[الدليل] قد يبدو اختيار منتج استشعار درجة الحرارة أمرًا تافهًا، ولكن نظرًا لتنوع المنتجات المتاحة، قد تكون هذه المهمة شاقة. في هذه التدوينة، سيقدم المؤلف أربعة أنواع من أجهزة استشعار درجة الحرارة (كاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTD)، المزدوجات الحرارية، الثرمستورات، وأجهزة استشعار الدائرة المتكاملة (IC) ذات الواجهات الرقمية والتناظرية) ومناقشة مزايا وعيوب هذا المستشعر.
من وجهة نظر مستوى النظام، يعتمد ما إذا كان مستشعر درجة الحرارة مناسبًا لتطبيقك على نطاق درجة الحرارة المطلوبة، والدقة، والخطية، وتكلفة الحل، والوظيفة، واستهلاك الطاقة، وحجم المحلول، وطريقة التثبيت (طريقة التركيب على السطح والإدخال عبر الفتحة طريقة وطريقة تركيب لوحة الدائرة الخارجية) ومن الضروري أيضًا دعم سهولة تصميم الدائرة.
RTD
عند قياس مقاومة RTD أثناء تغيير درجة حرارته، تكون الاستجابة خطية تقريبًا، وتتصرف مثل المقاوم. كما هو مبين في الشكل 1، فإن منحنى مقاومة RTD ليس خطيًا تمامًا، ولكن به انحراف ببضع درجات (يظهر الخط المستقيم المستخدم كمرجع) - ولكنه يمكن التنبؤ به إلى حد كبير وقابل للتكرار. للتعويض عن هذا عدم الخطية الطفيفة، يقوم معظم المصممين برقمنة قيمة المقاومة المقاسة ويستخدمون جدول البحث في وحدة التحكم الدقيقة لتطبيق عوامل التصحيح. نطاق درجة الحرارة الواسع هذا (حوالي -250 درجة مئوية إلى +750 درجة مئوية) من التكرار والاستقرار يجعل RTDs مفيدة للغاية في التطبيقات عالية الدقة، بما في ذلك قياس درجة حرارة السوائل أو الغازات في الأنابيب والأوعية الكبيرة.
الشكل 1: مقاومة RTD ودرجة الحرارة
يختلف تعقيد الدائرة المستخدمة لمعالجة الإشارة التناظرية RTD بشكل أساسي وفقًا للتطبيق. لا غنى عن مكونات مثل مكبرات الصوت والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) ، التي تنتج أخطائها الخاصة. فقط عندما يكون القياس ضروريًا لتشغيل المستشعر من خلال هذه الطريقة ، يمكنك أيضًا تحقيق تشغيل منخفض الطاقة ، ولكن هذا سيجعل الدائرة أكثر تعقيدًا. علاوة على ذلك ، ستزيد الطاقة المطلوبة لتنشيط المستشعر من درجة حرارته الداخلية ، مما يؤثر على دقة القياس. مع بضعة مللي أمبير فقط من التيار ، سينتج تأثير التسخين الذاتي هذا أخطاء في درجة الحرارة (هذه الأخطاء قابلة للتصحيح ، ولكنها تتطلب مزيدًا من الدراسة). أيضًا ، ضع في اعتبارك: يمكن أن تكون تكلفة أجهزة RTD البلاتينية السلكية أو RTD ذات الأغشية الرقيقة مرتفعة جدًا ، لا سيما عند مقارنتها بتكلفة أجهزة استشعار IC.
الثرمستور
الثرمستور هو نوع آخر من أجهزة استشعار المقاومة. هناك مجموعة متنوعة من أجهزة الثرمستورات المتاحة ، بدءًا من المنتجات عالية الجودة وغير المكلفة وحتى المنتجات عالية الدقة. يمكن أن تؤدي الثرمستورات منخفضة التكلفة ومنخفضة الدقة وظائف القياس أو الكشف عن العتبة - تتطلب هذه المقاومات مكونات متعددة (مثل المقارنات والمراجع والمقاومات المنفصلة) ، لكنها رخيصة جدًا ولها خصائص غير خطية. الخصائص الخطية المقاومة لدرجة الحرارة موضحة في الشكل 2. إذا كنت بحاجة إلى قياس نطاق واسع من درجات الحرارة ، فستحتاج إلى القيام بالكثير من أعمال الخطية. قد يكون من الضروري معايرة عدة نقاط درجة حرارة. لتحقيق دقة أعلى ، يمكن استخدام مصفوفات الثرمستور الأكثر تكلفة وتحملًا للمساعدة في حل هذه المشكلة غير الخطية ، ولكن هذه المصفوفات عادة ما تكون أقل حساسية من الثرمستور الفردي.
الشكل 2: المقاومة ودرجة حرارة الثرمستور
نظرًا لأن أنظمة نقاط الرحلات المتعددة تزيد من التعقيد والتكلفة، فإن الثرمستورات منخفضة التكلفة تُستخدم بشكل عام فقط في التطبيقات ذات المتطلبات الوظيفية الدنيا، بما في ذلك المحامص وماكينات صنع القهوة والثلاجات ومجففات الشعر. بالإضافة إلى ذلك، تعاني الثرمستورات من مشاكل التسخين الذاتي (عادة عند درجات حرارة أعلى، عندما تكون مقاومتها أقل). كما هو الحال في RTDs، لم يتم بعد اكتشاف السبب الأساسي لعدم إمكانية استخدام الثرمستور في ظل جهد إمداد طاقة منخفض - ولكن تذكر أنه كلما انخفض الخرج على نطاق كامل، تم تحويل النظام مباشرة إلى نظام يعتمد على خصائص المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) كلما انخفضت الحساسية. تحتاج التطبيقات منخفضة الطاقة أيضًا إلى زيادة تعقيد الدائرة حتى تكون حساسة جدًا للأخطاء الناجمة عن الضوضاء. يمكن أن تعمل الثرمستورات في نطاق درجة حرارة يتراوح من -100 درجة مئوية إلى +500 درجة مئوية، على الرغم من أن معظم الثرمستورات مصنفة لنطاق درجة حرارة تشغيل أقصى يتراوح بين +100 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية.
المزدوجة الحرارية
تتكون المزدوجة الحرارية من تقاطع سلكين مصنوعين من مواد مختلفة. على سبيل المثال ، المزدوجات الحرارية من النوع J مصنوعة من الحديد والكونستانتان. كما هو مبين في الشكل 3 ، يوجد جهة الاتصال 1 في درجة الحرارة المراد قياسها ، بينما يتم وضع جهة الاتصال 2 والتلامس 3 في درجات حرارة مختلفة يقاسها مستشعر درجة الحرارة التناظرية LM35. يتناسب جهد الخرج تقريبًا مع الفرق بين قيم درجة الحرارة هاتين.
الشكل 3: استخدام LM35 لتعويض الوصلة الباردة المزدوجة الحرارية
نظرًا لأن حساسية المزدوجات الحرارية منخفضة جدًا (في حدود عشرات الميكروفولت لكل درجة مئوية)، فسوف تحتاج إلى مضخم منخفض الإزاحة لإنتاج جهد خرج قابل للاستخدام. ضمن نطاق تشغيل المزدوجات الحرارية، غالبًا ما تتطلب عدم الخطية في وظيفة نقل درجة الحرارة إلى الجهد دوائر تعويض أو جداول بحث، تمامًا مثل RTDs والمزدوجات الحرارية. ومع ذلك، على الرغم من أوجه القصور هذه، لا تزال المزدوجات الحرارية تحظى بشعبية كبيرة، ومناسبة بشكل خاص للأفران وسخانات المياه والأفران ومعدات الاختبار والعمليات الصناعية الأخرى - لأن الكتلة الحرارية للمزدوجات الحرارية منخفضة جدًا ونطاق درجة حرارة التشغيل (يمكن تمديد درجة حرارة التشغيل إلى أعلى من 2300 درجة مئوية) واسع جدًا.
مستشعر IC
يمكن أن تعمل مستشعرات IC في نطاق درجة حرارة من -55 درجة مئوية إلى + 150 درجة مئوية ، ويمكن أن تعمل العديد من مستشعرات الدائرة المتكاملة في درجات حرارة تصل إلى + 200 درجة مئوية. هناك أنواع مختلفة من مستشعرات IC المدمجة ، لكن أكثر أربعة مستشعرات متكاملة شيوعًا هي بلا شك أجهزة إخراج تمثيلية ، وأجهزة واجهة رقمية ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة عن بُعد ، ومستشعرات IC المتكاملة (مفاتيح تبديل درجة الحرارة) التي لها وظيفة ترموستات. تعتبر أجهزة الإخراج التناظرية (عادةً مخرجات الجهد ، ولكن بعضها يحتوي أيضًا على مخرجات حالية) تشبه الحلول السلبية عندما تحتاج إلى ADC لرقمنة إشارة الخرج. غالبًا ما تستخدم أجهزة الواجهة الرقمية واجهة ثنائية الأسلاك (I2C أو PMBus) وتحتوي على ADC مدمج.
بالإضافة إلى تضمين مستشعر درجة الحرارة المحلية ، تحتوي مستشعرات درجة الحرارة عن بُعد أيضًا على مدخل واحد أو أكثر لمراقبة درجة حرارة الصمام الثنائي البعيد - يتم وضعها غالبًا في دوائر متكاملة رقمية عالية التكامل (على سبيل المثال ، المعالجات أو مصفوفات البوابة الميدانية القابلة للبرمجة]
هناك العديد من المزايا لاستخدام مستشعرات الدائرة المتكاملة ، بما في ذلك: انخفاض استهلاك الطاقة ؛ يمكن توفير منتجات صغيرة معبأة (بعض الأحجام صغيرة مثل 0.8 مم × 0.8 مم) ؛ ويمكن أيضًا تحقيق تكاليف منخفضة للجهاز في بعض التطبيقات. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن مستشعرات الدائرة المتكاملة يتم معايرتها أثناء اختبار الإنتاج ، فلا داعي لمزيد من المعايرة. يتم استخدامها بشكل شائع في تطبيقات تتبع اللياقة البدنية ، والمنتجات القابلة للارتداء ، وأنظمة الحوسبة ، ومسجلات البيانات ، وتطبيقات السيارات.
سيستخدم مصممو لوحات الدوائر الإلكترونية ذوي الخبرة الحل الأنسب وفقًا لمتطلبات المنتج النهائي. يوضح الجدول 1 المزايا / العيوب النسبية لكل مستشعر درجة حرارة.
الروابط: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120