[Guide]Het kiezen van een temperatuurgevoelig product lijkt misschien een triviale zaak, maar vanwege de verscheidenheid aan beschikbare producten kan deze taak lastig zijn. In deze blogpost introduceert de auteur vier soorten temperatuursensoren (weerstandstemperatuurdetectoren (RTD), thermokoppels, thermistorenen Integrated Circuit (IC)-sensoren met digitale en analoge interfaces) en bespreek elk van de voor- en nadelen van deze sensor.
Vanuit het oogpunt van systeemniveau hangt de vraag of een temperatuursensor geschikt is voor uw toepassing af van het vereiste temperatuurbereik, nauwkeurigheid, lineariteit, oplossingskosten, functie, stroomverbruik, oplossingsgrootte, installatiemethode (oppervlaktemontagemethode en doorvoeropening). (methode en installatiemethode voor externe printplaten) Het is ook noodzakelijk om het ontwerpgemak van het circuit te ondersteunen.
RTD
Bij het meten van de weerstand van de RTD terwijl de temperatuur verandert, is de respons bijna lineair en gedraagt hij zich als een weerstand. Zoals weergegeven in figuur 1 is de weerstandscurve van de RTD niet volledig lineair, maar vertoont deze een afwijking van enkele graden (er is een rechte lijn weergegeven die als referentie wordt gebruikt), maar deze is zeer voorspelbaar en herhaalbaar. Om deze lichte niet-lineariteit te compenseren, digitaliseren de meeste ontwerpers de gemeten weerstandswaarde en gebruiken ze een opzoektabel in de microcontroller om correctiefactoren toe te passen. Dit brede temperatuurbereik (ongeveer -250°C tot +750°C) van herhaalbaarheid en stabiliteit maakt RTD's uiterst nuttig in toepassingen met hoge precisie, waaronder het meten van de temperatuur van vloeistoffen of gassen in pijpleidingen en grote vaten.
Figuur 1: RTD-weerstand en temperatuur
De complexiteit van de schakeling die wordt gebruikt om het analoge RTD-signaal te verwerken, varieert in principe afhankelijk van de toepassing. Componenten zoals versterkers en analoog-naar-digitaal converters (ADC's), die hun eigen fouten produceren, zijn onmisbaar. Alleen wanneer de meting nodig is om de sensor van stroom te voorzien, kunt u via deze methode ook een energiezuinige werking bereiken, maar dit maakt het circuit veel gecompliceerder. Bovendien zal het vermogen dat nodig is om de sensor van stroom te voorzien, de interne temperatuur verhogen, waardoor de nauwkeurigheid van de meting wordt beïnvloed. Met slechts een paar milliampère stroom zal dit zelfverhittingseffect temperatuurfouten produceren (deze fouten zijn corrigeerbaar, maar vereisen verdere aandacht). Houd er ook rekening mee: de kosten van draadgewonden platina-RTD's of dunne-film-RTD's kunnen behoorlijk hoog zijn, vooral in vergelijking met de kosten van IC-sensoren.
thermistor
Thermistor is een ander type resistieve sensor. Er is een grote verscheidenheid aan beschikbare thermistoren, variërend van hoogwaardige en goedkope producten tot producten met hoge precisie. Goedkope thermistoren met lage precisie kunnen eenvoudige meet- of drempeldetectiefuncties uitvoeren - deze weerstanden vereisen meerdere componenten (zoals comparatoren, referenties en discrete weerstanden), maar ze zijn erg goedkoop en hebben niet-lineaire kenmerken. De lineaire weerstand-temperatuur-eigenschappen worden weergegeven in figuur 2. Als u een breed scala aan temperaturen moet meten, moet u veel linearisatiewerk uitvoeren. Het kan nodig zijn om meerdere temperatuurpunten te kalibreren. Om een hogere nauwkeurigheid te bereiken, kunnen duurdere en strakkere thermistorarrays worden gebruikt om dit niet-lineaire probleem op te lossen, maar dergelijke arrays zijn meestal minder gevoelig dan een enkele thermistor.
Figuur 2: Weerstand en temperatuur van de thermistor
Omdat systemen met meerdere uitschakelpunten de complexiteit en kosten verhogen, worden goedkope thermistors over het algemeen alleen gebruikt in toepassingen met minimale functionele eisen, waaronder broodroosters, koffiezetapparaten, koelkasten en haardrogers. Bovendien hebben thermistors last van zelfopwarmingsproblemen (meestal bij hogere temperaturen, wanneer hun weerstand lager is). Net als in het geval van RTD's is de fundamentele reden waarom de thermistor niet kan worden gebruikt bij lage voedingsspanning nog niet ontdekt. Maar onthoud: hoe lager de volledige output, het systeem wordt direct omgezet in een systeem dat is gebaseerd op de kenmerken van de analoog-digitaalomzetter (ADC) Hoe lager de gevoeligheid. Toepassingen met laag vermogen moeten ook de complexiteit van de circuits vergroten om zeer gevoelig te zijn voor fouten veroorzaakt door ruis. Thermistors kunnen werken in een temperatuurbereik van -100°C tot +500°C, hoewel de meeste thermistors geschikt zijn voor een maximaal bedrijfstemperatuurbereik van +100°C tot +150°C.
thermoelement
Een thermokoppel bestaat uit de kruising van twee draden van verschillende materialen. Thermokoppels van het J-type zijn bijvoorbeeld gemaakt van ijzer en constantaan. Zoals getoond in figuur 3, bevindt contact 1 zich op de te meten temperatuur, terwijl contact 2 en contact 3 op verschillende temperaturen worden geplaatst die worden gemeten door de LM35 analoge temperatuursensor. De uitgangsspanning is ongeveer evenredig met het verschil tussen deze twee temperatuurwaarden.
Afbeelding 3: LM35 gebruiken voor compensatie van koude las van thermokoppels
Omdat de gevoeligheid van thermokoppels vrij laag is (in de orde van tientallen microvolts per graad Celsius), heb je een versterker met lage offset nodig om een bruikbare uitgangsspanning te produceren. Binnen het werkingsbereik van thermokoppels vereisen niet-lineariteiten in de overdrachtsfunctie van temperatuur naar spanning vaak compensatie. Circuits of opzoektabellen, net als RTD's en thermokoppels. Ondanks deze tekortkomingen zijn thermokoppels echter nog steeds erg populair, vooral geschikt voor ovens, waterverwarmers, ovens, testapparatuur en andere industriële processen, omdat de thermische massa van thermokoppels erg laag is en het bedrijfstemperatuurbereik (de bedrijfstemperatuur kan worden uitgebreid tot boven 2300℃) is zeer breed.
IC-sensor
IC-sensoren kunnen werken in een temperatuurbereik van -55 °C tot +150 °C - geselecteerde verschillende IC-sensoren kunnen werken bij temperaturen tot +200 °C. Er zijn verschillende soorten geïntegreerde IC-sensoren, maar de vier meest voorkomende geïntegreerde IC-sensoren zijn ongetwijfeld analoge uitvoerapparaten, digitale interface-apparaten, externe temperatuursensoren en die geïntegreerde IC-sensoren (temperatuurschakelaars) met een thermostaatfunctie. Analoge uitgangsapparaten (meestal spanningsuitgangen, maar sommige hebben ook stroomuitgangen) lijken het meest op passieve oplossingen wanneer ze een ADC nodig hebben om het uitgangssignaal te digitaliseren. Digitale interface-apparaten gebruiken meestal een tweedraadsinterface (I2C of PMBus) en hebben een ingebouwde ADC.
Naast een lokale temperatuursensor, hebben externe temperatuursensoren ook een of meer ingangen om de temperatuur van de diodes op afstand te bewaken - ze worden meestal geplaatst in sterk geïntegreerde digitale IC's (bijvoorbeeld processors of veldprogrammeerbare poortarrays [FPGA】) midden wanneer de temperatuurdrempel wordt bereikt, kan de thermostaat een eenvoudig alarm bieden
Er zijn veel voordelen aan het gebruik van IC-sensoren, waaronder: laag stroomverbruik; kleine verpakte producten (sommige maten zo klein als 0.8 mm × 0.8 mm) kunnen worden geleverd; en in sommige toepassingen kunnen ook lage apparaatkosten worden bereikt. Omdat IC-sensoren bovendien worden gekalibreerd tijdens productietests, is er geen verdere kalibratie nodig. Ze worden vaak gebruikt in toepassingen voor het volgen van fitness, draagbare producten, computersystemen, dataloggers en autotoepassingen.
Ervaren printplaatontwerpers zullen de meest geschikte oplossing gebruiken volgens de vereisten van het eindproduct. Tabel 1 toont de relatieve voordelen/nadelen van elke temperatuursensor.
De koppelingen: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120