[คำแนะนำ]การเลือกผลิตภัณฑ์ตรวจจับอุณหภูมิอาจดูเหมือนเป็นเรื่องเล็กน้อย แต่เนื่องจากมีผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย งานนี้จึงอาจเป็นเรื่องที่น่ากังวล ในบล็อกโพสต์นี้ ผู้เขียนจะแนะนำเซ็นเซอร์อุณหภูมิสี่ประเภท (เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (RTD) เทอร์โมคัปเปิล เทอร์มิสเตอร์และเซ็นเซอร์วงจรรวม (IC) พร้อมอินเทอร์เฟซแบบดิจิตอลและอนาล็อก) และหารือเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียของเซ็นเซอร์ชนิดนี้
จากจุดยืนระดับระบบ ไม่ว่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิจะเหมาะสมกับการใช้งานของคุณหรือไม่นั้นจะขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิที่ต้องการ ความถูกต้อง ความเป็นเส้นตรง ต้นทุนของสารละลาย ฟังก์ชัน การใช้พลังงาน ขนาดของสารละลาย วิธีการติดตั้ง (วิธีการยึดพื้นผิว และการสอดผ่านรู และวิธีการติดตั้งแผงวงจรภายนอก) นอกจากนี้ยังจำเป็นเพื่อรองรับความสะดวกในการออกแบบวงจรด้วย
RTD
เมื่อวัดความต้านทานของ RTD ขณะเปลี่ยนอุณหภูมิ การตอบสนองแทบจะเป็นเส้นตรง โดยมีพฤติกรรมเหมือนตัวต้านทาน ดังแสดงในรูปที่ 1 เส้นโค้งแนวต้านของ RTD ไม่เป็นเส้นตรงทั้งหมด แต่มีค่าเบี่ยงเบนไม่กี่องศา (แสดงเส้นตรงที่ใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง) - แต่สามารถคาดเดาได้สูงและทำซ้ำได้ เพื่อชดเชยความไม่เป็นเชิงเส้นเล็กน้อยนี้ นักออกแบบส่วนใหญ่จึงแปลงค่าความต้านทานที่วัดได้เป็นดิจิทัล และใช้ตารางค้นหาในไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อใช้ปัจจัยแก้ไข ช่วงอุณหภูมิที่กว้าง (ประมาณ -250°C ถึง +750°C) ของความสามารถในการทำซ้ำและความเสถียร ทำให้ RTD มีประโยชน์อย่างมากในการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง รวมถึงการวัดอุณหภูมิของของเหลวหรือก๊าซในท่อและภาชนะขนาดใหญ่
รูปที่ 1: ความต้านทาน RTD และอุณหภูมิ
ความซับซ้อนของวงจรที่ใช้ในการประมวลผลสัญญาณแอนะล็อก RTD โดยทั่วไปจะแตกต่างกันไปตามการใช้งาน ส่วนประกอบต่างๆ เช่น แอมพลิฟายเออร์และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ซึ่งสร้างข้อผิดพลาดของตนเอง เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ เฉพาะเมื่อจำเป็นต้องวัดเพื่อจ่ายกำลังให้เซ็นเซอร์ - ด้วยวิธีนี้ คุณยังสามารถทำงานที่ใช้พลังงานต่ำได้ แต่จะทำให้วงจรซับซ้อนขึ้นมาก ยิ่งกว่านั้น พลังงานที่จำเป็นในการกระตุ้นเซ็นเซอร์จะเพิ่มอุณหภูมิภายใน ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำของการวัด ด้วยกระแสไฟฟ้าเพียงไม่กี่มิลลิแอมป์ เอฟเฟกต์ความร้อนในตัวนี้จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดของอุณหภูมิ (ข้อผิดพลาดเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ แต่ต้องพิจารณาเพิ่มเติม) นอกจากนี้ โปรดจำไว้ว่า: ค่าใช้จ่ายของ RTD ทองคำขาวแบบลวดพันหรือ RTD แบบฟิล์มบางนั้นค่อนข้างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับค่าใช้จ่ายของเซ็นเซอร์ IC
เทอร์มิสเตอร์
เทอร์มิสเตอร์เป็นเซ็นเซอร์ต้านทานอีกประเภทหนึ่ง มีเทอร์มิสเตอร์ให้เลือกหลากหลาย ตั้งแต่ผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงและราคาไม่แพง ไปจนถึงผลิตภัณฑ์ที่มีความแม่นยำสูง เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ราคาถูกและแม่นยำต่ำสามารถทำการวัดอย่างง่ายหรือฟังก์ชันการตรวจจับขีดจำกัด ตัวต้านทานเหล่านี้ต้องการส่วนประกอบหลายอย่าง (เช่น ตัวเปรียบเทียบ ตัวอ้างอิง และตัวต้านทานแบบแยกส่วน) แต่มีราคาถูกมากและมีลักษณะไม่เชิงเส้น คุณสมบัติของความต้านทาน-อุณหภูมิเชิงเส้นแสดงไว้ในรูปที่ 2 หากคุณต้องการวัดอุณหภูมิในช่วงกว้าง คุณจะต้องทำงานการทำให้เป็นเส้นตรงจำนวนมาก อาจจำเป็นต้องปรับเทียบจุดอุณหภูมิหลายจุด เพื่อให้ได้ความแม่นยำที่สูงขึ้น สามารถใช้อาร์เรย์เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ค่าเผื่อที่มีราคาแพงกว่าและเข้มงวดมากขึ้นเพื่อช่วยแก้ปัญหาที่ไม่เป็นเชิงเส้นนี้ แต่อาร์เรย์ดังกล่าวมักมีความไวน้อยกว่าเทอร์มิสเตอร์ตัวเดียว
รูปที่ 2: ความต้านทานและอุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์
เนื่องจากระบบจุดหลายจุดเพิ่มความซับซ้อนและต้นทุน เทอร์มิสเตอร์ต้นทุนต่ำจึงมักใช้เฉพาะในการใช้งานที่มีความต้องการการทำงานเพียงเล็กน้อยเท่านั้น รวมถึงเครื่องปิ้งขนมปัง เครื่องชงกาแฟ ตู้เย็น และเครื่องเป่าผม นอกจากนี้ เทอร์มิสเตอร์ยังประสบปัญหาความร้อนในตัวเอง (โดยปกติที่อุณหภูมิสูงขึ้นเมื่อความต้านทานลดลง) เช่นเดียวกับกรณีของ RTD สาเหตุพื้นฐานที่ว่าทำไมเทอร์มิสเตอร์ไม่สามารถใช้ภายใต้แรงดันไฟฟ้าต่ำยังไม่ได้ถูกค้นพบ แต่จำไว้ว่ายิ่งเอาต์พุตเต็มสเกลที่ต่ำกว่า ระบบจะแปลงเป็นระบบโดยตรงตามลักษณะของ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ยิ่งมีความไวต่ำ แอพพลิเคชั่นที่ใช้พลังงานต่ำยังต้องเพิ่มความซับซ้อนของวงจรเพื่อให้ไวต่อข้อผิดพลาดที่เกิดจากเสียงรบกวน เทอร์มิสเตอร์สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิ -100 °C ถึง +500 °C แม้ว่าเทอร์มิสเตอร์ส่วนใหญ่จะได้รับการจัดอันดับสำหรับช่วงอุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่ +100°C ถึง +150°C
thermocouple
เทอร์โมคัปเปิลประกอบด้วยจุดต่อของสายไฟสองเส้นที่ทำจากวัสดุต่างกัน ตัวอย่างเช่น เทอร์โมคัปเปิลชนิด J ทำจากเหล็กและคอนสแตนตาน ดังแสดงในรูปที่ 3 หน้าสัมผัส 1 อยู่ที่อุณหภูมิที่จะวัด ในขณะที่หน้าสัมผัส 2 และหน้าสัมผัส 3 จะถูกวางไว้ที่อุณหภูมิต่างๆ ที่วัดโดยเซ็นเซอร์อุณหภูมิแอนะล็อก LM35 แรงดันไฟขาออกเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับความแตกต่างระหว่างค่าอุณหภูมิทั้งสองนี้
รูปที่ 3: การใช้ LM35 สำหรับการชดเชยทางแยกความเย็นของเทอร์โมคัปเปิล
เนื่องจากความไวของเทอร์โมคัปเปิลค่อนข้างต่ำ (ประมาณสิบไมโครโวลต์ต่อองศาเซลเซียส) คุณจึงต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณออฟเซ็ตต่ำเพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ใช้งานได้ ภายในช่วงการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล ความไม่เป็นเชิงเส้นในฟังก์ชันการถ่ายโอนอุณหภูมิเป็นแรงดันไฟฟ้ามักต้องใช้วงจรการชดเชยหรือตารางค้นหา เช่นเดียวกับ RTD และเทอร์โมคัปเปิล อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อบกพร่องเหล่านี้ แต่เทอร์โมคัปเปิลยังคงได้รับความนิยมอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับเตาอบ เครื่องทำน้ำอุ่น เตาเผา อุปกรณ์ทดสอบ และกระบวนการทางอุตสาหกรรมอื่นๆ เนื่องจากมวลความร้อนของเทอร์โมคัปเปิลต่ำมากและช่วงอุณหภูมิในการทำงาน (อุณหภูมิในการทำงานสามารถขยายได้ สูงกว่า 2300 ℃) กว้างมาก
เซ็นเซอร์ไอซี
เซ็นเซอร์ IC สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -55 °C ถึง +150°C เซ็นเซอร์ IC ที่เลือกได้หลายตัวสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง +200 °C เซ็นเซอร์ IC แบบรวมมีหลายประเภท แต่เซ็นเซอร์ IC แบบรวมสี่ชนิดที่พบบ่อยที่สุดคืออุปกรณ์เอาท์พุตแอนะล็อก อุปกรณ์อินเทอร์เฟซดิจิตอล เซ็นเซอร์อุณหภูมิระยะไกล และเซ็นเซอร์ IC แบบรวม (สวิตช์อุณหภูมิ) ที่มีฟังก์ชันเทอร์โมสตัท อุปกรณ์เอาต์พุตแบบแอนะล็อก (โดยปกติคือเอาต์พุตแรงดัน แต่บางตัวก็มีเอาต์พุตปัจจุบันด้วย) ส่วนใหญ่จะเหมือนกับโซลูชันแบบพาสซีฟเมื่อพวกเขาต้องการ ADC เพื่อแปลงสัญญาณเอาต์พุตให้เป็นดิจิทัล อุปกรณ์อินเทอร์เฟซดิจิทัลส่วนใหญ่มักใช้อินเทอร์เฟซแบบสองสาย (I2C หรือ PMBus) และมี ADC ในตัว
นอกเหนือจากการรวมเซ็นเซอร์อุณหภูมิในพื้นที่แล้ว เซ็นเซอร์อุณหภูมิระยะไกลยังมีอินพุตอย่างน้อยหนึ่งตัวเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิไดโอดระยะไกล ซึ่งส่วนใหญ่มักจะวางไว้ในไอซีดิจิตอลที่มีการบูรณาการอย่างสูง (เช่น โปรเซสเซอร์หรืออาร์เรย์เกทเกตที่ตั้งโปรแกรมได้[FPGA]) ตรงกลางเมื่ออุณหภูมิถึงขีดจำกัดที่เทอร์โมสแตทสามารถให้สัญญาณเตือนแบบง่าย
มีข้อดีหลายประการในการใช้เซ็นเซอร์ IC รวมถึง: ใช้พลังงานต่ำ สามารถจัดเตรียมผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก (บางขนาดมีขนาดเล็กถึง 0.8 มม. × 0.8 มม.) และต้นทุนอุปกรณ์ต่ำสามารถทำได้ในบางแอปพลิเคชัน นอกจากนี้ เนื่องจากเซ็นเซอร์ IC ได้รับการสอบเทียบระหว่างการทดสอบการผลิต จึงไม่มีความจำเป็นต้องทำการสอบเทียบเพิ่มเติม มักใช้ในแอปพลิเคชันติดตามการออกกำลังกาย ผลิตภัณฑ์ที่สวมใส่ได้ ระบบคอมพิวเตอร์ เครื่องบันทึกข้อมูล และแอปพลิเคชันยานยนต์
นักออกแบบแผงวงจรที่มีประสบการณ์จะใช้โซลูชั่นที่เหมาะสมที่สุดตามความต้องการของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ตารางที่ 1 แสดงข้อดี/ข้อเสียสัมพัทธ์ของเซ็นเซอร์อุณหภูมิแต่ละตัว
ลิงค์: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120