Er zijn verschillende soorten sensortechnologieën en aanzienlijke verschillen in de vraag vanuit de industrie, waardoor het uiterst uitdagend is om de beste temperatuursensor voor specifieke toepassingen te kiezen. Veel toepassingen vereisen echter nauwkeurige metingen, dus het is noodzakelijk om verschillende bestaande producten te evalueren.
Bij het selecteren van temperatuursensoren is het noodzakelijk om meerdere factoren in evenwicht te brengen om aan de ontwerpvereisten te voldoen: nauwkeurigheid, responstijd, communicatieprotocol, omgevingstolerantie, energieverbruik, kosten en systeemintegratie. Sensoren worden gewoonlijk onderverdeeld in vier soorten analoge spanningsuitgangen en één type digitale signaaluitgang:
Thermokoppel: Met een breed temperatuurbereik en duurzaamheid kan het temperaturen meten van laag tot meer dan +1800 ° C. Thermokoppels zijn stevig en duurzaam, bestand tegen zware omstandigheden en reageren snel op snelle temperatuurveranderingen. Hun nauwkeurigheid en stabiliteit zijn echter niet zo goed als die van andere sensoren, en ze vereisen signaalconditionering. Thermokoppels zijn zeer geschikt voor zware industrieën zoals de staal- en glasproductie, maar ook voor huishoudelijke en commerciële apparaten met hoge temperaturen.
Weerstandstemperatuurdetector (RTD): Met hoge nauwkeurigheid en stabiliteit is deze zeer geschikt voor industriële automatisering en procescontrolevelden die extreem hoge precisie vereisen. RTD wordt vaak gebruikt in de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie om een strikte temperatuurcontrole te bereiken tijdens processen zoals het brouwen, desinfectie en frituren. RTD kan nauwkeurige temperatuurmetingen leveren voor HVAC-systemen, maar ook voor laboratorium- en medische apparatuur zoals incubators en analytische instrumenten. Vergeleken met alternatieven zoals thermokoppels hebben RTD's mogelijk hogere kosten en zijn ze kwetsbaarder vanwege hun afhankelijkheid van dunne draad- of dunne-filmdetectie-elementen. RTD wordt meestal gebruikt in combinatie met precisiemeetcircuits, wat de complexiteit en de kosten van het ontwerp verhoogt.
Thermistor: Een weerstand gemaakt van halfgeleider, met een weerstandswaarde die verandert met de temperatuur en een hoge gevoeligheid. Kleine temperatuurveranderingen en grote weerstandsveranderingen maken de detectie van kleine temperatuurschommelingen met hoge resolutie mogelijk. Thermistors hebben een klein formaat, een hoge responssnelheid en lage kosten, en dekken verschillende specificaties, van microbolletjes tot grotere sondes. Thermistors zijn geschikt voor toepassingen met een beperkt temperatuurbereik, doorgaans tussen -50 ° C en 150 ° C. Thermistors hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder medische apparaten en consumentenelektronica die verband houden met omgevings- of menselijke temperatuur, maar ook autotoepassingen, batterijbeheersystemen, consumentenelektronica, brand- en rookdetectie en andere gebieden. De niet-lineaire weerstandscurve van thermistors vereist echter conversieformules of opzoektabellen om de weerstandswaarde nauwkeurig om te zetten in temperatuur, en vergeleken met RTD's kunnen thermistors in de loop van de tijd afwijken.
Diodetemperatuursensor: Met een hoge responssnelheid en een kleiner formaat in vergelijking met de andere drie analoge sensoren, kan deze eenvoudig worden aangesloten op microcontrollers, analoog-digitaalomzetters (ADC's) en toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC's). De diodetemperatuursensor heeft een hoge kosteneffectiviteit, met een temperatuurbereik dat beperkt is tot -55 ° C tot +150 ° C. Hij kan op grote schaal worden gebruikt op veel gebieden, zoals consumentenelektronica, industriële automatisering, datacenteropslagsystemen en auto's. Dit type sensor heeft een lagere nauwkeurigheid dan RTD, is gevoelig voor systeemruis en vereist doorgaans kalibratie om consistente metingen tussen verschillende apparaten te garanderen.
Digitale temperatuursensor: Een type geïntegreerd circuit (IC) dat wordt gebruikt om de temperatuur te meten en rechtstreeks digitale uitvoer te leveren, waarbij gegevens doorgaans worden verzonden via standaardcommunicatieprotocollen zoals SMBus, I²C, SPI of 1-Wire. Digitale sensoren vereisen geen externe signaalconditionering, versterking en analoog-naar-digitaal-conversie zoals analoge sensoren.
Selectieprincipe
Het kiezen van de juiste temperatuursensor vereist een evenwicht tussen nauwkeurigheid, responstijd, duurzaamheid en kosten, of het selecteren van de juiste componenten op basis van specifieke industriële vereisten.
De werkomgeving waarin de temperatuursensor wordt geselecteerd, speelt een cruciale rol. In ruwe omgevingen zijn robuuste en duurzame sensoren zoals thermokoppels of gecoate RTD's vereist, terwijl thermistoren of halfgeleidersensoren meer geschikt zijn voor gecontroleerde omgevingen. Kosten en schaalbaarheid zijn ook factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij massaproductie: thermistors zijn kosteneffectief, terwijl RTD's en hoogwaardige thermokoppels stabiliteit op de lange termijn hebben.
De afweging tussen nauwkeurigheid en bruikbaarheid is voor ontwerpers net zo cruciaal in hun selectieproces. RTD heeft een hoge nauwkeurigheid, maar is duur; Thermokoppels hebben een breed scala aan toepassingen, maar hun nauwkeurigheid is relatief laag. Reactietijd en locatie zijn even belangrijk: lichtgewicht sensoren zoals thermokoppels en thermistors hebben hoge reactiesnelheden, maar de installatielocatie kan de prestaties beïnvloeden.
De kosten van sensoren en de bijbehorende circuits zullen een grote invloed hebben op de selectie, vooral bij consumentenproducten of massaproductie. De kosten van verschillende soorten sensoren variëren enorm. Analoge sensoren vereisen signaalconditionering, terwijl digitale sensoren de integratie kunnen vereenvoudigen. Het verminderen van analoge circuits en kalibratiewerkzaamheden kan de totale kosten minimaliseren, zelfs als het kiezen van iets duurdere digitale sensoren redelijk is.
Digitale sensoren en hun kenmerken
Digitale sensoren zetten analoge signalen intern om en verzenden gegevens in digitale stroomvorm, doorgaans met een betere ruisbestendigheid en de mogelijkheid om complexere gegevensverwerking uit te voeren. Analog Devices, Inc. (ADI) biedt een breed scala aan productcombinaties van analoge en digitale temperatuursensoren, en ontwerpers moeten zorgvuldig beoordelen welk product het beste aansluit bij hun toepassingsbehoeften. Hieronder vindt u een korte introductie van enkele digitale sensoren.
Als nauwkeurige temperatuurmetingen vereist zijn, kan nauwkeurigheid de belangrijkste selectiefactor zijn. De MAX31888 digitale sensor van ADI heeft een nauwkeurigheid van ± 0,25 ° C in het bereik van -20 ° C tot +105 ° C, en kan communiceren met een microcontroller via een 1-Wire bus om een zeer nauwkeurig temperatuurbewakingscircuit te bereiken (Afbeelding 1). Elke MAX31888 heeft zijn eigen unieke 64-bits registratienummer dat wordt gebruikt als knooppuntadres in een meerpuntsnetwerk met één lijn.