[Руководство]Выбор устройства для измерения температуры может показаться тривиальным вопросом, но из-за разнообразия доступных продуктов эта задача может оказаться сложной. В этом сообщении блога автор представит четыре типа датчиков температуры (резистивные датчики температуры (RTD), термопары, термисторыи датчики на интегральных схемах (ИС) с цифровыми и аналоговыми интерфейсами) и обсудить преимущества и недостатки каждого из них.
С точки зрения системы, то, подходит ли датчик температуры для вашего применения, будет зависеть от требуемого диапазона температур, точности, линейности, стоимости решения, функции, потребляемой мощности, размера решения, метода установки (метод поверхностного монтажа и вставка через отверстие). метод и метод установки внешней печатной платы) Также необходимо обеспечить простоту конструкции схемы.
RTD
При измерении сопротивления термометра сопротивления при изменении его температуры отклик почти линейный и ведет себя как резистор. Как показано на рисунке 1, кривая сопротивления RTD не является полностью линейной, а имеет отклонение в несколько градусов (показана прямая линия, используемая в качестве эталона), но она очень предсказуема и повторяема. Чтобы компенсировать эту небольшую нелинейность, большинство проектировщиков оцифровывают измеренное значение сопротивления и используют справочную таблицу в микроконтроллере для применения поправочных коэффициентов. Широкий температурный диапазон повторяемости и стабильности (приблизительно от -250°C до +750°C) делает термометры сопротивления чрезвычайно полезными в высокоточных приложениях, включая измерение температуры жидкостей или газов в трубах и больших резервуарах.
Рисунок 1: Сопротивление RTD и температура
Сложность схемы, используемой для обработки аналогового сигнала RTD, в основном зависит от приложения. Незаменимы такие компоненты, как усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые сами производят ошибки. Только когда измерение необходимо для питания датчика - с помощью этого метода вы также можете добиться работы с низким энергопотреблением, но это значительно усложнит схему. Кроме того, мощность, необходимая для подачи питания на датчик, увеличивает его внутреннюю температуру, тем самым влияя на точность измерения. При токе всего в несколько миллиампер этот эффект самонагрева вызовет температурные ошибки (эти ошибки исправимы, но требуют дальнейшего рассмотрения). Также имейте в виду: стоимость платиновых RTD с проволочной обмоткой или тонкопленочных RTD может быть довольно высокой, особенно по сравнению со стоимостью датчиков IC.
термистор
Термистор - это еще один тип резистивного датчика. Существует множество доступных термисторов, от высококачественных и недорогих до высокоточных. Недорогие термисторы с низкой точностью могут выполнять простые функции измерения или определения пороговых значений - для этих резисторов требуется несколько компонентов (таких как компараторы, эталоны и дискретные резисторы), но они очень дешевы и имеют нелинейные характеристики. Свойства линейного сопротивления-температуры показаны на рисунке 2. Если вам нужно измерить широкий диапазон температур, вам нужно будет выполнить много работы по линеаризации. Может потребоваться калибровка нескольких точек температуры. Для достижения более высокой точности можно использовать более дорогие и жесткие массивы термисторов, чтобы помочь решить эту нелинейную проблему, но такие матрицы обычно менее чувствительны, чем одиночный термистор.
Рисунок 2: Сопротивление и температура термистора
Поскольку системы с несколькими точками срабатывания увеличивают сложность и стоимость, недорогие термисторы обычно используются только в приложениях с минимальными функциональными требованиями, включая тостеры, кофеварки, холодильники и фены. Кроме того, термисторы страдают от проблем с самонагревом (обычно при более высоких температурах, когда их сопротивление ниже). Как и в случае с РДТ, фундаментальная причина, по которой термистор нельзя использовать при низком напряжении питания, пока не обнаружена, но помните, чем ниже выходная мощность полной шкалы, тем система напрямую преобразуется в систему, основанную на характеристиках аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Чем ниже чувствительность. Приложения с низким энергопотреблением также должны увеличить сложность схемы, чтобы быть очень чувствительными к ошибкам, вызванным шумом. Термисторы могут работать в диапазоне температур от -100°C до +500°C, хотя большинство термисторов рассчитаны на максимальную рабочую температуру в диапазоне от +100°C до +150°C.
термопара
Термопара представляет собой соединение двух проводов из разных материалов. Например, термопары J-типа изготавливаются из железа и константана. Как показано на рисунке 3, контакт 1 расположен при температуре, которую необходимо измерить, а контакт 2 и контакт 3 расположены при разных температурах, измеряемых аналоговым датчиком температуры LM35. Выходное напряжение примерно пропорционально разнице между этими двумя значениями температуры.
Рисунок 3: Использование LM35 для компенсации холодного спая термопары
Поскольку чувствительность термопар довольно низка (порядка десятков микровольт на градус Цельсия), вам понадобится усилитель с малым смещением для получения полезного выходного напряжения. В рабочем диапазоне термопар нелинейность функции передачи температура-напряжение часто требует компенсационных схем или справочных таблиц, как в случае термометров сопротивления и термопар. Однако, несмотря на эти недостатки, термопары по-прежнему очень популярны, особенно подходят для печей, водонагревателей, испытательного оборудования и других промышленных процессов, поскольку тепловая масса термопар очень мала, а диапазон рабочих температур (рабочая температура может быть расширена) до выше 2300 ℃) очень широк.
Датчик IC
Датчики IC могут работать в диапазоне температур от -55 ° C до + 150 ° C. Некоторые датчики IC могут работать при температурах до + 200 ° C. Существуют различные типы интегрированных датчиков IC, но четыре наиболее распространенных интегрированных датчика IC, несомненно, представляют собой аналоговые устройства вывода, устройства цифрового интерфейса, удаленные датчики температуры и те интегрированные датчики IC (переключатели температуры), которые имеют функцию термостата. Устройства аналогового вывода (обычно выходы напряжения, но некоторые также имеют выходы тока) больше всего похожи на пассивные решения, когда им нужен АЦП для оцифровки выходного сигнала. Устройства с цифровым интерфейсом чаще всего используют двухпроводной интерфейс (I2C или PMBus) и имеют встроенный АЦП.
Помимо локального датчика температуры, удаленные датчики температуры также имеют один или несколько входов для контроля температуры удаленных диодов - они чаще всего размещаются в высокоинтегрированных цифровых ИС (например, процессоры или программируемые вентильные матрицы [FPGA】).
Использование датчиков IC дает множество преимуществ, в том числе: низкое энергопотребление; возможна поставка небольших упакованных продуктов (некоторые размеры от 0.8 мм × 0.8 мм); а также в некоторых приложениях можно добиться низкой стоимости устройства. Кроме того, поскольку датчики IC калибруются во время производственных испытаний, нет необходимости в дальнейшей калибровке. Они обычно используются в приложениях для отслеживания фитнеса, носимых устройствах, вычислительных системах, регистраторах данных и автомобильных приложениях.
Опытные разработчики печатных плат найдут наиболее подходящее решение в соответствии с требованиями конечного продукта. В таблице 1 показаны относительные преимущества / недостатки каждого датчика температуры.
Ссылки: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120