Temperatūros jutiklių tipai

Kiekvienoje srityje temperatūros jutiklių poreikiai gali skirtis. Jie skiriasi tuo, kas matuojama (oras, masė ar skystis), kur tai matuojama (patalpose ar lauke) ir kokiame temperatūros diapazone matuojama.

Šiandien daugiausia dėmesio skirsime 7 jutiklių ir prietaisų, naudojamų patalpose ir lauke, temperatūrai matuoti, tipams – kaip jie veikia, kuo jie skiriasi, kokie yra tokių sprendimų privalumai ir trūkumai.

Termoporos

Termoporos yra dažniausiai naudojamas temperatūros jutiklių tipas. Jie naudojami pramonėje, automobilių pramonėje ir vartotojų reikmėms. Termoporos yra savarankiškos, nereikalauja sužadinimo, gali veikti plačiame temperatūrų diapazone ir pasižymi greitu atsako laiku.

Termoporos gaminamos sujungiant du skirtingus metalinius laidus. Tai sukuria Seebeck efektą. Seebeck efektas yra reiškinys, kai temperatūrų skirtumas tarp dviejų skirtingų laidininkų sukelia įtampos skirtumą tarp dviejų medžiagų. Šį įtampos skirtumą galima išmatuoti ir naudoti temperatūrai apskaičiuoti.

Yra keletas termoporų tipų, pagamintų iš skirtingų medžiagų, leidžiančių naudoti skirtingus temperatūros diapazonus ir jautrumą. Skirtingi tipai skiriasi raidėmis. Tai apima: E, J, K, N, T, R/S ir B.

Kai kurie termoelementų trūkumai yra tai, kad temperatūros matavimas gali būti sudėtingas dėl mažos išėjimo įtampos, kuriai reikalingas tikslus stiprinimas, jautrumo išoriniams trukdžiams ilguose laiduose ir šaltųjų jungčių. Šaltoji jungtis yra ta vieta, kur termoelementų laidai susitinka su signalinių grandinių variniais takais. Tai sukuria kitą Seebecko efektą, kurį reikia kompensuoti, vadinamą šaltųjų jungčių kompensacija.

Varžos temperatūros jutiklis (RTS)

Keičiantis temperatūrai, keičiasi ir bet kurio metalo varža. Šiuo varžos skirtumu yra pagrįsti RTD. RTS yra rezistorius, turintis tiksliai apibrėžtą varžos ir temperatūros charakteristiką. Platina yra labiausiai paplitusi ir tiksliausia medžiaga, naudojama šio tipo jutikliams gaminti.

Platinos RTS yra labiausiai paplitę, nes jie pasižymi beveik tiesiniu atsaku į temperatūros pokyčius, yra stabilūs ir tikslūs, užtikrina pakartojamą atsaką ir turi platų temperatūros diapazoną. RTD dažnai naudojami tiksliose taikymo srityse dėl savo tikslumo ir pakartojamumo.

RTD paprastai turi didesnę šiluminę masę ir todėl reaguoja į temperatūros pokyčius lėčiau nei termoelementai. Signalo kondicionavimas yra svarbus RTS. Jiems taip pat reikalinga sužadinimo srovė, kad tekėtų per jutiklius. Jei ši srovė žinoma, galima apskaičiuoti varžą.

Termistoriai

Termistoriai yra panašūs į RTD tuo, kad temperatūros pokyčiai sukelia išmatuojamus varžos pokyčius. Termistoriai paprastai gaminami iš polimero arba keramikos. Daugeliu atvejų termistoriai yra pigesni, tačiau jie taip pat yra mažiau tikslūs nei RTS. Dauguma termistorių yra dviejų laidų konfigūracijos.

NTC (neigiamo temperatūros koeficiento) termistorius yra dažniausiai naudojamas termistorius temperatūrai matuoti. NTC termistoriaus varža mažėja didėjant temperatūrai. Termistoriai turi netiesinį varžos ir temperatūros ryšį. Tam reikalinga didelė korekcija, kad duomenys būtų teisingai interpretuojami. Įprastas termistoriaus naudojimo būdas yra sujungti termistorių ir fiksuotą rezistorių, kad būtų suformuotas įtampos daliklis, kurio išvestį ADC konvertuoja į skaitmeninę vertę.

Puslaidininkiniai integriniai grandynai

Puslaidininkiniai temperatūros jutikliai būna dviejų skirtingų tipų: vietiniai temperatūros jutikliai ir nuotoliniai skaitmeniniai temperatūros jutikliai. Vietiniai temperatūros jutikliai yra integriniai grandynai, kurie matuoja savo lusto temperatūrą, naudodami tranzistoriaus fizines savybes. Nuotoliniai skaitmeniniai temperatūros jutikliai matuoja išorinio tranzistoriaus temperatūrą.

Vietiniai temperatūros jutikliai gali naudoti analoginius arba skaitmeninius išėjimus. Analoginiai išėjimai gali būti įtampa arba srovė, o skaitmeniniai išėjimai gali būti teikiami keliais formatais, tokiais kaip I²C, SMBus, 1-Wire® ir nuoseklioji periferinė sąsaja (SPI). Vietiniai temperatūros jutikliai matuoja spausdintinių plokščių arba aplinkinio oro temperatūrą.

Nuotoliniai skaitmeniniai temperatūros jutikliai veikia panašiai kaip vietiniai temperatūros jutikliai, išnaudodami tranzistoriaus fizines savybes. Skirtumas tas, kad tranzistorius yra nutolęs nuo jutiklio lusto. Kai kuriuose mikroprocesoriuose ir FPGA yra įmontuotas bipolinis tranzistorius, skirtas matuoti tikslinio IC lusto temperatūrą.

Infraraudonųjų spindulių jutikliai

Infraraudonųjų spindulių jutikliai yra bekontakčiai jutikliai. Pavyzdžiui, jei laikysite įprastą infraraudonųjų spindulių jutiklį prie stalo priekio neprisiliesdami, jutiklis rodys stalo temperatūrą pagal savo spinduliuotę – tikriausiai kambario temperatūrą.

Bekontakčio ledinio vandens matavimo atveju rodmuo bus šiek tiek mažesnis nei 0 °C dėl garavimo, todėl tikėtina temperatūros rodmuo gali šiek tiek sumažėti.

Fazės kitimo temperatūros jutikliai

Fazės kitimo jutikliai matuoja medžiagos būsenos pokytį, kurį sukelia temperatūros pokytis, pavyzdžiui, ledo virsmą vandeniu, o vėliau garais. Komerciškai prieinami prietaisai yra etikečių, planšečių, pieštukų arba lakų pavidalu.

Pavyzdžiui, etiketes galima naudoti ant garų gaudyklių. Kai garų gaudyklę reikia reguliuoti, ji įkaista; tada baltas taškas etiketėje, pajuoduodamas, rodo temperatūros padidėjimą. Taškas liks juodas net ir tada, kai temperatūra normalizuosis.

Temperatūros etiketės yra naudingos, kai reikia patvirtinti, kad temperatūra neviršijo tam tikro lygio, pavyzdžiui, dėl techninių ar teisinių priežasčių transportavimo metu. Kadangi fazės keitimo įtaisai yra neelektriniai, kaip ir bimetalinė juostelė, jie turi pranašumą tam tikrose srityse. Kai kurios šios jutiklių šeimos formos (lakas, kreidelės) nekeičia spalvos; jų žymės tiesiog išnyksta. Planšetinio kompiuterio versija vizualiai deformuojasi arba visiškai ištirpsta.

Trūkumas yra jų santykinai lėtas reakcijos laikas. Todėl, jei įvyksta temperatūros šuolis, kuris labai greitai kyla ir krenta, gali nebūti matomo atsako. Tikslumas taip pat nėra toks didelis kaip daugumos kitų pramonėje dažniausiai naudojamų įtaisų. Tačiau jos yra labai praktiškos tais atvejais, kai reikalinga negrįžtama indikacija, kuriai nereikia elektros energijos.

Kitos grįžtamos etiketės veikia visiškai kitu principu, naudodamos skystųjų kristalų ekraną. Ekrano spalva keičiasi iš juodos į rudą, mėlyną arba žalią, priklausomai nuo pasiektos temperatūros.

Silicio diodas

Silicio diodo jutiklis yra specialiai kriogeninės temperatūros diapazonui sukurtas įrenginys. Tai iš esmės linijiniai įrenginiai, kuriuose diodo laidumas tiesiškai didėja esant žemai kriogeninei temperatūrai.

Nepriklausomai nuo pasirinkto jutiklio, jis greičiausiai neveiks atskirai. Kadangi dauguma jutiklių sutampa temperatūros diapazonu ir tikslumu, jutiklio pasirinkimas priklausys nuo to, kaip jis bus integruotas į sistemą.

Santrauka - Temperatūros jutikliai

Termoporos, RTD, termistoriai ir puslaidininkinės integrinės grandinės yra pagrindiniai šiandien naudojami temperatūros jutiklių tipai. Termoporos yra nebrangios, patvarios ir gali matuoti platų temperatūrų diapazoną. RTD siūlo platų temperatūros matavimo diapazoną (nors ir mažesnį nei termoporos) ir užtikrina tikslius bei pakartojamus matavimus. Tačiau jie yra lėtesni, jiems reikalinga sužadinimo srovė ir signalo apdorojimas. Termistoriai yra patvarūs ir maži, tačiau yra mažiau tikslūs nei RTD ir reikalauja daugiau duomenų korekcijų, kad būtų galima interpretuoti temperatūrą. Puslaidininkinės integrinės grandinės yra lanksčios implantavimui ir gali būti gaminamos labai mažuose korpusuose, tačiau jų temperatūros diapazonas yra ribotas.

Likę pateikti sprendimai yra nestandartiniai ir dažniausiai naudojami specifinėse srityse.