Cảm biến nhiệt độ - Các loại, làm việc và vận hành

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

8 BÌNH LUẬN

Nhiệt độ là đại lượng môi trường thường được đo nhất. Điều này có thể được mong đợi vì hầu hết các hệ thống vật lý, điện tử, hóa học, cơ học và sinh học bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Một số phản ứng hóa học, quá trình sinh học và thậm chí các mạch điện tử hoạt động tốt nhất trong phạm vi nhiệt độ giới hạn. Nhiệt độ là một trong những biến được đo phổ biến nhất và do đó không có gì đáng ngạc nhiên khi có nhiều cách để cảm nhận nó. Cảm biến nhiệt độ có thể được thực hiện thông qua tiếp xúc trực tiếp với nguồn sưởi hoặc từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn sử dụng năng lượng bức xạ thay thế. Có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ trên thị trường hiện nay, bao gồm Cặp nhiệt điện, Đầu báo nhiệt độ điện trở (RTD), Nhiệt điện trở, Hồng ngoại và Cảm biến bán dẫn.

5 loại cảm biến nhiệt độ

Cặp nhiệt điện : Đây là một loại cảm biến nhiệt độ, được chế tạo bằng cách nối hai kim loại khác nhau ở một đầu. Kết thúc tham gia được gọi là JUNCTION NÓNG. Đầu kia của các kim loại khác nhau này được gọi là JUNCTION LẠNH hoặc CẮT. Các mối nối lạnh thực sự được hình thành tại điểm cuối cùng của vật liệu cặp nhiệt điện. Nếu có sự khác biệt về nhiệt độ giữa ngã ba nóng và ngã ba lạnh, một điện áp nhỏ được tạo ra. Điện áp này được gọi là EMF (lực điện động lực) và có thể được đo và lần lượt được sử dụng để chỉ thị nhiệt độ.

RTD là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Thường được chế tạo từ bạch kim, mặc dù các thiết bị làm từ niken hoặc đồng không phải là hiếm, RTD có thể có nhiều hình dạng khác nhau như vết thương dây, màng mỏng. Để đo điện trở trên RTD, hãy đặt một dòng điện không đổi, đo điện áp kết quả và xác định điện trở RTD. RTD thể hiện sức đề kháng khá tuyến tính đối với các đường cong nhiệt độtrên các khu vực hoạt động của họ, và bất kỳ phi tuyến nào đều có thể dự đoán và lặp lại cao. Bảng đánh giá PT100 RTD sử dụng RTD gắn trên bề mặt để đo nhiệt độ. Một PT100 2, 3 hoặc 4 dây bên ngoài cũng có thể được liên kết với đo nhiệt độ ở vùng sâu vùng xa. Các RTD được thiên vị bằng cách sử dụng một nguồn hiện tại không đổi. Vì vậy, để giảm nhiệt tự do tiêu tán năng lượng, cường độ hiện tại thấp vừa phải. Mạch được hiển thị trong hình là nguồn dòng không đổi sử dụng điện áp tham chiếu, một bộ khuếch đại và bóng bán dẫn PNP.

Nhiệt điện trở : Tương tự như RTD, nhiệt điện trở là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt điện, tuy nhiên, được làm từ vật liệu bán dẫn. Điện trở được xác định theo cách tương tự như RTD, nhưng nhiệt điện trở thể hiện điện trở phi tuyến cao so với đường cong nhiệt độ. Do đó, trong phạm vi hoạt động của nhiệt điện trở, chúng ta có thể thấy sự thay đổi điện trở lớn đối với sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ. Điều này làm cho một thiết bị có độ nhạy cao, lý tưởng cho các ứng dụng điểm đặt.

Cảm biến bán dẫn : Chúng được phân loại thành các loại khác nhau như đầu ra điện áp, đầu ra hiện tại, đầu ra kỹ thuật số, silicon đầu ra điện trở và cảm biến nhiệt độ Diode. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn hiện đại cung cấp độ chính xác cao và tuyến tính cao trong phạm vi hoạt động khoảng 55 ° C đến + 150 ° C. Bộ khuếch đại bên trong có thể mở rộng đầu ra thành các giá trị thuận tiện, chẳng hạn như 10mV / ° C. Chúng cũng hữu ích trong các mạch bù tiếp giáp lạnh cho các cặp nhiệt điện phạm vi nhiệt độ rộng. Một chi tiết ngắn gọn về loại cảm biến nhiệt độ này được đưa ra dưới đây.

IC cảm biến

Có rất nhiều IC cảm biến nhiệt độ có sẵn để đơn giản hóa phạm vi rộng nhất của các thách thức giám sát nhiệt độ. Các cảm biến nhiệt độ silicon này khác biệt đáng kể với các loại được đề cập ở trên trong một vài cách quan trọng. Đầu tiên là phạm vi nhiệt độ hoạt động. IC cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ danh nghĩa từ -55 ° C đến + 150 ° C. Sự khác biệt lớn thứ hai là chức năng.

Cảm biến nhiệt độ silicon là một mạch tích hợp và do đó có thể bao gồm mạch xử lý tín hiệu mở rộng trong cùng một gói với cảm biến. Không cần thêm mạch bù cho Ics cảm biến nhiệt độ. Một số trong số này là các mạch tương tự với điện áp hoặc đầu ra hiện tại. Những người khác kết hợp các mạch cảm biến tương tự với các bộ so sánh điện áp để cung cấp các chức năng cảnh báo. Một số IC cảm biến khác kết hợp mạch cảm biến tương tự với các thanh ghi đầu vào / đầu ra và điều khiển kỹ thuật số , làm cho chúng trở thành một giải pháp lý tưởng cho các hệ thống dựa trên bộ vi xử lý.

Cảm biến đầu ra kỹ thuật số thường chứa cảm biến nhiệt độ, bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), giao diện kỹ thuật số hai dây và các thanh ghi để điều khiển hoạt động của IC. Nhiệt độ được đo liên tục và có thể được đọc bất cứ lúc nào. Nếu muốn, bộ xử lý máy chủ có thể ra lệnh cho cảm biến theo dõi nhiệt độ và lấy chân đầu ra ở mức cao (hoặc thấp) nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn được lập trình. Nhiệt độ ngưỡng thấp hơn cũng có thể được lập trình và máy chủ có thể được thông báo khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng này. Do đó, cảm biến đầu ra kỹ thuật số có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ đáng tin cậy trong các hệ thống dựa trên bộ vi xử lý.

Cảm biến nhiệt độ trên có ba thiết bị đầu cuối và yêu cầu cung cấp tối đa 5,5 V. Loại cảm biến này bao gồm một vật liệu thực hiện hoạt động theo nhiệt độ để thay đổi điện trở. Sự thay đổi điện trở này được cảm nhận bằng mạch và nó tính toán nhiệt độ. Khi điện áp tăng thì nhiệt độ cũng tăng. Chúng ta có thể thấy hoạt động này bằng cách sử dụng một diode.

Cảm biến nhiệt độ kết nối trực tiếp với đầu vào của bộ vi xử lý và do đó có khả năng giao tiếp trực tiếp và đáng tin cậy với các bộ vi xử lý. Bộ cảm biến có thể giao tiếp hiệu quả với các bộ xử lý giá rẻ mà không cần bộ chuyển đổi A / D.

Một ví dụ cho cảm biến nhiệt độ là LM35 . Sê-ri LM35 là các cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp chính xác, có điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ Celsius. LM35 hoạt động ở -55˚ đến + 120˚C.

Cảm biến nhiệt độ C. cơ bản (+ 2˚C đến + 150˚C) được hiển thị trong hình bên dưới.

Các tính năng của cảm biến nhiệt độ LM35:

Hiệu chuẩn trực tiếp trong Celsius (C.)
Xếp hạng cho phạm vi l −55˚ đến + 150˚C đầy đủ
Thích hợp cho các ứng dụng từ xa
Chi phí thấp do cắt tỉa cấp độ wafer
Hoạt động từ 4 đến 30 volt
Tự sưởi ấm thấp,
± 1 / 4˚C của phi tuyến điển hình

Hoạt động của LM35:

LM35 có thể được kết nối dễ dàng giống như các cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp khác. Nó có thể bị kẹt hoặc thiết lập trên bề mặt và nhiệt độ của nó sẽ nằm trong khoảng 0,01˚C của nhiệt độ bề mặt.
Điều này giả định rằng nhiệt độ không khí xung quanh chỉ tương đương với nhiệt độ bề mặt; nếu nhiệt độ không khí cao hơn hoặc thấp hơn nhiều so với nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ thực tế của LM35 sẽ ở nhiệt độ trung gian giữa nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí.

Các cảm biến nhiệt độ có các ứng dụng nổi tiếng trong kiểm soát quá trình và môi trường và cả trong kiểm tra, đo lường và truyền thông. Nhiệt độ kỹ thuật số là một cảm biến, cung cấp số đọc nhiệt độ 9 bit. Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số cung cấp độ chính xác tuyệt vời, chúng được thiết kế để đọc từ 0 ° C đến 70 ° C và có thể đạt được độ chính xác ± 0,5 ° C. Những cảm biến này hoàn toàn phù hợp với chỉ số nhiệt độ kỹ thuật số ở độ Celsius.

Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số : Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số loại bỏ sự cần thiết cho các thành phần bổ sung, chẳng hạn như bộ chuyển đổi A / D, trong ứng dụng và không cần hiệu chỉnh các thành phần hoặc hệ thống ở nhiệt độ tham chiếu cụ thể khi cần sử dụng nhiệt điện trở. Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số xử lý mọi thứ, trao quyền cho chức năng giám sát nhiệt độ hệ thống cơ bản được đơn giản hóa.

Những lợi thế của cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số chủ yếu là với đầu ra chính xác của nó tính bằng độ C. Đầu ra cảm biến là một đọc kỹ thuật số cân bằng. Điều này dự định không có thành phần nào khác, chẳng hạn như bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và sử dụng đơn giản hơn nhiều so với, một nhiệt điện trở đơn giản cung cấp điện trở phi tuyến tính với sự thay đổi nhiệt độ.

Một ví dụ cho cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số là DS1621, cung cấp đọc nhiệt độ 9 bit.

Tính năng DS1621:

Không có thành phần bên ngoài được yêu cầu.
Phạm vi nhiệt độ từ -55⁰C đến + 125⁰C trong các khoảng 0,5⁰ được đo.
Cung cấp giá trị nhiệt độ dưới dạng đọc 9 bit.
Phạm vi cung cấp điện rộng (2.7V đến 5.5V).
Chuyển đổi nhiệt độ thành từ kỹ thuật số trong chưa đầy một giây.
Cài đặt nhiệt tĩnh là người dùng có thể xác định và Không dễ bay hơi.
Nó là 8 chân.

Mô tả pin:

SDA - Đầu vào / đầu ra dữ liệu nối tiếp 2 dây.
SCL - Đồng hồ nối tiếp 2 dây.
GND - Mặt đất.
TOUT - Tín hiệu đầu ra nhiệt.
A0 - Đầu vào địa chỉ chip.
A1 - Đầu vào địa chỉ chip.
A2 - Đầu vào địa chỉ chip.
VDD - Điện áp cung cấp.

Làm việc của DS1621:

Khi nhiệt độ của thiết bị vượt quá nhiệt độ do người dùng xác định CAO thì TOUT đầu ra được kích hoạt. Đầu ra sẽ vẫn hoạt động cho đến khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ do người dùng xác định THẤP.
Cài đặt nhiệt độ do người dùng xác định được lưu trong bộ nhớ không biến đổi để có thể được lập trình trước khi chèn vào hệ thống.
Việc đọc nhiệt độ được cung cấp trong 9 bit, hai lần đọc bổ sung bằng cách ban hành lệnh READ NHIỆT ĐỘ trong lập trình.
Giao diện nối tiếp 2 dây được sử dụng để nhập vào DS16121 cho cài đặt nhiệt độ và cho đầu ra đọc nhiệt độ từ DS1621