Teplotné snímače - typy, práca a prevádzka

Teplota je najčastejšie meranou veličinou prostredia. Možno to očakávať, pretože väčšina fyzikálnych, elektronických, chemických, mechanických a biologických systémov je ovplyvnená teplotou. Určité chemické reakcie, biologické procesy a dokonca aj elektronické obvody fungujú najlepšie v obmedzených teplotných rozsahoch. Teplota je jednou z najčastejšie meraných veličín, a preto neprekvapuje, že existuje veľa spôsobov jej snímania. Snímanie teploty je možné vykonať buď priamym kontaktom so zdrojom vykurovania, alebo diaľkovo, bez priameho kontaktu so zdrojom využívajúcim namiesto toho vyžarovanú energiu. Na trhu je dnes široká škála teplotných senzorov, vrátane termočlánkov, odporových teplotných detektorov (RTD), termistorov, infračervených lúčov a polovodičových senzorov.

5 typov teplotných snímačov

• Termočlánok : Jedná sa o typ teplotného snímača, ktorý sa vyrába spojením dvoch rozdielnych kovov na jednom konci. Spojený koniec sa označuje ako HORKÁ JUNKCIA. Druhý koniec týchto odlišných kovov sa označuje ako COLD END alebo COLD JUNCTION. Studený spoj sa vytvára v poslednom bode materiálu termočlánku. Ak existuje rozdiel v teplotách medzi horúcim a studeným spojom, vytvára sa malé napätie. Toto napätie sa označuje ako EMF (elektromotorická sila) a je možné ho merať a následne použiť na indikáciu teploty.

Termočlánok

• RTD je zariadenie na snímanie teploty, ktorého odpor sa mení s teplotou. RTD sú zvyčajne vyrobené z platiny, hoci zariadenia vyrobené z niklu alebo medi nie sú neobvyklé, ale môžu mať rôzne tvary, napríklad tenký film navinutý na drôte. Na meranie odporu na RTD privedieme konštantný prúd, zmeráme výsledné napätie a určíme odpor RTD. RTD sú dosť lineárne odolnosť voči teplotným krivkám v ich operačných regiónoch a akákoľvek nelinearita je vysoko predvídateľná a opakovateľná. Vyhodnocovacia doska PT100 RTD používa na meranie teploty povrchovo namontovaný RTD. Externý 2, 3 alebo 4-vodičový snímač PT100 možno priradiť aj k meraniu teploty vo vzdialených oblastiach. RTD sú predpäté pomocou zdroja konštantného prúdu. Aktuálna veľkosť je mierne nízka, aby sa znížilo vlastné teplo v dôsledku rozptýlenia energie. Obvod zobrazený na obrázku je zdroj konštantného prúdu, ktorý používa referenčné napätie, jeden zosilňovač a tranzistor PNP.

• Termistory : Podobne ako RTD, termistor je zariadenie na snímanie teploty, ktorého odpor sa mení s teplotou. Termistory sú však vyrobené z polovodičových materiálov. Odpor sa určuje rovnakým spôsobom ako RTD, ale termistory vykazujú vysoko nelineárnu krivku odpor vs. teplota. V prevádzkovom rozsahu termistorov teda môžeme vidieť veľkú zmenu odporu pri veľmi malej zmene teploty. Vďaka tomu je veľmi citlivé zariadenie ideálne pre aplikácie s požadovanou hodnotou.

• Polovodič senzory : Sú klasifikované do rôznych typov, ako napäťový výstup, prúdový výstup, digitálny výstup, odporový výstup kremík a diódové snímače teploty. Moderné polovodičové snímače teploty ponúkajú vysokú presnosť a vysokú linearitu v prevádzkovom rozsahu od 55 ° C do + 150 ° C. Interné zosilňovače môžu škálovať výstup na vhodné hodnoty, napríklad 10 mV / ° C. Sú tiež užitočné v kompenzačných obvodoch so studeným spojom pre termočlánky so širokým teplotným rozsahom. Stručné informácie o tomto type teplotného snímača sú uvedené nižšie.

Integrované obvody snímača

Existuje široká škála integrovaných obvodov teplotných snímačov, ktoré sú k dispozícii na zjednodušenie čo najširšieho rozsahu výziev monitorovania teploty. Tieto kremíkové snímače teploty sa od vyššie uvedených typov významne líšia niekoľkými dôležitými spôsobmi. Prvým je rozsah prevádzkových teplôt. Teplotný snímač IC môže pracovať v rozsahu nominálnej teploty IC od -55 ° C do +150 ° C. Druhým hlavným rozdielom je funkčnosť.

Kremíkový teplotný snímač je integrovaný obvod, a môže preto obsahovať rozsiahle obvody na spracovanie signálu v rovnakom balení ako snímač. Nie je potrebné pridávať kompenzačné obvody pre teplotný snímač ICS. Niektoré z nich sú analógové obvody s napäťovým alebo prúdovým výstupom. Iné kombinujú analógové snímacie obvody s komparátormi napätia na zabezpečenie výstražných funkcií. Niektoré ďalšie integrované obvody snímača kombinujú obvody analógového snímania s digitálnym vstupom / výstupom a kontrolné registre , čo z nich robí ideálne riešenie pre systémy založené na mikroprocesoroch.

Digitálny výstupný snímač zvyčajne obsahuje teplotný snímač, analógovo-digitálny prevodník (ADC), dvojvodičové digitálne rozhranie a registre na riadenie činnosti integrovaného obvodu. Teplota sa nepretržite meria a je možné ju kedykoľvek prečítať. Ak je to potrebné, hostiteľský procesor môže dať snímaču pokyn, aby monitoroval teplotu a nastavil výstupný kolík na vysoký (alebo nízky), ak teplota prekročí naprogramovaný limit. Môže byť tiež naprogramovaná nižšia prahová teplota a hostiteľ môže byť informovaný, keď teplota klesne pod túto prahovú hodnotu. Digitálny výstupný snímač možno teda použiť na spoľahlivé sledovanie teploty v systémoch založených na mikroprocesore.

Teplotný senzor

Vyššie uvedený snímač teploty má tri svorky a vyžaduje maximálne napájanie 5,5 V. Tento typ snímača pozostáva z materiálu, ktorý pracuje na zmene odporu podľa teploty. Túto zmenu odporu obvod zaznamená a vypočíta teplotu. Keď sa napätie zvýši, teplota tiež stúpa. Túto operáciu môžeme vidieť pomocou diódy.

Teplotné snímače priamo spojené so vstupom mikroprocesora, a teda schopné priamej a spoľahlivej komunikácie s mikroprocesormi. Senzorová jednotka môže efektívne komunikovať s nízkonákladovými procesormi bez potreby A / D prevodníkov.

Príkladom teplotného snímača je LM35 . Série LM35 sú presné snímače teploty s integrovaným obvodom, ktorých výstupné napätie je lineárne úmerné teplote Celzia. LM35 pracuje pri teplote od -55 ° do + 120 ° C.

Základný snímač teploty v stupňoch Celsia (+ 2 ° C až +150 ° C) je zobrazený na obrázku nižšie.

Vlastnosti snímača teploty LM35:

• Kalibrované priamo v ° C (Celzia)
• Menovité pre celý rozsah l −55˚ až + 150˚C
• Vhodné pre vzdialené aplikácie
• Nízke náklady vďaka orezávaniu na úrovni oblátky
• Pracuje od 4 do 30 voltov
• Nízke samozahrievanie,
• ± 1 / 4˚C typickej nelinearity

Prevádzka LM35:

• LM35 sa dá ľahko pripojiť rovnakým spôsobom ako iné snímače teploty s integrovaným obvodom. Môže byť prilepený alebo pripevnený k povrchu a jeho teplota bude v rozmedzí okolo 0,01 ° C povrchovej teploty.
• To predpokladá, že teplota okolitého vzduchu je približne rovnaká ako povrchová teplota, ak by teplota vzduchu bola oveľa vyššia alebo nižšia ako povrchová teplota, skutočná teplota matrice LM35 by bola pri strednej teplote medzi povrchovou teplotou a vzduchom. teplota.

Teplotné snímače majú dobre známe aplikácie v oblasti riadenia prostredia a procesov a tiež v testovaní, meraní a komunikácii. Digitálna teplota je snímač, ktorý poskytuje 9-bitové čítanie teploty. Digitálne snímače teploty ponúkajú vynikajúcu presnú presnosť, sú určené na čítanie od 0 ° C do 70 ° C a je možné dosiahnuť presnosť ± 0,5 ° C. Tieto snímače boli úplne v súlade s digitálnymi údajmi o teplote v stupňoch Celzia.

• Digitálne snímače teploty: Digitálne snímače teploty eliminujú potrebu ďalších komponentov, ako je A / D prevodník, v rámci aplikácie a pri použití termistorov nie je potrebné podľa potreby kalibrovať komponenty alebo systém pri špecifických referenčných teplotách. Digitálne snímače teploty sa zaoberajú všetkým, čím sa zjednodušuje základná funkcia monitorovania teploty systému.

Výhody digitálneho teplotného snímača sú zásadné v jeho presnom výstupe v stupňoch Celzia. Výstupom snímača je vyvážené digitálne čítanie. To nezamýšľa žiadne ďalšie komponenty, ako napríklad analógovo-digitálny prevodník, ktoré sa oveľa jednoduchšie používajú ako jednoduchý termistor, ktorý poskytuje nelineárny odpor so zmenami teploty.

Príkladom digitálneho teplotného snímača je DS1621, ktorý poskytuje 9-bitové snímanie teploty.

Vlastnosti DS1621:

1. Nie sú potrebné žiadne externé komponenty.
2. Meria sa teplotný rozsah od -55 ° C do + 125 ° C v 0,5⁰ intervaloch.
3. Poskytuje hodnotu teploty ako 9-bitové čítanie.
4. Široký rozsah napájania (2,7 V až 5,5 V).
5. Prevedie teplotu na digitálne slovo za menej ako jednu sekundu.
6. Termostatické nastavenia sú používateľom definované a neprchavé.
7. Jedná sa o 8-pinový DIP.

Popis kolíka:

• SDA - dvojvodičový sériový dátový vstup / výstup.
• SCL - 2-drôtové sériové hodiny.
• GND - zem.
• TOUT - výstupný signál termostatu.
• A0 - Zadanie adresy čipu.
• A1 - Zadanie adresy čipu.
• A2 - Zadanie adresy čipu.
• VDD - napätie napájacieho zdroja.

Fungovanie modelu DS1621:

• Keď teplota zariadenia prekročí nastavenú teplotu HIGH, potom je aktívny výstup TOUT. Výstup zostane aktívny, kým teplota neklesne pod používateľom definovanú teplotu LOW.
• Užívateľom definované nastavenia teploty sú uložené v energeticky nezávislej pamäti, takže je možné ich pred vložením do systému naprogramovať.
• Čítanie teploty sa poskytuje v 9-bitovom dvojkomorovom čítaní vydaním príkazu READ TEMPERATURE v programovaní.
• Na vstup do DS16121 sa používa dvojvodičové sériové rozhranie na nastavenie teploty a výstup snímania teploty z DS1621.

Fotografický kredit:

• Senzor teploty o wikimedia