Vergleich der Vor- und Nachteile von vier gängigen Temperatursensoren

Die Auswahl von Temperatursensorprodukten mag wie eine triviale Angelegenheit erscheinen, aber aufgrund der Vielfalt der verfügbaren Produkte kann diese Aufgabe ziemlich entmutigend sein. In diesem Artikel stellt der Autor vier Arten von Temperatursensoren vor (Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), Thermoelemente, Thermistoren und Sensoren mit integrierten Schaltkreisen (IC) mit digitalen und analogen Schnittstellen) und erörtert die Vor- und Nachteile jedes Sensortyps.
Ob ein Temperatursensor für Ihre Anwendung geeignet ist, hängt auf Systemebene vom erforderlichen Temperaturbereich, der Genauigkeit, der Linearität, den Lösungskosten, der Funktionalität, dem Stromverbrauch, der Lösungsgröße und der Installationsmethode (Oberflächenmontagemethode, Durchsteckmontagemethode) ab und externe Installationsmethode für Leiterplatten) sowie die einfache Unterstützung beim Schaltungsdesign. FTE
Bei der Messung des Widerstands eines RTD bei Temperaturänderung ist die Reaktion nahezu linear und verhält sich wie ein Widerstand. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Widerstandskurve des RTD nicht vollständig linear, sondern weist einige Grad Abweichung auf (zeigt eine gerade Linie als Referenz) – sie ist jedoch sehr vorhersehbar und überprüfbar. Um diese leichte Nichtlinearität auszugleichen, digitalisieren die meisten Entwickler die gemessenen Widerstandswerte und verwenden Nachschlagetabellen in Mikrocontrollern, um Korrekturfaktoren anzuwenden. Die Wiederholbarkeit und Stabilität innerhalb eines weiten Temperaturbereichs (ungefähr -250 Grad C bis +750 Grad C) machen RTD äußerst nützlich für hochpräzise Anwendungen, einschließlich der Messung der Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen und großen Behältern .
Die Komplexität der zur Verarbeitung von RTD-Analogsignalen verwendeten Schaltkreise variiert im Allgemeinen je nach Anwendung. Unverzichtbar sind Komponenten wie Verstärker und Analog-Digital-Wandler (ADCs), die ihre eigenen Fehler erzeugen. Versorgen Sie den Sensor nur dann mit Strom, wenn dies für die Messung erforderlich ist. Mit dieser Methode können Sie auch einen stromsparenden Betrieb erreichen, allerdings wird die Schaltung dadurch deutlich komplexer. Darüber hinaus erhöht die zum Einschalten des Sensors erforderliche Energie auch dessen Innentemperatur, wodurch die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird. Bei nur wenigen Ampere Strom führt dieser Selbsterwärmungseffekt zu Temperaturfehlern (diese Fehler sind korrigierbar, erfordern aber weitere Überlegungen). Bitte bedenken Sie auch, dass die Kosten für drahtgewickelte Platin-RTDs oder Dünnschicht-RTDs recht hoch sein können, insbesondere im Vergleich zu den Kosten von I-Sensoren.
Thermistor
Thermistoren sind eine andere Art von elektropositiven Sensoren. Es gibt eine Vielzahl verfügbarer Thermistoren, von kostengünstigen Produkten bis hin zu hochpräzisen Produkten. Kostengünstige Thermistoren mit geringer Präzision können einfache Mess- oder nationale Werterkennungsfunktionen ausführen. Diese Widerstandstypen erfordern mehrere Komponenten (z. B. Komparatoren, Referenz- und diskrete Widerstände), sind jedoch sehr kostengünstig und weisen nichtlineare Widerstandstemperatureigenschaften auf, wie in Abbildung dargestellt 2. Wenn Sie einen weiten Temperaturbereich messen müssen, müssen Sie umfangreiche Linearisierungsarbeiten durchführen. Möglicherweise ist eine Kalibrierung mehrerer Temperaturpunkte erforderlich. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, kann ein teureres Thermistor-Array mit engeren Toleranzen zur Lösung dieses nichtlinearen Problems verwendet werden. Dieses Array ist jedoch normalerweise weniger empfindlich als ein einzelner Thermistor.

Aufgrund der erhöhten Komplexität und Kosten von Multi-Jump-Point-Systemen werden kostengünstige Thermistoren im Allgemeinen nur für Anwendungen mit minimalen Funktionsanforderungen verwendet, darunter Toaster, Kaffeemaschinen, Kühlschränke und Haartrockner. Darüber hinaus leiden Thermistoren unter Selbsterwärmungsproblemen (normalerweise bei höheren Temperaturen, wenn ihr Widerstand geringer ist). Wie bei RTDs ist die Grundursache dafür, dass Thermistoren bei niedrigen Leistungsspannungen nicht verwendet werden können, noch nicht identifiziert worden. Bedenken Sie jedoch, dass die Systemempfindlichkeit umso geringer ist, je niedriger die Vollaussteuerungsleistung ist Eigenschaften von Analog-Digital-Wandlern (ADCs). Bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch muss außerdem die Schaltungskomplexität erhöht werden, um eine hohe Empfindlichkeit gegenüber durch Rauschen verursachten Fehlern zu gewährleisten. Thermistoren können im Temperaturbereich von -100 Grad C bis +500 C betrieben werden, obwohl die meisten Thermistoren einen maximalen Nennbetriebstemperaturbereich von +100 Grad C bis +150 Grad C haben
Ein Thermoelement besteht aus einer Verbindung zweier Drähte aus unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise besteht ein Thermoelement vom Typ a) aus Eisen und Konstantan. Wie in Abbildung 3 dargestellt, befindet sich Kontakt 1 bei der zu messenden Temperatur, während Kontakt 2 und Kontakt 3 bei unterschiedlichen Temperaturen platziert sind, die mit analogen Temperatursensoren LM35 gemessen werden. Die Ausgangsspannung ist ungefähr proportional zur Differenz dieser beiden Temperaturwerte.
Da die Empfindlichkeit von Thermoelementen recht gering ist (in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrovolt pro Grad Celsius), benötigen Sie einen Verstärker mit niedrigem Offset, um eine nutzbare Ausgangsspannung zu erzeugen. Im Arbeitsbereich von Thermoelementen erfordert die Nichtlinearität der Temperatur-Spannungs-Übertragungsfunktion häufig Kompensationsschaltungen oder Nachschlagetabellen, genau wie bei RTDs und Thermoelementen. Trotz dieser Nachteile erfreuen sich Thermoelemente jedoch immer noch großer Beliebtheit und eignen sich besonders für Öfen, Warmwasserbereiter, Brennöfen, Prüfgeräte und andere industrielle Behandlungen, da die thermische Qualität von Thermoelementen sehr gering ist und der Arbeitstemperaturbereich (der erweitert werden kann) sehr gering ist bis über 2300 Grad) ist sehr breit:
IC-Sensor
IC-Sensoren können in einem Temperaturbereich von {{0}} Grad C bis +150 Grad C betrieben werden – ausgewählt|C-Sensoren können bis zu +200 Grad C betrieben werden. Es gibt verschiedene Arten von integrierten IC-Sensoren, aber die vier häufigsten integrierten IC-Sensoren sind analoge Ausgabegeräte, digitale Schnittstellengeräte, Ferntemperatursensoren und solche mit Temperaturreglerfunktionen (Temperaturschalter). Analoge Ausgabegeräte (normalerweise Spannungsausgang, einige haben aber auch Stromausgang) ähneln meist passiven Lösungen, wenn sie einen ADC zur Digitalisierung des Ausgangssignals benötigen. Digitale Schnittstellengeräte verwenden am häufigsten Zweidrahtschnittstellen (12C oder PMBus) und verfügen über integrierte ADCs. Zusätzlich zu einem lokalen Temperatursensor verfügen Remote-Temperatursensoren auch über einen oder mehrere Eingänge zur Überwachung der Remote-Diodentemperatur – sie werden am häufigsten in hochintegrierten digitalen ICs (wie Prozessoren oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)) platziert. Bei Erreichen der Temperaturschwelle kann der Thermostat einen einfachen Alarm auslösen. Die Verwendung von IC-Sensoren bietet viele Vorteile, darunter: geringer Stromverbrauch; Kann kleine Verpackungsprodukte liefern (einige Größen nur 0,8 mm x 0,8 mm); In bestimmten Anwendungen können auch niedrige Gerätekosten erreicht werden.