[Leitfaden] Die Auswahl eines Temperatursensorprodukts mag trivial erscheinen, aber aufgrund der Vielfalt der verfügbaren Produkte kann diese Aufgabe entmutigend sein. In diesem Blogbeitrag stellt der Autor vier Arten von Temperatursensoren vor (Widerstandstemperaturdetektoren (RTD), Thermoelemente, Thermistorenund IC-Sensoren (Integrated Circuit) mit digitalen und analogen Schnittstellen) und diskutieren jeweils die Vor- und Nachteile dieses Sensors.
Ob ein Temperatursensor für Ihre Anwendung geeignet ist, hängt auf Systemebene vom erforderlichen Temperaturbereich, der Genauigkeit, der Linearität, den Lösungskosten, der Funktion, dem Stromverbrauch, der Lösungsgröße und der Installationsmethode (Oberflächenmontagemethode und Durchsteckmontage) ab Methode und Installationsmethode für externe Leiterplatten) Es ist auch notwendig, die einfache Gestaltung der Schaltung zu unterstützen.
RTD
Bei der Messung des Widerstands des RTD bei einer Temperaturänderung ist die Reaktion nahezu linear und verhält sich wie ein Widerstand. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Widerstandskurve des RTD nicht vollständig linear, sondern weist eine Abweichung von einigen Grad auf (dargestellt ist eine gerade Linie als Referenz) – sie ist jedoch sehr vorhersehbar und wiederholbar. Um diese leichte Nichtlinearität zu kompensieren, digitalisieren die meisten Entwickler den gemessenen Widerstandswert und verwenden eine Nachschlagetabelle im Mikrocontroller, um Korrekturfaktoren anzuwenden. Dieser große Temperaturbereich (ca. -250 °C bis +750 °C) mit Wiederholbarkeit und Stabilität macht RTDs äußerst nützlich für hochpräzise Anwendungen, einschließlich der Messung der Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohren und großen Behältern.
Abbildung 1: RTD-Widerstand und Temperatur
Die Komplexität der zur Verarbeitung des RTD-Analogsignals verwendeten Schaltung variiert grundsätzlich je nach Anwendung. Unverzichtbar sind Komponenten wie Verstärker und Analog-Digital-Wandler (ADCs), die eigene Fehler erzeugen. Nur wenn die Messung erforderlich ist, um den Sensor mit Strom zu versorgen - durch diese Methode können Sie auch einen Betrieb mit geringer Leistung erreichen, aber dies wird die Schaltung viel komplizierter machen. Darüber hinaus erhöht die zum Erregen des Sensors erforderliche Energie dessen Innentemperatur, wodurch die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt wird. Bei nur wenigen Milliampere Strom führt dieser Selbsterwärmungseffekt zu Temperaturfehlern (diese Fehler sind korrigierbar, erfordern jedoch weitere Überlegungen). Denken Sie auch daran: Die Kosten für drahtgewickelte Platin-RTDs oder Dünnschicht-RTDs können recht hoch sein, insbesondere im Vergleich zu den Kosten von IC-Sensoren.
Thermistoren
Thermistor ist eine andere Art von Widerstandssensor. Es gibt eine Vielzahl von verfügbaren Thermistoren, die von hochwertigen und kostengünstigen Produkten bis hin zu hochpräzisen Produkten reichen. Kostengünstige Thermistoren mit geringer Präzision können einfache Mess- oder Schwellenwerterkennungsfunktionen ausführen. Diese Widerstände erfordern mehrere Komponenten (wie Komparatoren, Referenzen und diskrete Widerstände), sind jedoch sehr billig und haben nichtlineare Eigenschaften. Die linearen Widerstands-Temperatur-Eigenschaften sind in Abbildung 2 dargestellt. Wenn Sie einen großen Temperaturbereich messen müssen, müssen Sie viel Linearisierungsarbeit leisten. Eventuell müssen mehrere Temperaturpunkte kalibriert werden. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, können teurere Thermistorarrays mit engerer Toleranz verwendet werden, um dieses nichtlineare Problem zu lösen, aber solche Arrays sind normalerweise weniger empfindlich als ein einzelner Thermistor.
Abbildung 2: Widerstand und Temperatur des Thermistors
Da Systeme mit mehreren Auslösepunkten die Komplexität und die Kosten erhöhen, werden kostengünstige Thermistoren im Allgemeinen nur in Anwendungen mit minimalen Funktionsanforderungen verwendet, darunter Toaster, Kaffeemaschinen, Kühlschränke und Haartrockner. Außerdem leiden Thermistoren unter Selbsterhitzungsproblemen (normalerweise bei höheren Temperaturen, wenn ihr Widerstand niedriger ist). Wie im Fall von RTDs wurde der grundlegende Grund, warum der Thermistor nicht bei niedriger Versorgungsspannung verwendet werden kann, noch nicht entdeckt – aber denken Sie daran, je niedriger die Vollaussteuerungsleistung ist, desto direkter wird das System in ein System umgewandelt, das auf den Eigenschaften von basiert der Analog-Digital-Wandler (ADC) Je geringer die Empfindlichkeit. Low-Power-Anwendungen müssen auch die Schaltungskomplexität erhöhen, um sehr empfindlich gegenüber Fehlern zu sein, die durch Rauschen verursacht werden. Thermistoren können in einem Temperaturbereich von -100 °C bis +500 °C betrieben werden, obwohl die meisten Thermistoren für einen maximalen Betriebstemperaturbereich von +100 °C bis +150 °C ausgelegt sind.
Thermoelement
Ein Thermoelement besteht aus der Verbindung zweier Drähte aus unterschiedlichen Materialien. Thermoelemente vom J-Typ bestehen beispielsweise aus Eisen und Konstantan. Wie in Abbildung 3 gezeigt, befindet sich Kontakt 1 auf der zu messenden Temperatur, während Kontakt 2 und Kontakt 3 auf unterschiedlichen Temperaturen platziert sind, die vom analogen Temperatursensor LM35 gemessen werden. Die Ausgangsspannung ist ungefähr proportional zur Differenz zwischen diesen beiden Temperaturwerten.
Abbildung 3: Verwendung von LM35 zur Thermoelement-Vergleichsstellenkompensation
Da die Empfindlichkeit von Thermoelementen recht gering ist (in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrovolt pro Grad Celsius), benötigen Sie einen Verstärker mit geringem Offset, um eine brauchbare Ausgangsspannung zu erzeugen. Im Betriebsbereich von Thermoelementen erfordern Nichtlinearitäten in der Temperatur-Spannungs-Übertragungsfunktion häufig Kompensationsschaltungen oder Nachschlagetabellen, genau wie bei RTDs und Thermoelementen. Trotz dieser Mängel erfreuen sich Thermoelemente jedoch immer noch großer Beliebtheit und eignen sich besonders für Öfen, Warmwasserbereiter, Brennöfen, Testgeräte und andere industrielle Prozesse, da die thermische Masse von Thermoelementen sehr gering ist und der Betriebstemperaturbereich (die Betriebstemperatur) sehr gering ist bis über 2300℃) ist sehr breit.
IC-Sensor
IC-Sensoren können in einem Temperaturbereich von -55 °C bis +150 °C arbeiten – ausgewählte IC-Sensoren können bei Temperaturen bis zu +200 °C arbeiten. Es gibt verschiedene Arten von integrierten IC-Sensoren, aber die vier gebräuchlichsten integrierten IC-Sensoren sind zweifellos analoge Ausgabegeräte, digitale Schnittstellengeräte, entfernte Temperatursensoren und die integrierten IC-Sensoren (Temperaturschalter), die eine Thermostatfunktion haben. Analoge Ausgabegeräte (normalerweise Spannungsausgänge, einige haben aber auch Stromausgänge) sind eher passive Lösungen, wenn sie einen ADC benötigen, um das Ausgangssignal zu digitalisieren. Digitale Schnittstellengeräte verwenden meistens eine Zweidrahtschnittstelle (I2C oder PMBus) und haben einen eingebauten ADC.
Zusätzlich zu einem lokalen Temperatursensor verfügen entfernte Temperatursensoren auch über einen oder mehrere Eingänge zur Überwachung der entfernten Diodentemperatur. Sie werden meistens in hochintegrierten digitalen ICs (z. B. Prozessoren oder feldprogrammierbaren Gate-Arrays[FPGA】) Mitte platziert
Die Verwendung von IC-Sensoren bietet viele Vorteile, darunter: geringer Stromverbrauch; kleine verpackte Produkte (einige Größen von nur 0.8 mm × 0.8 mm) können bereitgestellt werden; und in einigen Anwendungen können auch niedrige Gerätekosten erreicht werden. Da IC-Sensoren während des Produktionstests kalibriert werden, ist außerdem keine weitere Kalibrierung erforderlich. Sie werden häufig in Fitness-Tracking-Anwendungen, tragbaren Produkten, Computersystemen, Datenloggern und Automobilanwendungen verwendet.
Erfahrene Leiterplattendesigner verwenden die am besten geeignete Lösung entsprechend den Anforderungen des Endprodukts. Tabelle 1 zeigt die relativen Vorteile/Nachteile jedes Temperatursensors.
Die Links: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120