Видове температурни сензори

Всяко приложение може да има различни нужди от температурни сензори. Те се различават по отношение на това какво се измерва (въздух, маса или течност), къде се измерва (на закрито или на открито) и измервания температурен диапазон.

Днес ще се съсредоточим върху 7 вида сензори и устройства за измерване на температури, използвани на закрито и на открито – как работят, какво ги отличава и предимствата и недостатъците на такива решения.

Термодвойки

Термодвойките са най-често използваният тип температурни сензори. Те се използват в промишлени, автомобилни и потребителски приложения. Термодвойките са със самостоятелно захранване, не изискват възбуждане, могат да работят в широк температурен диапазон и имат бързо време за реакция.

Термодвойките се изработват чрез свързване на два различни метални проводника. Това създава ефекта на Зеебек. Ефектът на Зеебек е явление, при което температурната разлика между два различни проводника причинява разлика в напрежението между двете вещества. Тази разлика в напрежението може да бъде измерена и използвана за изчисляване на температурата.

Съществуват няколко вида термодвойки, изработени от различни материали, което позволява различни температурни диапазони и чувствителност. Различните видове се отличават с буквени обозначения. Те включват: E, J, K, N, T, R/S и B.

Някои недостатъци на термодвойките включват факта, че измерването на температурата може да бъде трудно поради ниското им изходно напрежение, което изисква прецизно усилване, чувствителността към външни смущения по дълги проводници и студените съединения. Студеният съединение е мястото, където проводниците на термодвойката се срещат с медните следи на сигналните вериги. Това създава друг ефект на Зеебек, който трябва да бъде компенсиран, наречен компенсация на студения съединител.

Сензор за съпротивление на температурата (RTS)

С промяната на температурата, съпротивлението на всеки метал също се променя. На тази разлика в съпротивлението се основават RTD. RTS е резистор с добре дефинирана характеристика съпротивление-температура. Платината е най-разпространеният и точен материал, използван за производството на този тип сензори.

Платинените RTS са най-разпространени, защото предлагат почти линеен отговор на температурните промени, стабилни и точни са, осигуряват повтаряем отговор и имат широк температурен диапазон. RTD (термометри с отрицателен температурен коефициент) често се използват в прецизни приложения поради тяхната точност и повторяемост.

RTD обикновено имат по-голяма топлинна маса и следователно реагират по-бавно на температурните промени от термодвойките. Кондиционирането на сигнала е важно за RTS (термометрите с отрицателен температурен коефициент). Те също така изискват възбуждащ ток, който да протича през сензорите. Ако този ток е известен, съпротивлението може да се изчисли.

Термистори

Термисторите са подобни на RTD по това, че температурните промени причиняват измерими промени в съпротивлението. Термисторите обикновено са изработени от полимерен или керамичен материал. В повечето случаи термисторите са по-евтини, но също така са по-малко точни от RTS. Повечето термистори се предлагат в двупроводни конфигурации.

NTC (отрицателен температурен коефициент) термисторът е най-често използваният термистор за измерване на температура. Съпротивлението на NTC термистор намалява с повишаване на температурата. Термисторите имат нелинейна зависимост съпротивление-температура. Това изисква значителна корекция за правилно тълкуване на данните. Често срещан подход за използване на термистор е свързването на термистор и фиксиран резистор, за да се образува делител на напрежение с изход, който се преобразува в цифрова стойност от аналогово-цифров преобразувател (ADC).

Полупроводникови интегрални схеми

Полупроводниковите температурни сензори се предлагат в два различни вида: локални температурни сензори и дистанционни цифрови температурни сензори. Локалните температурни сензори са интегрални схеми, които измерват температурата на собствения си кристал, използвайки физическите свойства на транзистора. Дистанционните цифрови температурни сензори измерват температурата на външен транзистор.

Локалните температурни сензори могат да използват аналогови или цифрови изходи. Аналоговите изходи могат да бъдат напрежени или токови, докато цифровите изходи могат да бъдат предоставени в няколко формата, като I²C, SMBus, 1-Wire® и Serial Peripheral Interface (SPI). Локалните температурни сензори отчитат температурата на печатни платки или околния въздух.

Дистанционните цифрови температурни сензори работят подобно на локалните температурни сензори, използвайки физическите свойства на транзистора. Разликата е, че транзисторът е разположен отдалечено от сензорния чип. Някои микропроцесори и FPGA включват биполярен транзистор за измерване на температурата на кристала на целевата интегрална схема.

Инфрачервени сензори

Инфрачервените сензори са безконтактни сензори. Например, ако държите типичен инфрачервен сензор до предната част на бюрото, без да осъществявате контакт, сензорът ще покаже температурата на бюрото въз основа на неговото излъчване – вероятно стайна температура.

В случай на безконтактно измерване на ледена вода, показанието ще бъде малко под 0°C поради изпарение, което може леко да понижи очакваното отчитане на температурата.

Сензори за температура с промяна на фазата

Сензорите за промяна на фазата измерват промяната в състоянието на материал, причинена от промяна в температурата, като например преминаване на леда във вода и след това в пара. Предлаганите в търговската мрежа устройства се предлагат под формата на етикети, таблетки, пастели или лакове.

Например, етикетите могат да се използват върху кондензни уловители. Когато кондензният капан се нуждае от регулиране, той се нагрява; тогава бяла точка на етикета показва повишаване на температурата, като става черна. Точката ще остане черна, дори ако температурата се върне към нормалните си стойности.

Температурните етикети са полезни, когато е необходимо да се потвърди, че температурата не е надвишила определено ниво, например по технически или правни причини по време на транспортиране. Тъй като устройствата за фазово превключване са неелектрически, като биметална лента, те имат предимство в определени приложения. Някои форми на това семейство сензори (лак, пастели) не променят цвета си; следите, които правят, просто изчезват. Таблетната версия се деформира визуално или се разтваря напълно.

Ограничение е относително бавното им време за реакция. Следователно, ако възникне температурен пик, който се покачва и след това спада много бързо, може да няма видима реакция. Точността също не е толкова висока, колкото при повечето други устройства, често използвани в индустрията. Въпреки това, те са много практични в приложения, където е необходима необратима индикация, която не изисква електрическо захранване.

Други обратими етикети работят на съвсем различен принцип, използвайки дисплей с течни кристали. Дисплеят променя цвета си от черен на кафяв, син или зелен, в зависимост от достигнатата температура.

Силициев диод

Силициевият диоден сензор е устройство, специално проектирано за криогенния температурен диапазон. Те са по същество линейни устройства, при които проводимостта на диода се увеличава линейно при ниски криогенни температури.

Независимо от избрания сензор, той вероятно няма да функционира самостоятелно. Тъй като повечето сензори се припокриват по отношение на температурния диапазон и точност, изборът на сензор ще зависи от това как ще бъде интегриран в системата.

Обобщение - Температурни сензори

Термодвойките, RTD, термисторите и полупроводниковите интегрални схеми са основните видове температурни сензори, използвани днес. Термодвойките са евтини, издръжливи и могат да измерват широк диапазон от температури. RTD предлагат широк диапазон на измерване на температурата (макар и по-малък от термодвойките) и осигуряват точни и повторяеми измервания. Те обаче са по-бавни, изискват възбуждащ ток и изискват обработка на сигнала. Термисторите са издръжливи и малки, но са по-малко точни от RTD и изискват повече корекции на данните за интерпретиране на температурата. Полупроводниковите интегрални схеми са гъвкави за имплантиране и могат да се произвеждат в много малки корпуси, но имат ограничен температурен диапазон.

Останалите представени решения са нестандартни и най-често се използват в специфични приложения.