[Hướng dẫn]Việc chọn một sản phẩm cảm biến nhiệt độ có vẻ như là một vấn đề tầm thường, nhưng do có nhiều sản phẩm có sẵn nên công việc này có thể khó khăn. Trong bài đăng trên blog này, tác giả sẽ giới thiệu bốn loại cảm biến nhiệt độ (đầu báo nhiệt độ điện trở (RTD), cặp nhiệt điện, điện trở nhiệtvà cảm biến Mạch tích hợp (IC) với giao diện kỹ thuật số và tương tự) và thảo luận về từng ưu điểm và nhược điểm của cảm biến này.
Từ quan điểm cấp hệ thống, việc cảm biến nhiệt độ có phù hợp với ứng dụng của bạn hay không sẽ phụ thuộc vào phạm vi nhiệt độ cần thiết, độ chính xác, tuyến tính, chi phí giải pháp, chức năng, mức tiêu thụ điện năng, kích thước giải pháp, phương pháp lắp đặt (Phương pháp gắn trên bề mặt và chèn xuyên lỗ) phương pháp và phương pháp lắp đặt bảng mạch bên ngoài) Cũng cần phải hỗ trợ việc thiết kế mạch dễ dàng.
RTD
Khi đo điện trở của RTD trong khi thay đổi nhiệt độ, phản hồi gần như tuyến tính, hoạt động giống như Điện trở. Như được hiển thị trong Hình 1, đường cong điện trở của RTD không hoàn toàn tuyến tính nhưng có độ lệch vài độ (một đường thẳng được sử dụng làm tham chiếu được hiển thị) – nhưng nó có khả năng dự đoán và lặp lại cao. Để bù đắp cho sự phi tuyến tính nhỏ này, hầu hết các nhà thiết kế đều số hóa giá trị điện trở đo được và sử dụng bảng tra cứu trong bộ vi điều khiển để áp dụng các hệ số hiệu chỉnh. Khả năng lặp lại và ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng (khoảng -250°C đến +750°C) này khiến RTD trở nên cực kỳ hữu ích trong các ứng dụng có độ chính xác cao, bao gồm đo nhiệt độ của chất lỏng hoặc khí trong đường ống và bình chứa lớn.
Hình 1: Điện trở và nhiệt độ RTD
Độ phức tạp của mạch được sử dụng để xử lý tín hiệu tương tự RTD về cơ bản thay đổi tùy theo ứng dụng. Các thành phần như bộ khuếch đại và bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC), tự tạo ra lỗi, là không thể thiếu. Chỉ khi phép đo là cần thiết để cấp nguồn cho cảm biến thông qua phương pháp này, bạn cũng có thể đạt được hoạt động tiêu thụ điện năng thấp, nhưng điều này sẽ làm cho mạch phức tạp hơn nhiều. Hơn nữa, công suất cần thiết để cung cấp năng lượng cho cảm biến sẽ làm tăng nhiệt độ bên trong của nó, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Chỉ với một vài miliampe dòng điện, hiệu ứng tự làm nóng này sẽ tạo ra sai số nhiệt độ (những sai số này có thể sửa được, nhưng cần phải xem xét thêm). Ngoài ra, hãy nhớ: chi phí của RTD platinum hoặc RTD màng mỏng có thể khá cao, đặc biệt là khi so sánh với chi phí của cảm biến IC.
thermistor
Thermistor là một loại cảm biến điện trở khác. Có rất nhiều loại nhiệt điện trở có sẵn, từ các sản phẩm chất lượng cao và rẻ tiền đến các sản phẩm có độ chính xác cao. Các nhiệt điện trở giá rẻ, độ chính xác thấp có thể thực hiện các chức năng đo lường hoặc phát hiện ngưỡng đơn giản - các điện trở này yêu cầu nhiều thành phần (chẳng hạn như bộ so sánh, tham chiếu và điện trở rời), nhưng chúng rất rẻ và có đặc tính phi tuyến tính. Các đặc tính nhiệt độ điện trở tuyến tính được thể hiện trong Hình 2. Nếu bạn cần đo một dải nhiệt độ rộng, bạn sẽ cần thực hiện nhiều công việc tuyến tính hóa. Có thể cần phải hiệu chỉnh một số điểm nhiệt độ. Để đạt được độ chính xác cao hơn, các dãy nhiệt điện trở có dung sai đắt hơn và dung sai chặt chẽ hơn có thể được sử dụng để giúp giải quyết vấn đề phi tuyến này, nhưng các dãy như vậy thường kém nhạy hơn một điện trở nhiệt đơn lẻ.
Hình 2: Điện trở và nhiệt độ của nhiệt điện trở
Bởi vì hệ thống điểm đa hành trình làm tăng độ phức tạp và chi phí, nên nhiệt điện trở giá rẻ thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu chức năng tối thiểu, bao gồm máy nướng bánh mì, máy pha cà phê, tủ lạnh và máy sấy tóc. Ngoài ra, nhiệt điện trở gặp phải vấn đề tự phát nhiệt (thường ở nhiệt độ cao hơn, khi điện trở của chúng thấp hơn). Như trong trường hợp RTD, nguyên nhân cơ bản khiến nhiệt điện trở không thể được sử dụng dưới điện áp cung cấp năng lượng thấp vẫn chưa được phát hiện - nhưng hãy nhớ rằng, đầu ra toàn quy mô càng thấp, hệ thống được chuyển đổi trực tiếp thành hệ thống dựa trên các đặc tính của bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) Độ nhạy càng thấp. Các ứng dụng công suất thấp cũng cần tăng độ phức tạp của mạch để rất nhạy cảm với các lỗi do nhiễu. Nhiệt điện trở có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ -100 ° C đến + 500 ° C, mặc dù hầu hết các nhiệt điện trở được đánh giá cho phạm vi nhiệt độ hoạt động tối đa là + 100 ° C đến + 150 ° C.
Can nhiệt
Một cặp nhiệt điện bao gồm mối nối của hai dây dẫn làm bằng các vật liệu khác nhau. Ví dụ, cặp nhiệt điện kiểu J được làm bằng sắt và hằng số. Như trong Hình 3, tiếp điểm 1 nằm ở nhiệt độ cần đo, trong khi tiếp điểm 2 và tiếp điểm 3 được đặt ở các nhiệt độ khác nhau được đo bởi cảm biến nhiệt độ tương tự LM35. Điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với sự khác biệt giữa hai giá trị nhiệt độ này.
Hình 3: Sử dụng LM35 để bù điểm lạnh cặp nhiệt điện
Vì độ nhạy của cặp nhiệt điện khá thấp (khoảng hàng chục microvolt trên mỗi độ C), nên bạn sẽ cần một bộ khuếch đại có độ lệch thấp để tạo ra điện áp đầu ra có thể sử dụng được. Trong phạm vi hoạt động của cặp nhiệt điện, tính phi tuyến tính trong hàm truyền nhiệt độ sang điện áp thường yêu cầu Mạch bù hoặc bảng tra cứu, giống như RTD và cặp nhiệt điện. Tuy nhiên, bất chấp những nhược điểm này, cặp nhiệt điện vẫn rất phổ biến, đặc biệt thích hợp cho lò nướng, máy nước nóng, lò nung, thiết bị thử nghiệm và các quy trình công nghiệp khác - vì khối lượng nhiệt của cặp nhiệt điện rất thấp và phạm vi nhiệt độ hoạt động (nhiệt độ hoạt động có thể kéo dài đến trên 2300oC) là rất rộng.
Cảm biến vi mạch
Cảm biến IC có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ -55 ° C đến + 150 ° C. Một số cảm biến IC được lựa chọn có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến + 200 ° C. Có nhiều loại cảm biến IC tích hợp khác nhau, nhưng bốn cảm biến IC tích hợp phổ biến nhất chắc chắn là thiết bị đầu ra tương tự, thiết bị giao diện kỹ thuật số, cảm biến nhiệt độ từ xa và cảm biến IC tích hợp (công tắc nhiệt độ) có chức năng điều chỉnh nhiệt. Các thiết bị đầu ra tương tự (thường là đầu ra điện áp, nhưng một số cũng có đầu ra dòng điện) hầu hết giống như các giải pháp thụ động khi chúng cần một bộ ADC để số hóa tín hiệu đầu ra. Các thiết bị giao diện kỹ thuật số thường sử dụng giao diện hai dây (I2C hoặc PMBus) và có ADC tích hợp.
Ngoài việc bao gồm cảm biến nhiệt độ cục bộ, cảm biến nhiệt độ từ xa còn có một hoặc nhiều đầu vào để theo dõi nhiệt độ đi-ốt từ xa - chúng thường được đặt trong các IC kỹ thuật số tích hợp cao (ví dụ: bộ xử lý hoặc mảng cổng có thể lập trình trường [FPGA】) ở giữa.
Có nhiều ưu điểm khi sử dụng cảm biến IC, bao gồm: tiêu thụ điện năng thấp; có thể cung cấp các sản phẩm đóng gói nhỏ (một số kích thước nhỏ như 0.8mm × 0.8mm); và chi phí thiết bị thấp cũng có thể đạt được trong một số ứng dụng. Ngoài ra, vì cảm biến IC được hiệu chuẩn trong quá trình thử nghiệm sản xuất nên không cần phải hiệu chuẩn thêm. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng theo dõi hoạt động thể dục, sản phẩm đeo được, hệ thống máy tính, trình ghi dữ liệu và ứng dụng ô tô.
Các nhà thiết kế bảng mạch có kinh nghiệm sẽ sử dụng giải pháp phù hợp nhất theo yêu cầu của sản phẩm cuối cùng. Bảng 1 cho thấy những ưu / nhược điểm tương đối của từng cảm biến nhiệt độ.
Các Liên Kết: FLC38XGC6V-06B PM50CSE120