digitalizuje namerané hodnoty odporu a používa vyhľadávacie tabuľky v rámci mikrokontrolérov na aplikáciu korekčných faktorov. Opakovateľnosť a stabilita v širokom rozsahu teplôt (približne -250°C až+750°C) robí RTD mimoriadne užitočným vo vysoko presných aplikáciách vrátane merania teploty kvapalín alebo plynov v potrubiach a veľkých kontajneroch .
Zložitosť obvodov používaných na spracovanie analógových signálov RTD sa vo všeobecnosti líši v závislosti od aplikácie. Komponenty, ako sú zosilňovače a analógovo-digitálne prevodníky (ADC), ktoré generujú svoje vlastné chyby, sú nevyhnutné. Napájajte snímač iba vtedy, keď je to potrebné na meranie - pomocou tejto metódy môžete dosiahnuť aj prevádzku s nízkou spotrebou, ale obvod bude oveľa zložitejší. Okrem toho výkon potrebný na napájanie snímača tiež zvyšuje jeho vnútornú teplotu, čo ovplyvňuje presnosť merania. Len s niekoľkými ampérmi prúdu bude tento samoohrievací efekt generovať teplotné chyby (tieto chyby sú opraviteľné, ale vyžadujú si ďalšie zváženie). Pamätajte tiež, že náklady na drôtené platinové RTD alebo tenkovrstvové RTD môžu byť dosť vysoké, najmä v porovnaní s cenou I-senzorov.
Termistor
Termistor je ďalší typ elektropozitívneho snímača. Existuje množstvo dostupných termistorov, od cenovo výhodných produktov až po vysoko presné produkty. Nízkonákladové a nízko presné termistory môžu vykonávať jednoduché merania alebo funkcie zisťovania národnej hodnoty - tieto typy odporov vyžadujú viacero komponentov (ako sú komparátory, referenčné a diskrétne odpory), ale sú veľmi lacné a majú nelineárne teplotné vlastnosti odporu, ako je znázornené na obrázku 2. Ak potrebujete merať široký rozsah teplôt, budete musieť vykonať veľa linearizačných prác. Môže byť potrebná kalibrácia niekoľkých teplotných bodov. Na dosiahnutie vyššej presnosti je možné použiť drahšie pole termistorov s užšou toleranciou, ktoré pomôže vyriešiť tento nelineárny problém, ale toto pole je zvyčajne menej citlivé ako jeden termistor.

Vzhľadom na zvýšenú zložitosť a cenu systémov s viacerými skokovými bodmi sa lacné termistory vo všeobecnosti používajú iba pre aplikácie s minimálnymi funkčnými požiadavkami, vrátane hriankovačov, kávovarov, chladničiek a sušičov vlasov. Okrem toho majú termistory aj problémy so samozahrievaním (zvyčajne pri vyšších teplotách, keď je ich odpor nižší). Rovnako ako v prípade RTD, hlavná príčina nemožnosti použiť termistory pri nízkom výkonovom napätí ešte nebola identifikovaná – ale pamätajte, že čím nižší je výstup v plnom rozsahu, tým nižšia je citlivosť systému, ktorú priamo prevádza na základe charakteristiky analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC). Nízkoenergetické aplikácie tiež potrebujú zvýšiť zložitosť obvodov, aby boli vysoko citlivé na chyby spôsobené šumom. Termistory môžu pracovať v teplotnom rozsahu -100 stupňov C až+500 C, hoci väčšina termistorov má menovitý maximálny rozsah prevádzkových teplôt od +100 stupňov C do +150 stupňov C termočlánky
Termočlánok obsahuje spojenie dvoch drôtov vyrobených z rôznych materiálov. Napríklad termočlánok a) typu je vyrobený zo železa a konštantánu. Ako je znázornené na obrázku 3, kontakt 1 je umiestnený pri teplote, ktorá sa má merať, zatiaľ čo kontakt 2 a kontakt 3 sú umiestnené pri rôznych teplotách meraných pomocou analógových snímačov teploty LM35. Výstupné napätie je zhruba úmerné rozdielu medzi týmito dvoma hodnotami teploty.
Pretože citlivosť termočlánkov je dosť nízka (rádovo desiatky mikrovoltov na stupeň Celzia), na generovanie použiteľného výstupného napätia budete potrebovať zosilňovač s nízkym offsetom. V rámci pracovného rozsahu termočlánkov si nelinearita vo funkcii prenosu teploty na napätie často vyžaduje kompenzačné obvody alebo vyhľadávacie tabuľky, rovnako ako RTD a termočlánky. Napriek týmto nevýhodám sú však termočlánky stále veľmi obľúbené, obzvlášť vhodné pre pece, ohrievače vody, pece, testovacie zariadenia a iné priemyselné úpravy - pretože tepelná kvalita termočlánkov je veľmi nízka a rozsah pracovných teplôt (ktorý sa dá rozšíriť nad 2300 stupňov) je veľmi široký:
IC snímač
IC senzory môžu pracovať v teplotnom rozsahu od {{0}}°C do +150°C - vybrané|Senzory C môžu fungovať až do +200 stupňa C. Existujú rôzne typy integrovaných senzorov IC, ale štyri najbežnejšie integrované senzory IC sú analógové výstupné zariadenia, zariadenia s digitálnym rozhraním, vzdialené teplotné senzory a tie s funkciami regulátora teploty (teplotné spínače). Analógové výstupné zariadenia (zvyčajne napäťový výstup, ale niektoré majú aj prúdový výstup) sa najviac podobajú pasívnym riešeniam, keď vyžadujú ADC na digitalizáciu výstupného signálu. Zariadenia s digitálnym rozhraním najčastejšie používajú dve drôtové rozhrania (12C alebo PMBus) a majú vstavané ADC. Okrem lokálneho snímača teploty majú vzdialené snímače teploty aj jeden alebo viac vstupov na monitorovanie teploty vzdialených diód – najčastejšie sa umiestňujú do vysoko integrovaných digitálnych integrovaných obvodov (ako sú procesory alebo polia programovateľné hradlové polia (FPGA)). Keď sa dosiahne prah teploty, termostat môže poskytnúť jednoduchý alarm. Používanie snímačov IC má mnoho výhod vrátane: nízkej spotreby energie; Môže poskytnúť malé obalové produkty (niektoré veľkosti až 0,8 mm x 0,8 mm); V určitých aplikáciách je možné dosiahnuť aj nízke náklady na zariadenie.