Hőmérséklet-érzékelők - típusok, működés és működés

A hőmérséklet a leggyakrabban mért környezeti mennyiség. Erre számítani lehet, mivel a legtöbb fizikai, elektronikus, kémiai, mechanikai és biológiai rendszert befolyásolja a hőmérséklet. Bizonyos kémiai reakciók, biológiai folyamatok és még az elektronikus áramkörök is korlátozott hőmérsékleti tartományokban teljesítenek a legjobban. A hőmérséklet az egyik leggyakrabban mért változó, ezért nem meglepő, hogy sokféle módon érzékelhető. Hőmérséklet érzékelés történhet akár a fűtőforrással való közvetlen érintkezés útján, akár távolról, anélkül, hogy a sugárzott energiát felhasználva közvetlenül érintkezne a forrással. A piacon napjainkban nagyon sokféle hőmérséklet-érzékelő található, ideértve a hőelemeket, az ellenállási hőmérséklet-érzékelőket (RTD), a termisztorokat, az infravörös és a félvezető-érzékelőket.

5 hőmérséklet-érzékelő típusa

• Hőelem : Ez egyfajta hőmérséklet-érzékelő, amelyet két különböző fém egyik végén történő összekapcsolásával készítenek. Az összekapcsolt végre HOT JUNCTION néven hivatkozunk. Ezen eltérő fémek másik végét COLD END vagy COLD JUNCTION néven említik. A hideg csomópont a hőelem anyagának utolsó pontján képződik. Ha hőmérséklet-különbség van a forró és a hideg elágazás között, akkor kis feszültség keletkezik. Ezt a feszültséget EMF-nek (elektromotorikus erő) nevezik, és mérhető, viszont felhasználható a hőmérséklet jelzésére.

Hőelem

• A KTF olyan hőmérsékletérzékelő eszköz, amelynek ellenállása a hőmérséklet függvényében változik. Jellemzően platinából építik, bár a nikkelből vagy rézből készült eszközök nem ritkák, az RTD-k sokféle formát ölthetnek, például huzaltekercs vagy vékony film. Az ellenállás mérésére egy RTD-n keresztül alkalmazzon állandó áramot, mérje meg a kapott feszültséget és határozza meg az RTD ellenállását. Az RTD-k meglehetősen lineárisak hőmérsékleti görbékkel szembeni ellenállás működési régióik felett, és minden nemlinearitás nagyon kiszámítható és megismételhető. A PT100 RTD kiértékelő tábla felületi RTD-t használ a hőmérséklet mérésére. Külső 2, 3 vagy 4 vezetékes PT100 szintén társulhat a távoli területek hőmérsékletének méréséhez. Az RTD-ket állandó áramforrás segítségével torzítják. Az árameloszlás miatti önhő csökkentése érdekében az áram nagysága mérsékelten alacsony. Az ábrán látható áramkör az állandó áramforrás referenciafeszültséget, egy erősítőt és egy PNP tranzisztort használ.

• Termisztorok : Az RTD-hez hasonlóan a termisztor olyan hőmérsékletérzékelő eszköz, amelynek ellenállása a hőmérséklet függvényében változik. A termisztorok azonban félvezető anyagokból készülnek. Az ellenállást ugyanúgy határozzák meg, mint az RTD-t, de a termisztorok erősen nemlineáris ellenállás-hőmérséklet görbét mutatnak. Így a termisztorok működési tartományában nagy ellenállás-változást láthatunk nagyon kicsi hőmérséklet-változás esetén. Ez egy nagyon érzékeny eszközt jelent, ideális az alapjel-alkalmazásokhoz.

• Félvezető érzékelők : Különböző típusokba sorolhatók, például feszültség kimenet, áram kimenet, digitális kimenet, ellenállás kimenet szilícium és dióda hőmérséklet érzékelők. A modern félvezető-hőmérséklet-érzékelők nagy pontosságot és nagy linearitást kínálnak körülbelül 55 ° C és + 150 ° C közötti működési tartományban. A belső erősítők a kimenetet kényelmes értékekre, például 10 mV / ° C-ra képesek méretezni. Széles hőmérsékleti tartományú hőelemek hidegkapcsolási kompenzációs áramköreiben is hasznosak. Az alábbiakban az ilyen típusú hőmérséklet-érzékelőkről adunk rövid részleteket.

Érzékelő IC-k

A hőmérséklet-érzékelő IC-k széles választéka áll rendelkezésre a hőmérséklet-ellenőrzési kihívások lehető legszélesebb körének egyszerűsítése érdekében. Ezek a szilícium hőmérséklet-érzékelők néhány fontos szempontból jelentősen eltérnek a fent említett típusoktól. Az első az üzemi hőmérséklet-tartomány. A hőmérséklet-érzékelő IC az IC névleges hőmérsékleti tartományában -55 ° C és + 150 ° C között működhet. A második fő különbség a funkcionalitás.

A szilícium hőmérséklet-érzékelő integrált áramkör, ezért kiterjedt jelfeldolgozó áramköröket tartalmazhat az érzékelővel azonos csomagban. Nincs szükség kompenzációs áramkörök hozzáadására a hőmérséklet-érzékelő ICS-hez. Ezek egy része analóg áramkör, feszültség vagy áram kimenettel. Mások az analóg érzékelő áramköröket feszültség-komparátorokkal kombinálják a riasztási funkciók biztosítása érdekében. Néhány más érzékelő IC kombinálja az analóg érzékelő áramkört a digitális bemenettel / kimenettel és ellenőrzési nyilvántartások , így ideális megoldás a mikroprocesszor-alapú rendszerek számára.

A digitális kimeneti érzékelő általában hőmérséklet-érzékelőt, analóg-digitális átalakítót (ADC), kétvezetékes digitális interfészt és regisztereket tartalmaz az IC működésének vezérléséhez. A hőmérsékletet folyamatosan mérjük, és bármikor leolvasható. Kívánt esetben a gazdaprocesszor utasíthatja az érzékelőt, hogy figyelje a hőmérsékletet, és magas (vagy alacsony) kimeneti tűt vegyen fel, ha a hőmérséklet meghaladja a programozott határt. Alsó küszöbhőmérséklet programozható, és a gazda értesíthető, ha a hőmérséklet e küszöb alá süllyedt. Így a digitális kimeneti szenzor megbízható hőmérséklet-figyelésre használható mikroprocesszor-alapú rendszerekben.

Hőmérséklet szenzor

A fenti hőmérséklet-érzékelőnek három kapcsa van, és szükséges a maximális 5,5 V tápellátás. Ez a típusú érzékelő olyan anyagból áll, amely a hőmérsékletnek megfelelően működik az ellenállás változtatására. Az ellenállás ezen változását érzékeli az áramkör, és kiszámítja a hőmérsékletet. Amikor a feszültség növekszik, akkor a hőmérséklet is emelkedik. Ezt a műveletet egy dióda használatával láthatjuk.

Hőmérséklet-érzékelők, amelyek közvetlenül kapcsolódnak a mikroprocesszor bemenetéhez, és így képesek közvetlen és megbízható kommunikációra a mikroprocesszorokkal. Az érzékelő egység hatékonyan képes kommunikálni az olcsó processzorokkal A / D konverterek nélkül.

A hőmérséklet-érzékelőre példa LM35 . Az LM35 sorozat precíziós integrált áramkörű hőmérséklet-érzékelők, amelyek kimeneti feszültsége lineárisan arányos a Celsius-hőmérséklettel. Az LM35 -55 ° C és + 120 ° C közötti hőmérsékleten működik.

Az alapfokú hőmérséklet-érzékelőt (+ 2 ° C és + 150 ° C között) az alábbi ábra mutatja.

Az LM35 hőmérséklet-érzékelő jellemzői:

• Közvetlenül ˚ Celsius-ban (Celsius-fok) kalibrálva
• A teljes l −55˚ és + 150˚C közötti tartományra értékelték
• Alkalmas távoli alkalmazásokhoz
• Alacsony költség az ostyaszintű vágás miatt
• 4 és 30 V között működik
• Alacsony önmelegedés,
• ± 1 / 4˚C tipikus nemlinearitás

Az LM35 működése:

• Az LM35 könnyen csatlakoztatható ugyanúgy, mint más integrált áramkörű hőmérséklet-érzékelők. Ragaszkodhat vagy rögzülhet egy felületen, és hőmérséklete a felületi hőmérséklet 0,01˚C tartományában lesz.
• Ez azt feltételezi, hogy a környezeti levegő hőmérséklete csaknem megegyezik a felületi hőmérséklettel, ha a levegő hőmérséklete sokkal magasabb vagy alacsonyabb, mint a felületi hőmérséklet, akkor az LM35 szerszám tényleges hőmérséklete a felületi hőmérséklet és a levegő közötti közbenső hőmérsékleten lenne hőfok.

A hőmérséklet-érzékelőknek jól ismert alkalmazásai vannak a környezeti és folyamatszabályozási, valamint a tesztelési, mérési és kommunikációs területeken. A digitális hőmérséklet egy érzékelő, amely 9 bites hőmérsékleti leolvasást biztosít. A digitális hőmérséklet-érzékelők kiváló pontos pontosságot kínálnak, ezeket 0 ° C és 70 ° C közötti értékekre tervezték, és lehetséges ± 0,5 ° C pontosság elérése. Ezek az érzékelők teljesen összhangban vannak a Celsius fokos digitális hőmérsékleti leolvasásokkal.

• Digitális hőmérséklet-érzékelők: A digitális hőmérséklet-érzékelők kiküszöbölik az extra alkatrészek, például az A / D-átalakító szükségességét az alkalmazáson belül, és nincs szükség a komponensek vagy a rendszer meghatározott referencia-hőmérsékleten történő kalibrálására, ha szükséges a termisztorok használata. A digitális hőmérséklet-érzékelők mindent kezelnek, lehetővé téve az alapvető rendszer-hőmérséklet-ellenőrzési funkció egyszerűsítését.

A digitális hőmérséklet-érzékelő előnyei elsősorban Celsius-fokban kifejezett pontossággal rendelkeznek. Az érzékelő kimenete kiegyensúlyozott digitális leolvasás. Ez nem kíván más alkatrészeket, például analóg-digitális átalakítót, és sokkal egyszerűbb használni, mint egy egyszerű termisztort, amely nem lineáris ellenállást biztosít a hőmérséklet változásaival.

Digitális hőmérséklet-érzékelőre példa a DS1621, amely 9 bites hőmérséklet-leolvasást biztosít.

DS1621 jellemzői:

1. Külső alkatrészekre nincs szükség.
2. A hőmérséklet-tartományt -55 ° C és + 125 ° C között, 0,5 ° intervallumokban mérjük.
3. A hőmérséklet értékét 9 bites leolvasásként adja meg.
4. Széles tápellátási tartomány (2,7 V – 5,5 V).
5. A hőmérsékletet digitális szóvá konvertálja kevesebb, mint egy másodperc alatt.
6. A termosztatikus beállítások a felhasználó által meghatározhatóak és nem illékonyak.
7. Ez egy 8 tűs DIP.

PIN leírás:

• SDA - 2-vezetékes soros adatbemenet / kimenet.
• SCL - 2-vezetékes soros óra.
• GND - föld.
• TOUT - Termosztát kimeneti jele.
• A0 - Chip cím bevitele.
• A1 - Chip cím bevitele.
• A2 - Chip cím bevitele.
• VDD - Tápfeszültség.

A DS1621 működése:

• Ha a készülék hőmérséklete meghaladja a felhasználó által meghatározott HIGH hőmérsékletet, akkor a TOUT kimenet aktív. A kimenet addig marad aktív, amíg a hőmérséklet a felhasználó által meghatározott LOW hőmérséklet alá nem csökken.
• A felhasználó által megadott hőmérsékleti beállításokat a nem felejtő memóriába menti, így azokat a rendszerbe történő behelyezés előtt be lehet programozni.
• A hőmérséklet leolvasása 9 bites, két kiegészítéses leolvasással történik a READ TEMPERATURE parancs kiadásával a programozásban.
• 2 vezetékes soros interfészt használnak a DS16121 bemenetéhez a hőmérséklet beállításokhoz és a hőmérséklet leolvasásához a DS1621-ből

Photo Credit:

• Hőmérséklet-érzékelő wikimedia