Teplotní snímače - typy, práce a provoz

Teplota je nejčastěji měřenou veličinou prostředí. Lze to očekávat, protože většina fyzikálních, elektronických, chemických, mechanických a biologických systémů je ovlivněna teplotou. Určité chemické reakce, biologické procesy a dokonce i elektronické obvody fungují nejlépe v omezených teplotních rozsazích. Teplota je jednou z nejčastěji měřených proměnných, a proto nepřekvapuje, že existuje mnoho způsobů jejího snímání. Snímání teploty lze provést buď přímým kontaktem se zdrojem topení, nebo dálkově, bez přímého kontaktu se zdrojem místo toho pomocí vyzařované energie. Na trhu je dnes široká škála teplotních senzorů, včetně termočlánků, odporových teplotních detektorů (RTD), termistorů, infračervených a polovodičových senzorů.

5 typů teplotních senzorů

• Termočlánek : Jedná se o typ teplotního senzoru, který se vyrábí spojením dvou odlišných kovů na jednom konci. Spojený konec se označuje jako HORKÁ JUNKCE. Druhý konec těchto odlišných kovů se označuje jako COLD END nebo COLD JUNCTION. Studený spoj se tvoří v posledním bodě materiálu termočlánku. Pokud existuje rozdíl teplot mezi horkým a studeným spojem, vytvoří se malé napětí. Toto napětí se označuje jako EMF (elektromotorická síla) a lze jej měřit a následně použít k indikaci teploty.

Termočlánek

• RTD je zařízení pro snímání teploty, jehož odpor se mění s teplotou. Typicky vyrobené z platiny, ačkoli zařízení vyrobená z niklu nebo mědi nejsou neobvyklá, mohou RTD mít mnoho různých tvarů, jako je drát navinutý, tenký film. Chcete-li měřit odpor přes RTD, použijte konstantní proud, změřte výsledné napětí a určete odpor RTD. RTD vykazují poměrně lineární charakter odolnost vůči teplotním křivkám přes jejich operační regiony a jakákoli nelinearita je vysoce předvídatelná a opakovatelná. Vyhodnocovací deska PT100 RTD používá k měření teploty RTD pro povrchovou montáž. Externí 2, 3 nebo 4vodičový PT100 lze také spojit s měřením teploty ve vzdálených oblastech. RTD jsou předpjaté pomocí zdroje konstantního proudu. Aby se snížilo vlastní zahřívání v důsledku ztrátového výkonu, je aktuální velikost mírně nízká. Obvod zobrazený na obrázku je zdroj konstantního proudu, který používá referenční napětí, jeden zesilovač a tranzistor PNP.

• Termistory : Podobně jako RTD, termistor je zařízení pro snímání teploty, jehož odpor se mění s teplotou. Termistory jsou však vyrobeny z polovodičových materiálů. Odpor je určen stejným způsobem jako RTD, ale termistory vykazují vysoce nelineární křivku odporu vs. teploty. V provozním rozsahu termistorů tedy můžeme vidět velkou změnu odporu pro velmi malou změnu teploty. Díky tomu je vysoce citlivé zařízení, ideální pro aplikace s požadovanou hodnotou.

• Polovodič senzory : Jsou rozděleny do různých typů, jako je napěťový výstup, proudový výstup, digitální výstup, odporový výstupní křemík a diodové teplotní senzory. Moderní polovodičové snímače teploty nabízejí vysokou přesnost a vysokou linearitu v provozním rozsahu přibližně 55 ° C až +150 ° C. Interní zesilovače mohou měnit výstup na vhodné hodnoty, například 10 mV / ° C. Jsou také užitečné v kompenzačních obvodech se studeným spojem pro termočlánky se širokým teplotním rozsahem. Stručné podrobnosti o tomto typu teplotního senzoru jsou uvedeny níže.

Integrované obvody senzorů

K dispozici je široká škála integrovaných obvodů teplotních senzorů, které zjednodušují nejširší možný rozsah úkolů monitorování teploty. Tyto křemíkové teplotní senzory se od výše uvedených typů výrazně liší několika důležitými způsoby. První je rozsah provozních teplot. Teplotní senzor IC může pracovat v nominálním teplotním rozsahu IC od -55 ° C do +150 ° C. Druhým hlavním rozdílem je funkčnost.

Čidlo teploty křemíku je integrovaný obvod, a může proto zahrnovat rozsáhlé obvody zpracování signálu ve stejném balení jako snímač. Není třeba přidávat kompenzační obvody pro teplotní čidlo ICS. Některé z nich jsou analogové obvody s napěťovým nebo proudovým výstupem. Jiné kombinují obvody analogového snímání s komparátory napětí, aby poskytovaly výstražné funkce. Některé další integrované obvody senzorů kombinují obvody analogového snímání s digitálním vstupem / výstupem a kontrolní registry , což z nich dělá ideální řešení pro systémy založené na mikroprocesorech.

Digitální výstupní snímač obvykle obsahuje teplotní snímač, analogově-digitální převodník (ADC), dvouvodičové digitální rozhraní a registry pro řízení činnosti integrovaného obvodu. Teplota se nepřetržitě měří a lze ji kdykoli odečíst. Pokud je to požadováno, hostitelský procesor může instruovat senzor, aby monitoroval teplotu a vzal výstupní kolík na vysoký (nebo nízký), pokud teplota překročí naprogramovaný limit. Lze také naprogramovat nižší prahovou teplotu a hostitele lze upozornit, když teplota klesne pod tuto prahovou hodnotu. Digitální výstupní snímač lze tedy použít pro spolehlivé monitorování teploty v systémech založených na mikroprocesorech.

Teplotní senzor

Výše uvedené teplotní čidlo má tři svorky a vyžaduje maximální napájecí napětí 5,5 V. Tento typ snímače se skládá z materiálu, který pracuje podle teploty, aby změnil odpor. Tato změna odporu je snímána obvodem a vypočítává teplotu. Když napětí vzroste, teplota také stoupá. Tuto operaci můžeme vidět pomocí diody.

Teplotní senzory přímo připojené ke vstupu mikroprocesoru, a tedy schopné přímé a spolehlivé komunikace s mikroprocesory. Senzorová jednotka může efektivně komunikovat s nízkonákladovými procesory bez potřeby A / D převodníků.

Příkladem teplotního senzoru je LM35 . Řada LM35 jsou přesné snímače teploty integrovaného obvodu, jejichž výstupní napětí je lineárně úměrné teplotě Celsia. LM35 pracuje při -55 ° C až +120 ° C.

Základní teplotní čidlo (+ 2 ° C až + 150 ° C) je znázorněno na obrázku níže.

Vlastnosti teplotního senzoru LM35:

• Kalibrováno přímo v ˚ Celsia (Celsia)
• Jmenovité pro plný rozsah l -55˚ až + 150˚C
• Vhodné pro vzdálené aplikace
• Nízké náklady díky ořezu na úrovni oplatky
• Pracuje od 4 do 30 voltů
• Nízké vlastní ohřev,
• ± 1 / 4˚C typické nelinearity

Provoz LM35:

• LM35 lze snadno připojit stejným způsobem jako ostatní snímače teploty integrovaného obvodu. Může být přilepený nebo připevněný k povrchu a jeho teplota bude v rozmezí 0,01 ° C povrchové teploty.
• To předpokládá, že teplota okolního vzduchu je přibližně stejná jako teplota povrchu, pokud by teplota vzduchu byla mnohem vyšší nebo nižší než teplota povrchu, skutečná teplota matrice LM35 by byla při střední teplotě mezi teplotou povrchu a vzduchem teplota.

Teplotní senzory mají dobře známé aplikace v řízení prostředí a procesů a také v testování, měření a komunikaci. Digitální teplota je snímač, který poskytuje 9bitové odečty teploty. Digitální snímače teploty nabízejí vynikající přesnou přesnost, jsou určeny ke čtení od 0 ° C do 70 ° C a je možné dosáhnout přesnosti ± 0,5 ° C. Tyto snímače byly zcela v souladu s digitálními odečty teploty ve stupních Celsia.

• Digitální snímače teploty: Digitální teplotní senzory eliminují potřebu dalších komponent, jako je A / D převodník, v rámci aplikace a při použití termistorů není nutné kalibrovat komponenty nebo systém při specifických referenčních teplotách podle potřeby. Digitální teplotní senzory řeší všechno a zjednodušují základní funkci monitorování teploty systému.

Výhody digitálního teplotního senzoru jsou zásadní díky jeho přesnému výstupu ve stupních Celsia. Výstup senzoru je vyvážený digitální údaj. To nemá v úmyslu žádné další komponenty, jako je analogově-digitální převodník a mnohem jednodušší než jednoduchý termistor, který poskytuje nelineární odpor se změnami teploty.

Příkladem digitálního teplotního senzoru je DS1621, který poskytuje 9bitové čtení teploty.

Vlastnosti DS1621:

1. Nejsou nutné žádné externí komponenty.
2. Měří se teplotní rozsah -55 ° C až + 125 ° C v 0,5⁰ intervalech.
3. Udává hodnotu teploty jako 9bitové čtení.
4. Široký rozsah napájení (2,7 V až 5,5 V).
5. Převede teplotu na digitální slovo za méně než jednu sekundu.
6. Termostatická nastavení jsou uživatelem definovatelná a energeticky nezávislá.
7. Jedná se o 8kolíkový DIP.

Popis kolíku:

• SDA - 2vodičový sériový datový vstup / výstup.
• SCL - 2vodičové sériové hodiny.
• GND - zem.
• TOUT - výstupní signál termostatu.
• A0 - Zadání adresy čipu.
• A1 - Zadání adresy čipu.
• A2 - Zadání adresy čipu.
• VDD - napájecí napětí.

Práce DS1621:

• Když teplota zařízení překročí uživatelem definovanou teplotu VYSOKÁ, je aktivní výstup TOUT. Výstup zůstane aktivní, dokud teplota neklesne pod uživatelem definovanou teplotu LOW.
• Uživatelem definované nastavení teploty je uloženo v energeticky nezávislé paměti, takže může být naprogramováno před vložením do systému.
• Čtení teploty je poskytováno v 9bitovém, dvoukompletním čtení vydáním příkazu READ TEMPERATURE v programování.
• Dvouvodičové sériové rozhraní se používá pro vstup do DS16121 pro nastavení teploty a výstup odečtu teploty z DS1621

Fotografický kredit:

• Senzor teploty podle wikimedia