Υπάρχουν διάφοροι τύποι τεχνολογιών αισθητήρων και σημαντικές διαφορές στη ζήτηση της βιομηχανίας, γεγονός που καθιστά εξαιρετικά δύσκολη την επιλογή του καλύτερου αισθητήρα θερμοκρασίας για συγκεκριμένες εφαρμογές. Ωστόσο, πολλές εφαρμογές απαιτούν ακριβείς μετρήσεις, επομένως είναι απαραίτητο να αξιολογηθούν διάφορα υπάρχοντα προϊόντα.
Κατά την επιλογή αισθητήρων θερμοκρασίας, είναι απαραίτητο να εξισορροπούνται πολλοί παράγοντες για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις σχεδιασμού: ακρίβεια, χρόνος απόκρισης, πρωτόκολλο επικοινωνίας, περιβαλλοντική ανοχή, κατανάλωση ενέργειας, κόστος και ενοποίηση συστήματος. Οι αισθητήρες συνήθως χωρίζονται σε τέσσερις τύπους εξόδων αναλογικής τάσης και σε έναν τύπο εξόδου ψηφιακού σήματος:
Θερμοστοιχείο: Με μεγάλο εύρος θερμοκρασίας και αντοχή, μπορεί να μετρήσει θερμοκρασίες από χαμηλές έως πάνω από +1800 ° C. Τα θερμοστοιχεία είναι στιβαρά και ανθεκτικά, ικανά να αντέχουν σε σκληρά περιβάλλοντα και να ανταποκρίνονται γρήγορα σε γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας. Ωστόσο, η ακρίβεια και η σταθερότητά τους δεν είναι τόσο καλές όσο άλλοι αισθητήρες και απαιτούν ρύθμιση σήματος. Τα θερμοστοιχεία είναι εξαιρετικά κατάλληλα για βαριές βιομηχανίες όπως η παραγωγή χάλυβα και γυαλιού, καθώς και για οικιακές και εμπορικές συσκευές υψηλής θερμότητας.
Ανιχνευτής θερμοκρασίας αντίστασης (RTD): Με υψηλή ακρίβεια και σταθερότητα, είναι πολύ κατάλληλος για βιομηχανικούς αυτοματισμούς και πεδία ελέγχου διεργασιών που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Η RTD χρησιμοποιείται συνήθως στις βιομηχανίες τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων για την επίτευξη αυστηρού ελέγχου θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια διεργασιών όπως η παρασκευή, η απολύμανση και το τηγάνισμα. Η RTD μπορεί να παρέχει ακριβή μέτρηση θερμοκρασίας για συστήματα HVAC, καθώς και εργαστηριακό και ιατρικό εξοπλισμό, όπως θερμοκοιτίδες και αναλυτικά όργανα. Σε σύγκριση με εναλλακτικές λύσεις όπως τα θερμοστοιχεία, τα RTD μπορεί να έχουν υψηλότερο κόστος και να είναι πιο εύθραυστα λόγω της εξάρτησής τους από λεπτό σύρμα ή στοιχεία ανίχνευσης λεπτής μεμβράνης. Η RTD χρησιμοποιείται συνήθως σε συνδυασμό με κυκλώματα μέτρησης ακριβείας, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητα και το κόστος του σχεδιασμού.
Θερμίστορ: Μια αντίσταση από ημιαγωγό, με τιμή αντίστασης που αλλάζει με τη θερμοκρασία και την υψηλή ευαισθησία. Μικρές αλλαγές θερμοκρασίας και μεγάλες αλλαγές αντίστασης επιτρέπουν την ανίχνευση μικρών διακυμάνσεων θερμοκρασίας με υψηλή ανάλυση. Τα θερμίστορ έχουν μικρό μέγεθος, γρήγορη ταχύτητα απόκρισης και χαμηλό κόστος, καλύπτοντας διάφορες προδιαγραφές από μικροσφαιρίδια έως μεγαλύτερους ανιχνευτές. Τα θερμίστορ είναι κατάλληλα για εφαρμογές με περιορισμένο εύρος θερμοκρασίας, συνήθως μεταξύ -50 ° C και 150 ° C. Τα θερμίστορ έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων ιατρικών συσκευών και ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης που σχετίζονται με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ή του ανθρώπου, καθώς και εφαρμογές αυτοκινήτων, συστήματα διαχείρισης μπαταριών, ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, ανίχνευση πυρκαγιάς και καπνού και άλλα πεδία. Ωστόσο, η καμπύλη μη γραμμικής αντίστασης των θερμίστορ απαιτεί τύπους μετατροπής ή πίνακες αναζήτησης για την ακριβή μετατροπή της τιμής αντίστασης σε θερμοκρασία και σε σύγκριση με τα RTD, τα θερμίστορ μπορεί να μετατοπίζονται με την πάροδο του χρόνου.
Αισθητήρας θερμοκρασίας διόδου: Με γρήγορη ταχύτητα απόκρισης και μικρότερο μέγεθος σε σύγκριση με τους άλλους τρεις αναλογικούς αισθητήρες, μπορεί εύκολα να συνδεθεί με μικροελεγκτές, μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) και ολοκληρωμένα κυκλώματα για συγκεκριμένες εφαρμογές (ASIC). Ο αισθητήρας θερμοκρασίας διόδου έχει υψηλή οικονομική αποδοτικότητα, με εύρος θερμοκρασίας περιορισμένο στους -55 ° C έως + 150 ° C. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλούς τομείς όπως ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, βιομηχανικός αυτοματισμός, συστήματα αποθήκευσης κέντρων δεδομένων και αυτοκίνητα. Αυτός ο τύπος αισθητήρα έχει χαμηλότερη ακρίβεια από τον RTD, είναι ευαίσθητος στο θόρυβο του συστήματος και συνήθως απαιτεί βαθμονόμηση για να διασφαλίσει συνεπείς μετρήσεις μεταξύ διαφορετικών συσκευών.
Ψηφιακός αισθητήρας θερμοκρασίας: Ένας τύπος ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και την άμεση παροχή ψηφιακής εξόδου, συνήθως μεταδίδοντας δεδομένα μέσω τυπικών πρωτοκόλλων επικοινωνίας όπως SMBus, I ² C, SPI ή 1-Wire. Οι ψηφιακοί αισθητήρες δεν απαιτούν ρύθμιση εξωτερικού σήματος, ενίσχυση και μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό, όπως οι αναλογικοί αισθητήρες.
Αρχή επιλογής
Η επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα θερμοκρασίας απαιτεί μια ισορροπία μεταξύ ακρίβειας, χρόνου απόκρισης, ανθεκτικότητας και κόστους ή επιλογή των κατάλληλων εξαρτημάτων σύμφωνα με συγκεκριμένες απαιτήσεις του κλάδου.
Το περιβάλλον εργασίας στο οποίο επιλέγεται ο αισθητήρας θερμοκρασίας παίζει καθοριστικό ρόλο. Σε σκληρά περιβάλλοντα, απαιτούνται στιβαροί και ανθεκτικοί αισθητήρες, όπως θερμοστοιχεία ή επικαλυμμένοι RTDs, ενώ τα θερμίστορ ή οι αισθητήρες ημιαγωγών είναι πιο κατάλληλοι για ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Το κόστος και η επεκτασιμότητα είναι επίσης παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη στη μαζική παραγωγή - τα θερμίστορ είναι οικονομικά αποδοτικά, ενώ τα RTD και τα θερμοστοιχεία υψηλής τεχνολογίας έχουν μακροπρόθεσμη σταθερότητα.
Η αντιστάθμιση μεταξύ ακρίβειας και πρακτικότητας είναι εξίσου σημαντική για τους σχεδιαστές στη διαδικασία επιλογής τους. Η ΕΤΑ έχει υψηλή ακρίβεια, αλλά είναι ακριβή. Τα θερμοστοιχεία έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, αλλά η ακρίβειά τους είναι σχετικά χαμηλή. Ο χρόνος απόκρισης και η τοποθεσία είναι εξίσου κρίσιμες - οι ελαφροί αισθητήρες όπως τα θερμοστοιχεία και τα θερμίστορ έχουν γρήγορες ταχύτητες απόκρισης, αλλά η τοποθεσία εγκατάστασης μπορεί να επηρεάσει την απόδοση.
Το κόστος των αισθητήρων και των σχετικών κυκλωμάτων τους θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την επιλογή, ειδικά σε καταναλωτικά προϊόντα ή μαζική παραγωγή. Το κόστος των διαφορετικών τύπων αισθητήρων ποικίλλει σημαντικά. Οι αναλογικοί αισθητήρες απαιτούν ρύθμιση σήματος, ενώ οι ψηφιακοί αισθητήρες μπορούν να απλοποιήσουν την ενσωμάτωση. Η μείωση των αναλογικών κυκλωμάτων και των εργασιών βαθμονόμησης μπορεί να ελαχιστοποιήσει το συνολικό κόστος, ακόμη και αν η επιλογή ψηφιακών αισθητήρων ελαφρώς υψηλότερου κόστους είναι λογική.
Ψηφιακοί αισθητήρες και τα χαρακτηριστικά τους
Οι ψηφιακοί αισθητήρες μετατρέπουν αναλογικά σήματα εσωτερικά και μεταδίδουν δεδομένα σε μορφή ψηφιακής ροής, συνήθως με καλύτερη αντίσταση θορύβου και δυνατότητα εκτέλεσης πιο σύνθετης επεξεργασίας δεδομένων. Η Analog Devices, Inc. (ADI) προσφέρει ένα ευρύ φάσμα συνδυασμών προϊόντων αναλογικού και ψηφιακού αισθητήρα θερμοκρασίας και οι σχεδιαστές θα πρέπει να αξιολογούν προσεκτικά ποιο προϊόν ανταποκρίνεται καλύτερα στις ανάγκες εφαρμογής τους. Ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή σε ορισμένους ψηφιακούς αισθητήρες.
Εάν απαιτούνται ακριβείς μετρήσεις θερμοκρασίας, η ακρίβεια μπορεί να είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας επιλογής. Ο ψηφιακός αισθητήρας MAX31888 της ADI έχει ακρίβεια ± 0,25 ° C στην περιοχή από -20 ° C έως + 105 ° C και μπορεί να επικοινωνήσει με έναν μικροελεγκτή μέσω ενός διαύλου 1-Wire για να επιτύχει κύκλωμα παρακολούθησης θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας (Εικόνα 1). Κάθε MAX31888 έχει τον δικό του μοναδικό αριθμό εγγραφής 64 bit που χρησιμοποιείται ως διεύθυνση κόμβου σε ένα δίκτυο μονής γραμμής πολλαπλών σημείων.