Существуют различные типы сенсорных технологий и существенные различия в отраслевом спросе, что делает чрезвычайно сложным выбор лучшего датчика температуры для конкретных применений. Однако многие приложения требуют точных показаний, поэтому необходимо оценить различные существующие продукты.
При выборе датчиков температуры необходимо сбалансировать множество факторов для удовлетворения проектных требований: точность, время отклика, протокол связи, устойчивость к окружающей среде, энергопотребление, стоимость и системная интеграция. Датчики обычно делятся на четыре типа аналоговых выходов напряжения и один тип цифрового выхода сигнала:
Термопара: Обладая широким диапазоном температур и долговечностью, она может измерять температуру от низкой до более +1800 ° C. Термопары прочные и долговечные, способны выдерживать суровые условия окружающей среды и быстро реагировать на быстрые изменения температуры. Однако их точность и стабильность не так хороши, как у других датчиков, и им требуется согласование сигнала. Термопары отлично подходят для тяжелой промышленности, такой как производство стали и стекла, а также для бытовых и коммерческих приборов с высокой температурой.
Температурный детектор сопротивления (RTD): Обладая высокой точностью и стабильностью, он очень подходит для промышленной автоматизации и управления процессами, где требуется чрезвычайно высокая точность. RTD обычно используется в пищевой и фармацевтической промышленности для обеспечения строгого контроля температуры во время таких процессов, как пивоварение, дезинфекция и жарка. RTD может обеспечить точное измерение температуры для систем HVAC, а также лабораторного и медицинского оборудования, такого как инкубаторы и аналитические приборы. По сравнению с альтернативами, такими как термопары, термометры сопротивления могут иметь более высокую стоимость и более хрупкие из-за того, что в них используются тонкие проволочные или тонкопленочные детекторные элементы. RTD обычно используется в сочетании с прецизионными измерительными схемами, что увеличивает сложность и стоимость конструкции.
Термистор: резистор из полупроводника, значение сопротивления которого меняется в зависимости от температуры и имеет высокую чувствительность. Небольшие изменения температуры и большие изменения сопротивления позволяют обнаруживать небольшие колебания температуры с высоким разрешением. Термисторы имеют небольшой размер, высокую скорость отклика и низкую стоимость и охватывают различные спецификации, от микрошариков до более крупных зондов. Термисторы подходят для применений с ограниченным диапазоном температур, обычно от -50 ° C до 150 ° C. Термисторы имеют широкий спектр применений, включая медицинские устройства и бытовую электронику, связанные с температурой окружающей среды или человека, а также автомобильные приложения, системы управления батареями, бытовую электронику, обнаружение огня и дыма и другие области. Однако нелинейная кривая сопротивления термисторов требует формул преобразования или справочных таблиц для точного преобразования значения сопротивления в температуру, и по сравнению с термометрами сопротивления термисторы могут со временем дрейфовать.
Диодный датчик температуры: благодаря высокой скорости отклика и меньшему размеру по сравнению с тремя другими аналоговыми датчиками его можно легко подключить к микроконтроллерам, аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и интегральным схемам специального назначения (ASIC). Диодный датчик температуры обладает высокой экономической эффективностью, диапазон температур ограничен от -55°C до +150°C. Он может широко использоваться во многих областях, таких как бытовая электроника, промышленная автоматизация, системы хранения данных в центрах обработки данных и автомобили. Этот тип датчика имеет более низкую точность, чем RTD, чувствителен к системному шуму и обычно требует калибровки для обеспечения согласованности показаний различных устройств.
Цифровой датчик температуры: тип интегральной схемы (ИС), используемой для измерения температуры и прямого предоставления цифрового вывода, обычно передающего данные через стандартные протоколы связи, такие как SMBus, I²C, SPI или 1-Wire. Цифровые датчики не требуют внешнего формирования, усиления и аналого-цифрового преобразования сигнала, как аналоговые датчики.
Принцип отбора
Выбор подходящего датчика температуры требует баланса между точностью, временем отклика, долговечностью и стоимостью или выбора подходящих компонентов в соответствии с конкретными отраслевыми требованиями.
Рабочая среда, в которой выбирается датчик температуры, играет решающую роль. В суровых условиях требуются надежные и долговечные датчики, такие как термопары или термометры сопротивления с покрытием, тогда как для контролируемых сред больше подходят термисторы или полупроводниковые датчики. Стоимость и масштабируемость также являются факторами, которые следует учитывать при массовом производстве: термисторы экономически эффективны, а термометры сопротивления и высококачественные термопары обладают долгосрочной стабильностью.
Компромисс между точностью и практичностью одинаково важен для дизайнеров в процессе выбора. RTD имеет высокую точность, но стоит дорого; Термопары имеют широкий спектр применения, но их точность относительно невысока. Время отклика и местоположение одинаково важны: легкие датчики, такие как термопары и термисторы, имеют высокую скорость отклика, но место установки может повлиять на производительность.
Стоимость датчиков и связанных с ними схем будет сильно влиять на выбор, особенно в потребительских товарах или массовом производстве. Стоимость разных типов датчиков сильно различается. Аналоговые датчики требуют согласования сигнала, а цифровые датчики могут упростить интеграцию. Сокращение аналоговых схем и работ по калибровке может минимизировать общие затраты, даже если разумно выбрать немного более дорогие цифровые датчики.
Цифровые датчики и их характеристики
Цифровые датчики преобразуют аналоговые сигналы внутри себя и передают данные в виде цифрового потока, обычно с лучшей помехоустойчивостью и способностью выполнять более сложную обработку данных. Компания Analog Devices, Inc. (ADI) предлагает широкий спектр комбинаций аналоговых и цифровых датчиков температуры, и разработчики должны тщательно оценить, какой продукт лучше всего соответствует потребностям их применения. Ниже приводится краткое введение в некоторые цифровые датчики.
Если требуются точные показания температуры, точность может быть наиболее важным фактором выбора. Цифровой датчик ADI MAX31888 имеет точность ± 0,25 °C в диапазоне от -20 °C до +105 °C и может обмениваться данными с микроконтроллером через шину 1-Wire для обеспечения высокоточной схемы мониторинга температуры (рис. 1). Каждый MAX31888 имеет свой собственный уникальный 64-битный регистрационный номер, используемый в качестве адреса узла в многоточечной однолинейной сети.