Jämförelse av fördelar och nackdelar med fyra vanliga temperatursensorer

Att välja temperaturavkännande produkter kan verka som en trivial sak, men på grund av de olika tillgängliga produkterna kan denna uppgift vara ganska skrämmande. I den här artikeln kommer författaren att introducera fyra typer av temperatursensorer (motståndstemperaturdetektorer (RTD), termoelement, termistorer och integrerade kretssensorer (IC) med digitala och analoga gränssnitt) och diskutera fördelarna och nackdelarna med varje typ av sensor.
Ur ett systemnivåperspektiv, om en temperatursensor är lämplig för din applikation kommer att bero på det erforderliga temperaturintervallet, noggrannhet, linjäritet, lösningskostnad, funktionalitet, strömförbrukning, lösningsstorlek, installationsmetod (ytmonteringsmetod, metod för genomgående hålinsättning , och extern installationsmetod för kretskort), samt det enkla stödet för kretsdesign. FoTU
När man mäter resistansen hos en RTD medan man ändrar dess temperatur, är svaret nästan linjärt och fungerar som ett motstånd. Som visas i figur 1 är motståndskurvan för RTD:n inte helt linjär, utan har några grader av avvikelse (visar en rät linje som används som referens) - men den är mycket förutsägbar och verifierbar. För att kompensera för denna lätta olinjäritet digitaliserar de flesta designers de uppmätta resistansvärdena och använder uppslagstabeller i mikrokontroller för att tillämpa korrigeringsfaktorer. Repeterbarheten och stabiliteten inom ett brett temperaturområde (ungefär -250 grader C till +750 grader C) gör RTD extremt användbar i högprecisionstillämpningar, inklusive mätning av temperaturen på vätskor eller gaser i rörledningar och stora behållare .
Komplexiteten hos kretsar som används för att behandla analoga RTD-signaler varierar i allmänhet beroende på applikationen. Komponenter som förstärkare och analog-till-digital-omvandlare (ADC), som genererar sina egna fel, är oumbärliga. Tillför endast ström till sensorn när det är nödvändigt för mätning - du kan också uppnå lågeffektdrift genom denna metod, men detta kommer att göra kretsen mycket mer komplex. Dessutom ökar kraften som krävs för att slå på sensorn också dess inre temperatur, vilket påverkar mätnoggrannheten. Med endast några ampere ström kommer denna självuppvärmningseffekt att generera temperaturfel (dessa fel kan korrigeras men kräver ytterligare övervägande). Kom också ihåg att kostnaden för trådlindade platina-RTD eller tunnfilms-RTD kan vara ganska hög, särskilt jämfört med kostnaden för I-sensorer.
Termistor
Termistor är en annan typ av elektropositiv sensor. Det finns en mängd olika tillgängliga termistorer, allt från kostnadseffektiva produkter till högprecisionsprodukter. Termistorer med låg kostnad och låg precision kan utföra enkla mätnings- eller nationella värdedetekteringsfunktioner - dessa typer av motstånd kräver flera komponenter (såsom komparatorer, referens- och diskreta motstånd), men är mycket billiga och har icke-linjära resistanstemperaturegenskaper, som visas i figuren 2. Om du behöver mäta ett brett temperaturområde kommer du att behöva utföra mycket linjäriseringsarbete. Kalibrering av flera temperaturpunkter kan vara nödvändig. För att uppnå högre noggrannhet kan en dyrare och snävare termistoruppsättning användas för att lösa detta olinjära problem, men denna matris är vanligtvis mindre känslig än en enskild termistor.

På grund av den ökade komplexiteten och kostnaderna för system med flera hopppunkter, används lågkostnadstermistorer i allmänhet endast för applikationer med minimala funktionskrav, inklusive brödrostar, kaffebryggare, kylskåp och hårtorkar. Dessutom lider termistorer också av självuppvärmningsproblem (vanligtvis vid högre temperaturer, när deras motstånd är lägre). Precis som i fallet med RTD:er har grundorsaken till att man inte kan använda termistorer vid låga effektspänningar ännu inte identifierats - men kom ihåg att ju lägre fullskaleutgång, desto lägre systemkänslighet konverterar den direkt baserat på egenskaper hos analog-till-digitalomvandlare (ADC). Lågeffektapplikationer måste också öka kretsens komplexitet för att vara mycket känsliga för fel orsakade av brus. Termistorer kan arbeta i temperaturområdet -100 grader C till +500C, även om de flesta termistorer har ett nominellt maximalt driftstemperaturområde på +100 grader C till+150 grader C termoelement
Ett termoelement innehåller en förbindelse mellan två ledningar gjorda av olika material. Till exempel är ett termoelement av typ a) tillverkat av järn och konstantan. Som visas i figur 3 är kontakt 1 placerad vid den temperatur som ska mätas, medan kontakt 2 och kontakt 3 är placerade vid olika temperaturer mätt med LM35 analoga temperatursensorer. Utspänningen är ungefär proportionell mot skillnaden mellan dessa två temperaturvärden.
Eftersom termoelementens känslighet är ganska låg (i storleksordningen tiotals mikrovolt per grad Celsius), behöver du en låg offsetförstärkare för att generera användbar utspänning. Inom termoelementens arbetsområde kräver olinjäritet i överföringsfunktionen temperatur till spänning ofta kompensationskretsar eller uppslagstabeller, precis som RTD:er och termoelement. Men trots dessa nackdelar är termoelement fortfarande mycket populära, särskilt lämpliga för ugnar, varmvattenberedare, ugnar, testutrustning och andra industriella behandlingar - eftersom termoelementens termiska kvalitet är mycket låg och arbetstemperaturområdet (som kan utökas) till över 2300 grader) är mycket brett:
IC-sensor
IC-sensorer kan arbeta inom ett temperaturområde på {{0}} grad C till+150 grad C - vald|C-sensorer kan fungera upp till +200 grader C. Det finns olika typer av integrerade IC-sensorer, men de fyra vanligaste integrerade IC-sensorerna är analoga utgångsenheter, digitala gränssnittsenheter, fjärrtemperatursensorer och de med temperaturkontrollfunktioner (temperaturbrytare). Analoga utgångsenheter (vanligtvis spänningsutgång, men vissa har också strömutgång) är mest som passiva lösningar när de kräver ADC för att digitalisera utgångssignalen. Digitala gränssnittsenheter använder oftast tvåtrådsgränssnitt (12C eller PMBus) och har inbyggda ADC:er. Utöver en lokal temperatursensor har fjärrtemperatursensorer också en eller flera ingångar för att övervaka fjärrdiodtemperatur - de är oftast placerade i högintegrerade digitala IC:er (såsom processorer eller fältprogrammerbara gate arrays (FPGA)). När temperaturtröskeln är nådd kan termostaten ge ett enkelt larm. Det finns många fördelar med att använda IC-sensorer, inklusive: låg strömförbrukning; Kan tillhandahålla små förpackningsprodukter (vissa storlekar så små som 0.8mmx0.8mm); Låga enhetskostnader kan också uppnås i vissa applikationer.