Temperatursensoren - Typen, Arbeitsweise und Betrieb

Die Temperatur ist die am häufigsten gemessene Umgebungsgröße. Dies ist zu erwarten, da die meisten physikalischen, elektronischen, chemischen, mechanischen und biologischen Systeme von der Temperatur beeinflusst werden. Bestimmte chemische Reaktionen, biologische Prozesse und sogar elektronische Schaltkreise funktionieren in begrenzten Temperaturbereichen am besten. Die Temperatur ist eine der am häufigsten gemessenen Variablen, und es ist daher nicht verwunderlich, dass es viele Möglichkeiten gibt, sie zu erfassen. Temperaturerfassung kann entweder durch direkten Kontakt mit der Heizquelle oder aus der Ferne erfolgen, ohne direkten Kontakt mit der Quelle unter Verwendung von abgestrahlter Energie. Es gibt heute eine Vielzahl von Temperatursensoren auf dem Markt, darunter Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), Thermistoren, Infrarot- und Halbleitersensoren.

5 Arten von Temperatursensoren

• Thermoelement : Es handelt sich um eine Art Temperatursensor, bei dem zwei unterschiedliche Metalle an einem Ende zusammengefügt werden. Das verbundene Ende wird als HEISSE VERZWEIGUNG bezeichnet. Das andere Ende dieser unterschiedlichen Metalle wird als COLD END oder COLD JUNCTION bezeichnet. Die Vergleichsstelle wird am letzten Punkt des Thermoelementmaterials gebildet. Wenn zwischen der heißen und der kalten Verbindung ein Temperaturunterschied besteht, wird eine kleine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird als EMF (elektromotorische Kraft) bezeichnet und kann gemessen und wiederum zur Anzeige der Temperatur verwendet werden.

Thermoelement

• Die FTE ist ein Temperaturfühler, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Typischerweise aus Platin hergestellt, obwohl Geräte aus Nickel oder Kupfer keine Seltenheit sind, können RTDs viele verschiedene Formen annehmen, wie z. B. drahtgewickelte Dünnfilme. Um den Widerstand über einen Widerstandsthermometer zu messen, legen Sie einen konstanten Strom an, messen Sie die resultierende Spannung und bestimmen Sie den Widerstand des Widerstandsthermometers. RTDs zeigen ziemlich linear Widerstand gegen Temperaturkurven über ihre Betriebsbereiche und jede Nichtlinearität ist hoch vorhersehbar und wiederholbar. Die PT100 RTD-Auswertungskarte verwendet RTD zur Oberflächenmessung zur Oberflächenmessung. Ein externer 2-, 3- oder 4-Draht-PT100 kann auch der Temperaturmessung in abgelegenen Gebieten zugeordnet werden. Die RTDs werden unter Verwendung einer Konstantstromquelle vorgespannt. Um die Eigenwärme aufgrund der Verlustleistung zu reduzieren, ist die Stromstärke mäßig niedrig. Die in der Figur gezeigte Schaltung ist die Konstantstromquelle, die eine Referenzspannung, einen Verstärker und einen PNP-Transistor verwendet.

• Thermistoren : Ähnlich wie beim Widerstandsthermometer ist der Thermistor ein Temperaturfühler, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Thermistoren bestehen jedoch aus Halbleitermaterialien. Der Widerstand wird auf die gleiche Weise wie der Widerstandsthermometer bestimmt, jedoch zeigen Thermistoren eine stark nichtlineare Kurve zwischen Widerstand und Temperatur. Somit können wir im Betriebsbereich der Thermistoren eine große Widerstandsänderung für eine sehr kleine Temperaturänderung sehen. Dies ergibt ein hochempfindliches Gerät, das sich ideal für Sollwertanwendungen eignet.

• Halbleiter Sensoren : Sie werden in verschiedene Typen wie Spannungsausgang, Stromausgang, Digitalausgang, Widerstandsausgangssilizium und Diodentemperatursensoren eingeteilt. Moderne Halbleitertemperatursensoren bieten eine hohe Genauigkeit und Linearität über einen Betriebsbereich von etwa 55 ° C bis + 150 ° C. Interne Verstärker können den Ausgang auf geeignete Werte wie 10 mV / ° C skalieren. Sie sind auch in Vergleichsstellenkompensationsschaltungen für Thermoelemente mit großem Temperaturbereich nützlich. Kurze Details zu diesem Typ von Temperatursensor sind unten angegeben.

Sensor-ICs

Es gibt eine Vielzahl von Temperatursensor-ICs, die verfügbar sind, um den größtmöglichen Bereich von Herausforderungen bei der Temperaturüberwachung zu vereinfachen. Diese Silizium-Temperatursensoren unterscheiden sich in einigen wichtigen Punkten erheblich von den oben genannten Typen. Der erste ist der Betriebstemperaturbereich. Ein Temperatursensor-IC kann über den nominalen IC-Temperaturbereich von -55 ° C bis + 150 ° C betrieben werden. Der zweite große Unterschied ist die Funktionalität.

Ein Siliziumtemperatursensor ist eine integrierte Schaltung und kann daher umfangreiche Signalverarbeitungsschaltungen in demselben Gehäuse wie der Sensor enthalten. Es müssen keine Kompensationsschaltungen für das Temperatursensor-ICS hinzugefügt werden. Einige davon sind analoge Schaltungen mit entweder Spannungs- oder Stromausgang. Andere kombinieren analoge Erfassungsschaltungen mit Spannungskomparatoren, um Alarmfunktionen bereitzustellen. Einige andere Sensor-ICs kombinieren analoge Erfassungsschaltungen mit digitalen Ein- / Ausgängen und Steuerregister Dies macht sie zu einer idealen Lösung für mikroprozessorbasierte Systeme.

Der digitale Ausgangssensor enthält normalerweise einen Temperatursensor, einen Analog-Digital-Wandler (ADC), eine digitale Zweidrahtschnittstelle und Register zur Steuerung des IC-Betriebs. Die Temperatur wird kontinuierlich gemessen und kann jederzeit abgelesen werden. Falls gewünscht, kann der Host-Prozessor den Sensor anweisen, die Temperatur zu überwachen und einen Ausgangs-Pin hoch (oder niedrig) zu nehmen, wenn die Temperatur einen programmierten Grenzwert überschreitet. Es kann auch eine niedrigere Schwellentemperatur programmiert und der Host benachrichtigt werden, wenn die Temperatur unter diesen Schwellenwert gefallen ist. Somit kann der digitale Ausgangssensor zur zuverlässigen Temperaturüberwachung in mikroprozessorbasierten Systemen verwendet werden.

Temperatursensor

Der oben genannte Temperatursensor verfügt über drei Klemmen und benötigt eine maximale Versorgung von 5,5 V. Dieser Sensortyp besteht aus einem Material, das je nach Temperatur arbeitet, um den Widerstand zu variieren. Diese Widerstandsänderung wird von der Schaltung erfasst und berechnet die Temperatur. Wenn die Spannung ansteigt, steigt auch die Temperatur. Wir können diesen Vorgang anhand einer Diode sehen.

Temperatursensoren, die direkt an den Mikroprozessoreingang angeschlossen sind und somit eine direkte und zuverlässige Kommunikation mit Mikroprozessoren ermöglichen. Die Sensoreinheit kann effektiv mit kostengünstigen Prozessoren kommunizieren, ohne dass A / D-Wandler erforderlich sind.

Ein Beispiel für einen Temperatursensor ist LM35 . Bei der LM35-Serie handelt es sich um Präzisions-Temperatursensoren mit integrierten Schaltkreisen, deren Ausgangsspannung linear proportional zur Celsius-Temperatur ist. Der LM35 arbeitet bei -55 ° C bis + 120 ° C.

Der grundlegende Celsius-Temperatursensor (+ 2 ° C bis + 150 ° C) ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Merkmale des LM35-Temperatursensors:

• Direkt kalibriert in ˚ Celsius (Celsius)
• Bewertet für den vollen Bereich von l −55˚ bis + 150˚C
• Geeignet für Remote-Anwendungen
• Niedrige Kosten durch Trimmen auf Waferebene
• Arbeitet von 4 bis 30 Volt
• Geringe Eigenerwärmung,
• ± 1/4 ° C typischer Nichtlinearität

Bedienung des LM35:

• Der LM35 kann auf die gleiche Weise wie andere Temperatursensoren mit integrierten Schaltkreisen angeschlossen werden. Es kann an einer Oberfläche haften oder festgesetzt werden und seine Temperatur liegt im Bereich von 0,01 ° C der Oberflächentemperatur.
• Dies setzt voraus, dass die Umgebungslufttemperatur genau der Oberflächentemperatur entspricht, wenn die Lufttemperatur viel höher oder niedriger als die Oberflächentemperatur wäre. Die tatsächliche Temperatur des LM35-Chips würde bei einer Zwischentemperatur zwischen der Oberflächentemperatur und der Luft liegen Temperatur.

Die Temperatursensoren haben bekannte Anwendungen in der Umwelt- und Prozesskontrolle sowie in der Prüfung, Messung und Kommunikation. Eine digitale Temperatur ist ein Sensor, der 9-Bit-Temperaturmesswerte liefert. Digitale Temperatursensoren bieten eine hervorragende Genauigkeit. Diese sind für eine Ablesung von 0 ° C bis 70 ° C ausgelegt und es ist möglich, eine Genauigkeit von ± 0,5 ° C zu erreichen. Diese Sensoren stimmen vollständig mit den digitalen Temperaturwerten in Grad Celsius überein.

• Digitale Temperatursensoren: Digitale Temperatursensoren machen zusätzliche Komponenten wie einen A / D-Wandler innerhalb der Anwendung überflüssig, und es ist nicht erforderlich, Komponenten oder das System bei Verwendung von Thermistoren bei Bedarf auf bestimmte Referenztemperaturen zu kalibrieren. Digitale Temperatursensoren kümmern sich um alles und ermöglichen eine Vereinfachung der grundlegenden Systemtemperaturüberwachungsfunktion.

Die Vorteile eines digitalen Temperatursensors liegen hauptsächlich in seiner präzisen Ausgabe in Grad Celsius. Der Sensorausgang ist ein ausgeglichener digitaler Messwert. Dies beabsichtigt keine anderen Komponenten, wie einen Analog-Digital-Wandler, der viel einfacher zu verwenden ist als ein einfacher Thermistor, der einen nichtlinearen Widerstand mit Temperaturschwankungen liefert.

Ein Beispiel für einen digitalen Temperatursensor ist DS1621, der eine 9-Bit-Temperaturmessung liefert.

Eigenschaften DS1621:

1. Es sind keine externen Komponenten erforderlich.
2. Der Temperaturbereich von -55 ° C bis + 125 ° C in Intervallen von 0,5 ° wird gemessen.
3. Gibt den Temperaturwert als 9-Bit-Messwert an.
4. Breiter Stromversorgungsbereich (2,7 V bis 5,5 V).
5. Wandelt die Temperatur in weniger als einer Sekunde in ein digitales Wort um.
6. Die Thermostateinstellungen sind benutzerdefinierbar und nichtflüchtig.
7. Es ist ein 8-poliger DIP.

Pin Beschreibung:

• SDA - 2-Draht Serial Data Input / Output.
• SCL - 2-Draht-Serienuhr.
• GND - Boden.
• TOUT - Thermostat-Ausgangssignal.
• A0 - Eingabe der Chipadresse.
• A1 - Eingabe der Chipadresse.
• A2 - Eingabe der Chipadresse.
• VDD - Versorgungsspannung.

Arbeitsweise von DS1621:

• Wenn die Temperatur des Geräts eine benutzerdefinierte Temperatur HIGH überschreitet, ist der TOUT-Ausgang aktiv. Der Ausgang bleibt aktiv, bis die Temperatur unter die benutzerdefinierte Temperatur LOW fällt.
• Benutzerdefinierte Temperatureinstellungen werden im nichtflüchtigen Speicher gespeichert, sodass sie vor dem Einfügen in ein System programmiert werden können.
• Der Temperaturmesswert wird in einem 9-Bit-Zweierkomplement-Messwert bereitgestellt, indem der Befehl READ TEMPERATURE in der Programmierung ausgegeben wird.
• Eine serielle 2-Draht-Schnittstelle wird für die Eingabe in den DS16121 für die Temperatureinstellungen und die Ausgabe der vom DS1621 abgelesenen Temperatur verwendet

Fotokredit:

• Temperatursensor von Wikimedia