היתרונות והחסרונות של ארבעת סוגי חיישני הטמפרטורה

[מדריך]בחירת מוצר חישת טמפרטורה עשויה להיראות כעניין של מה בכך, אך בשל מגוון המוצרים הזמינים, משימה זו עלולה להיות מרתיעה. בפוסט זה בבלוג, המחבר יציג ארבעה סוגים של חיישני טמפרטורה (גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD), צמדים תרמיים, תרמיסטורים, וחיישני Circuit (IC) משולבים עם ממשקים דיגיטליים ואנלוגיים) ולדון בכל אחד מהיתרונות והחסרונות של חיישן זה.

מנקודת מבט ברמת המערכת, האם חיישן טמפרטורה מתאים ליישום שלך יהיה תלוי בטווח הטמפרטורה הנדרש, דיוק, ליניאריות, עלות הפתרון, תפקוד, צריכת חשמל, גודל הפתרון, שיטת ההתקנה (שיטת הרכבה על פני השטח והכנסת חור דרך שיטה ושיטת התקנת לוח מעגל חיצוני) יש צורך גם לתמוך בקלות העיצוב של המעגל.

RTD

כאשר מודדים את ההתנגדות של ה-RTD תוך שינוי הטמפרטורה שלו, התגובה היא כמעט ליניארית, ומתנהגת כמו נגד. כפי שמוצג באיור 1, עקומת ההתנגדות של ה-RTD אינה ליניארית לחלוטין, אלא יש לה סטייה של כמה מעלות (מוצג קו ישר המשמש כאסמכתא) - אך היא ניתנת לחיזוי וניתן לחזור עליה. כדי לפצות על אי-לינאריות קלה זו, רוב המעצבים עושים דיגיטציה של ערך ההתנגדות הנמדד ומשתמשים בטבלת חיפוש במיקרו-בקר כדי להחיל גורמי תיקון. טווח הטמפרטורות הרחב הזה (כ-250 מעלות צלזיוס עד +750 מעלות צלזיוס) של חזרות ויציבות הופך את ה-RTDs שימושי ביותר ביישומים בעלי דיוק גבוה, כולל מדידת טמפרטורת נוזלים או גזים בצינורות וכלים גדולים.

איור 1: התנגדות RTD וטמפרטורה

המורכבות של המעגל המשמש לעיבוד האות האנלוגי RTD משתנה בעצם בהתאם לאפליקציה. רכיבים כגון מגברים וממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADC), המייצרים שגיאות משלהם, הם הכרחיים. רק כאשר המדידה נחוצה כדי להפעיל את החיישן-באמצעות שיטה זו ניתן להשיג גם פעולה בהספק נמוך, אבל זה יהפוך את המעגל להרבה יותר מסובך. יתרה מכך, ההספק הנדרש להמרצת החיישן יגדיל את הטמפרטורה הפנימית שלו, ובכך ישפיע על דיוק המדידה. עם זרם בודדים של מיליאמפר בלבד, אפקט החימום העצמי הזה ייצור שגיאות טמפרטורה (שגיאות אלו ניתנות לתיקון, אך דורשות התייחסות נוספת). כמו כן, זכור: העלות של RTDs פלטינה מפותלים או RTDs עם סרט דק עשויה להיות גבוהה למדי, במיוחד בהשוואה לעלות חיישני IC.

thermistor

תרמיסטור הוא סוג נוסף של חיישן התנגדות. קיים מגוון רחב של תרמיסטורים זמינים, החל ממוצרים איכותיים וזולים ועד מוצרים בעלי דיוק גבוה. תרמיסטורים בעלות נמוכה ובדיוק נמוך יכולים לבצע פונקציות מדידה או זיהוי סף פשוטות - נגדים אלו דורשים רכיבים מרובים (כגון השוואות, הפניות ונגדים בדידים), אך הם זולים מאוד ויש להם מאפיינים לא ליניאריים. מאפייני ההתנגדות-טמפרטורה הלינארית מוצגים באיור 2. אם אתה צריך למדוד טווח רחב של טמפרטורות, תצטרך לבצע הרבה עבודת ליניאריזציה. ייתכן שיהיה צורך לכייל מספר נקודות טמפרטורה. כדי להשיג דיוק גבוה יותר, ניתן להשתמש במערכי תרמיסטורים בעלי סובלנות יקרים יותר והדוקים יותר כדי לסייע בפתרון בעיה לא ליניארית זו, אך מערכים כאלה בדרך כלל פחות רגישים מתרמיסטור בודד.

איור 2: התנגדות וטמפרטורה של התרמיסטור

מכיוון שמערכות נקודות מרובות מגדילות את המורכבות והעלות, תרמיסטורים בעלות נמוכה משמשים בדרך כלל רק ביישומים עם דרישות פונקציונליות מינימליות, כולל טוסטרים, מכונות קפה, מקררים ומייבשי שיער. בנוסף, תרמיסטורים סובלים מבעיות חימום עצמי (בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות יותר, כאשר ההתנגדות שלהם נמוכה יותר). כמו במקרה של RTDs, הסיבה הבסיסית לכך שלא ניתן להשתמש בתרמיסטור במתח אספקת חשמל נמוך עדיין לא התגלתה - אך זכרו, ככל שהפלט בקנה מידה מלא נמוך יותר, המערכת הומרה ישירות למערכת המבוססת על המאפיינים של הממיר האנלוגי לדיגיטלי (ADC) ככל שהרגישות נמוכה יותר. יישומים בעלי הספק נמוך צריכים גם להגדיל את מורכבות המעגל כדי להיות רגישים מאוד לשגיאות הנגרמות מרעש. תרמיסטורים יכולים לפעול בטווח טמפרטורות של -100 מעלות צלזיוס עד +500 מעלות צלזיוס, אם כי רוב התרמיסטורים מדורגים לטווח טמפרטורת פעולה מקסימלית של +100 מעלות צלזיוס עד +150 מעלות צלזיוס.

תרמי

צמד תרמי מורכב מחיבור של שני חוטים העשויים מחומרים שונים. לדוגמה, צמדים תרמויים מסוג J עשויים מברזל וקוסטנטן. כפי שמוצג באיור 3, מגע 1 ממוקם בטמפרטורה שיש למדוד, בעוד שמגע 2 ומגע 3 ממוקמים בטמפרטורות שונות הנמדדות על ידי חיישן הטמפרטורה האנלוגי LM35. מתח המוצא הוא פרופורציונלי בערך להפרש בין שני ערכי הטמפרטורה הללו.

איור 3: שימוש ב-LM35 עבור פיצוי צומת קר של צמד תרמי

מכיוון שהרגישות של צמדים תרמיים נמוכה למדי (בסדר גודל של עשרות מיקרו-וולט למעלה צלזיוס), תזדקק למגבר בעל אופסט נמוך כדי לייצר מתח מוצא שמיש. בתוך טווח הפעולה של צמדים תרמיים, אי-לינאריות בפונקציית העברת הטמפרטורה למתח דורשת לעתים קרובות מעגלים פיצויים או טבלאות חיפוש, בדיוק כמו RTDs וצמדים תרמיים. עם זאת, למרות החסרונות הללו, צמדים תרמיים עדיין פופולריים מאוד, מתאימים במיוחד לתנורים, מחממי מים, כבשנים, ציוד בדיקה ותהליכים תעשייתיים אחרים - מכיוון שהמסה התרמית של צמדים תרמיים נמוכה מאוד וטווח טמפרטורת הפעולה (ניתן להרחיב את טמפרטורת הפעולה מעל 2300℃) הוא רחב מאוד.

חיישן IC

חיישני IC יכולים לעבוד בטווח טמפרטורות של -55 מעלות צלזיוס עד +150 מעלות צלזיוס, כאשר מספר חיישני IC יכולים לעבוד בטמפרטורות של עד +200 מעלות צלזיוס. ישנם סוגים שונים של חיישני IC משולבים, אך ארבעת חיישני ה-IC המשולבים הנפוצים ביותר הם ללא ספק התקני פלט אנלוגיים, התקני ממשק דיגיטליים, חיישני טמפרטורה מרוחקים ואותם חיישני IC משולבים (מתגי טמפרטורה) בעלי פונקציית תרמוסטט. התקני פלט אנלוגיים (בדרך כלל יציאות מתח, אך לחלקם יש גם יציאות זרם) דומים ביותר לפתרונות פסיביים כאשר הם זקוקים ל-ADC כדי לבצע דיגיטציה של אות המוצא. התקני ממשק דיגיטלי משתמשים לרוב בממשק דו-חוטי (I2C או PMBus) ויש להם ADC מובנה.

בנוסף לכלול חיישן טמפרטורה מקומי, לחיישני טמפרטורה מרוחקים יש גם כניסה אחת או יותר לניטור טמפרטורת דיודה מרוחקת - לרוב הם ממוקמים ב-ICs דיגיטליים משולבים מאוד (לדוגמה, מעבדים או מערכי שערים הניתנים לתכנות בשטח [FPGA】) באמצע כאשר סף הטמפרטורה מגיעהתרמוסטט יכול לספק אזעקה פשוטה

ישנם יתרונות רבים לשימוש בחיישני IC, כולל: צריכת חשמל נמוכה; ניתן לספק מוצרים ארוזים קטנים (בגדלים מסוימים עד 0.8 מ"מ × 0.8 מ"מ); ועלויות מכשיר נמוכות יכולות להיות מושגות גם ביישומים מסוימים. בנוסף, מכיוון שחיישני IC מכוילים במהלך בדיקות הייצור, אין צורך בכיול נוסף. הם משמשים בדרך כלל ביישומי מעקב אחר כושר, מוצרים לבישים, מערכות מחשוב, רוגרי נתונים ויישומי רכב.

מעצבי מעגלים מנוסים ישתמשו בפתרון המתאים ביותר בהתאם לדרישות המוצר הסופי. טבלה 1 מציגה את היתרונות/חסרונות היחסיים של כל חיישן טמפרטורה.

הקישורים: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120