Sensori di temperatura - Tipi, funzionamento e funzionamento

La temperatura è la quantità ambientale misurata più spesso. Questo potrebbe essere previsto poiché la maggior parte dei sistemi fisici, elettronici, chimici, meccanici e biologici sono influenzati dalla temperatura. Alcune reazioni chimiche, processi biologici e persino circuiti elettronici funzionano meglio entro intervalli di temperatura limitati. La temperatura è una delle variabili misurate più comunemente e quindi non sorprende che ci siano molti modi per rilevarla. Rilevamento della temperatura può essere effettuato sia tramite contatto diretto con la fonte di riscaldamento che a distanza, senza contatto diretto con la fonte utilizzando invece l'energia irradiata. Sul mercato oggi è disponibile un'ampia varietà di sensori di temperatura, comprese termocoppie, rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), termistori, sensori a infrarossi e semiconduttori.

5 tipi di sensori di temperatura

• Termocoppia : È un tipo di sensore di temperatura, realizzato unendo due metalli dissimili a un'estremità. L'estremità unita è indicata come GIUNZIONE A CALDO. L'altra estremità di questi metalli dissimili è denominata FREDDO FREDDO o FREDDO GIUNTO. La giunzione fredda si forma nell'ultimo punto del materiale della termocoppia. Se c'è una differenza di temperatura tra la giunzione calda e la giunzione fredda, viene creata una piccola tensione. Questa tensione è indicata come EMF (forza elettromotrice) e può essere misurata e a sua volta utilizzata per indicare la temperatura.

Termocoppia

• L'RTD è un dispositivo di rilevamento della temperatura la cui resistenza cambia con la temperatura. Tipicamente costruiti in platino, sebbene i dispositivi in ​​nichel o rame non siano rari, gli RTD possono assumere molte forme diverse come filo avvolto, pellicola sottile. Per misurare la resistenza attraverso un RTD, applicare una corrente costante, misurare la tensione risultante e determinare la resistenza RTD. Gli RTD si mostrano abbastanza lineari resistenza alle curve di temperatura sulle loro regioni operative e qualsiasi non linearità è altamente prevedibile e ripetibile. La scheda di valutazione RTD PT100 utilizza RTD a montaggio superficiale per misurare la temperatura. Un PT100 esterno a 2, 3 o 4 fili può anche essere associato alla misura della temperatura in aree remote. Gli RTD sono polarizzati utilizzando una sorgente di corrente costante. Per ridurre l'auto-calore dovuto alla dissipazione di potenza, l'intensità della corrente è moderatamente bassa. Il circuito mostrato in figura è che la sorgente di corrente costante utilizza una tensione di riferimento, un amplificatore e un transistor PNP.

• Termistori : Simile all'RTD, il termistore è un dispositivo di rilevamento della temperatura la cui resistenza cambia con la temperatura. I termistori, tuttavia, sono realizzati con materiali semiconduttori. La resistenza è determinata nello stesso modo dell'RTD, ma i termistori mostrano una resistenza altamente non lineare rispetto alla curva di temperatura. Pertanto, nell'intervallo operativo dei termistori, possiamo vedere una grande variazione di resistenza per una variazione di temperatura molto piccola. Questo rende un dispositivo altamente sensibile, ideale per applicazioni con set-point.

• Semiconduttore sensori : Sono classificati in diversi tipi come uscita di tensione, uscita di corrente, uscita digitale, silicio di uscita di resistenza e sensori di temperatura a diodi. I moderni sensori di temperatura a semiconduttore offrono un'elevata precisione e un'elevata linearità in un intervallo operativo da circa 55 ° C a + 150 ° C. Gli amplificatori interni possono scalare l'uscita a valori convenienti, come 10 mV / ° C. Sono anche utili nei circuiti di compensazione della giunzione fredda per termocoppie ad ampio intervallo di temperatura. Di seguito vengono forniti brevi dettagli su questo tipo di sensore di temperatura.

Circuiti integrati per sensori

È disponibile un'ampia varietà di circuiti integrati per sensori di temperatura per semplificare la più ampia gamma possibile di sfide di monitoraggio della temperatura. Questi sensori di temperatura al silicio differiscono in modo significativo dai tipi sopra menzionati in un paio di modi importanti. Il primo è l'intervallo di temperatura di esercizio. Un sensore di temperatura IC può funzionare nell'intervallo di temperatura IC nominale compreso tra -55 ° C e + 150 ° C. La seconda grande differenza è la funzionalità.

Un sensore di temperatura al silicio è un circuito integrato e può quindi includere un'ampia circuiteria di elaborazione del segnale nello stesso contenitore del sensore. Non è necessario aggiungere circuiti di compensazione per il sensore di temperatura ICS. Alcuni di questi sono circuiti analogici con uscita in tensione o corrente. Altri combinano circuiti di rilevamento analogico con comparatori di tensione per fornire funzioni di avviso. Alcuni altri circuiti integrati per sensori combinano circuiti di rilevamento analogico con ingresso / uscita digitale e registri di controllo , rendendoli una soluzione ideale per sistemi basati su microprocessore.

Il sensore di uscita digitale di solito contiene un sensore di temperatura, un convertitore analogico-digitale (ADC), un'interfaccia digitale a due fili e registri per il controllo del funzionamento dell'IC. La temperatura viene misurata continuamente e può essere letta in qualsiasi momento. Se lo si desidera, il processore host può istruire il sensore a monitorare la temperatura e portare un pin di uscita alto (o basso) se la temperatura supera un limite programmato. È anche possibile programmare una temperatura di soglia inferiore e l'host può essere informato quando la temperatura è scesa al di sotto di questa soglia. Pertanto, il sensore di uscita digitale può essere utilizzato per un monitoraggio affidabile della temperatura in sistemi basati su microprocessore.

Termometro

Il sensore di temperatura sopra ha tre terminali e richiede un'alimentazione massima di 5,5 V. Questo tipo di sensore è costituito da un materiale che agisce in base alla temperatura per variare la resistenza. Questo cambiamento di resistenza viene rilevato dal circuito e calcola la temperatura. Quando la tensione aumenta, aumenta anche la temperatura. Possiamo vedere questa operazione utilizzando un diodo.

Sensori di temperatura direttamente collegati all'ingresso del microprocessore e quindi in grado di comunicare in modo diretto e affidabile con i microprocessori. L'unità sensore può comunicare in modo efficace con processori a basso costo senza la necessità di convertitori A / D.

Un esempio di un sensore di temperatura è LM35 . Le serie LM35 sono sensori di temperatura a circuito integrato di precisione, la cui tensione di uscita è linearmente proporzionale alla temperatura Celsius. L'LM35 funziona a temperature comprese tra -55 ° C e + 120 ° C.

Il sensore di temperatura centigrado di base (da + 2 ° C a + 150 ° C) è mostrato nella figura seguente.

Caratteristiche del sensore di temperatura LM35:

• Calibrato direttamente in ˚ Celsius (Centigrade)
• Valutato per una gamma completa da −55˚ a + 150˚C
• Adatto per applicazioni remote
• Basso costo grazie alla rifilatura a livello di wafer
• Funziona da 4 a 30 volt
• Basso autoriscaldamento,
• ± 1 / 4˚C di non linearità tipica

Funzionamento dell'LM35:

• L'LM35 può essere collegato facilmente allo stesso modo di altri sensori di temperatura a circuito integrato. Può essere attaccato o fissato su una superficie e la sua temperatura sarà compresa nell'intervallo di 0,01 ° C della temperatura della superficie.
• Ciò presume che la temperatura dell'aria ambiente sia quasi la stessa della temperatura superficiale se la temperatura dell'aria fosse molto più alta o più bassa della temperatura superficiale, la temperatura effettiva dello stampo LM35 sarebbe a una temperatura intermedia tra la temperatura superficiale e l'aria temperatura.

I sensori di temperatura hanno applicazioni ben note nel controllo ambientale e di processo e anche nel test, misurazione e comunicazione. Una temperatura digitale è un sensore che fornisce letture della temperatura a 9 bit. I sensori di temperatura digitali offrono un'eccellente accuratezza precisa, sono progettati per leggere da 0 ° C a 70 ° C ed è possibile ottenere una precisione di ± 0,5 ° C. Questi sensori sono completamente allineati con le letture digitali della temperatura in gradi Celsius.

• Sensori di temperatura digitali: I sensori di temperatura digitali eliminano la necessità di componenti aggiuntivi, come un convertitore A / D, all'interno dell'applicazione e non è necessario calibrare i componenti o il sistema a temperature di riferimento specifiche secondo necessità quando si utilizzano termistori. I sensori di temperatura digitali si occupano di tutto, consentendo di semplificare la funzione di monitoraggio della temperatura del sistema di base.

I vantaggi di un sensore di temperatura digitale sono principali con la sua uscita di precisione in gradi Celsius. L'uscita del sensore è una lettura digitale bilanciata. Questo non prevede altri componenti, come un convertitore da analogico a digitale e molto più semplice da usare di un semplice termistore che fornisce una resistenza non lineare con variazione di temperatura.

Un esempio di sensore di temperatura digitale è DS1621, che fornisce una lettura della temperatura a 9 bit.

Caratteristiche DS1621:

1. Non sono necessari componenti esterni.
2. Viene misurato l'intervallo di temperatura da -55 ° C a + 125 ° C a intervalli di 0,5 ° C.
3. Fornisce il valore della temperatura come una lettura a 9 bit.
4. Ampia gamma di alimentazione (da 2,7 V a 5,5 V).
5. Converte la temperatura in parola digitale in meno di un secondo.
6. Le impostazioni termostatiche sono definibili dall'utente e non volatili.
7. È un DIP a 8 pin.

Descrizione pin:

• SDA - Ingresso / uscita dati seriali a 2 fili.
• SCL - Orologio seriale a 2 fili.
• GND - Terra.
• TOUT - Segnale di uscita del termostato.
• A0 - Ingresso indirizzo chip.
• A1 - Ingresso indirizzo chip.
• A2 - Ingresso indirizzo chip.
• VDD - Tensione di alimentazione.

Funzionamento di DS1621:

• Quando la temperatura del dispositivo supera una temperatura ALTA definita dall'utente, l'uscita TOUT è attiva. L'uscita rimarrà attiva finché la temperatura non scende al di sotto della temperatura definita dall'utente BASSA.
• Le impostazioni di temperatura definite dall'utente vengono salvate nella memoria non volatile in modo che possano essere programmate prima dell'inserimento in un sistema.
• La lettura della temperatura è fornita in una lettura a 9 bit, in complemento a due, emettendo il comando READ TEMPERATURE nella programmazione.
• Un'interfaccia seriale a 2 fili viene utilizzata per l'ingresso al DS16121 per le impostazioni della temperatura e l'uscita della lettura della temperatura dal DS1621

Diritti d'autore della foto:

• Sensore di temperatura di wikimedia