Wybór czujnika temperatury obejmuje znalezienie kompromisu wielu czynników niezbędnych do spełnienia wymagań projektowych, takich jak dokładność, czas reakcji, protokół komunikacyjny, odporność na warunki środowiskowe, pobór mocy, koszt i możliwość integracji w systemie. Typowe czujniki temperatury przynależą do jednej z czterech kategorii z wyjściem analogowym i piątej, dla czujników z wyjściem cyfrowym:
- Termopary działają w szerokim zakresie temperatur do ponad 1800ºC. Są trwałe i mogą działać w trudnych warunkach środowiskowych. Szybko reagują na zmiany temperatury. Są jednak mniej dokładne i stabilne niż inne wersje, a ponadto wymagają kondycjonowania sygnału. Termopary są powszechnie wykorzystywane w procesach przemysłowych, w branżach takich jak produkcja stali i szkła oraz innych urządzeniach, gdzie panują wysokie temperatury.
- Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD, termorezystory) są elementami dokładnymi o dużej stabilności. Są idealnym wyborem do systemów automatyki przemysłowej i kontroli procesów, gdzie precyzja metrologiczna jest kluczowa. Czujniki RTD są powszechnie stosowane w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym do kontroli temperatury w procesach. Zapewniają dokładne pomiary temperatury w systemach HVAC (ogrzewania i klimatyzacji) oraz w sprzęcie laboratoryjnym i medycznym, takim jak inkubatory i aparatura analityczna. Termorezystory RTD są droższe w porównaniu z termoparami i są delikatne ze względu na wykonanie w postaci długiego odcinka zwiniętego cienkiego drut platynowego lub cienkowarstwowej warstwy oporowej. Uzyskanie wysokich parametrów metrologicznych wymaga użycia ich razem z precyzyjnym obwodem pomiarowym, co zwiększa złożoność projektu i koszty.
- Termistory to rezystory wykonane z materiałów półprzewodnikowych, których oporność jest w dużym stopniu zależna od temperatury – elementy te mają dużą czułość. Duże zmiany rezystancji przy małych zmianach temperatury umożliwiają wykrywanie drobnych wahań i zapewniają wysoką rozdzielczość. Termistory są małe, szybkie i niedrogie oraz dostępne w różnych rozmiarach, od maleńkich elementów chipowych po większe czujniki dopasowane do aplikacji automatyki. Doskonale sprawdzają się w zastosowaniach o ograniczonym zakresie temperatur, zwykle od –50 do 150°C. Termistory znajdują zastosowanie w urządzeniach medycznych i elektronice użytkowej, gdzie istotna jest temperatura otoczenia lub ciała, a także w zastosowaniach motoryzacyjnych, systemach zarządzania bateriami, urządzeniach konsumenckich oraz w wykrywaniu ognia i dymu. Elementy są nieliniowe i konwersja rezystancji na temperaturę wymaga konwersji. W porównaniu z RTD termistory mają też gorszą stabilność długoterminową.
- Półprzewodnikowe (diodowe) czujniki temperatury zapewniają krótkie czasy reakcji i są mniejsze niż trzy wymienione wcześniej typy. Można je łatwo połączyć z mikrokontrolerem, przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Są tanie, ale działają w ograniczonym zakresie temperatur od –55 do +150°C. Najczęściej są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań obejmujących elektronikę użytkową, automatykę przemysłową, systemy pamięci masowej w centrach danych, motoryzację i innych. Mają gorszą dokładność niż czujniki RTD, są podatne na zakłócenia i często wymagają kalibracji w celu zapewnienia powtarzalności pomiaru między różnymi urządzeniami.
- Cyfrowe czujniki temperatury to specjalizowane układy scalone, które mierzą temperaturę i mają wyjście cyfrowe, na które przesyłają wynik, zazwyczaj za pośrednictwem protokołów komunikacyjnych, takich jak SMBus, I²C, SPI lub 1-Wire. Nie wymagają zewnętrznego kondycjonowania sygnału, wzmacniania i konwersji analogowo-cyfrowej charakterystycznych dla elementów analogowych.
Kryteria
Wybór odpowiedniego do zastosowania czujnika temperatury wiąże się ze zbalansowaniem jego dokładności, czasu reakcji, trwałości i ceny. Wymagania branżowe mogą również stanowić wskazówkę przy wyborze tych komponentów.
Środowisko pracy aplikacji odgrywa kluczową rolę. Trudne warunki wymagają użycia trwałych czujników, takich jak termopary lub rezystory RTD w wersji powlekanej. Termistory lub czujniki półprzewodnikowe są bardziej odpowiednie do środowisk relatywnie łagodnych. Przy produkcji masowej pod uwagę trzeba wziąć też koszt i parametry – termistory są tanie, ale czujniki RTD i termopary zapewniają długoterminową stabilność pomiarów.
Oczekiwania projektanta w zakresie dokładności a przystępnością mogą również mieć wpływ na wybór. Czujniki RTD zapewniają wysoką precyzję, ale są drogie, podczas gdy termopary są bardziej wszechstronne, ale za to mniej dokładne. Czas reakcji i montaż również mają znaczenie – małe czujniki o małej masie, takie jak termopary i termistory, reagują szybko na zmiany, ale ich montaż może mieć wpływ na ten parametr i ogólną wydajność.
Koszt czujnika i jego powiązanych obwodów może mieć duży wpływ na wybór, szczególnie w przypadku produktów konsumenckich lub produkcji wielkoseryjnej. Na cenę rozwiązania pomiarowego wpływa też koszt układów pomocniczych. Czujniki analogowe wymagają kondycjonowania sygnału, podczas gdy czujniki cyfrowe mogę być bezpośrednio dołączone do mikrokontrolera. Zmniejszenie zajętości miejsca przez obwody niezbędne dla czujnika analogowego i brak konieczności kalibracji mogą przeważyć kryterium kosztowe i uzasadnić użycie nawet nieco droższego czujnika cyfrowego.
Funkcjonalność wersji cyfrowych
Czujniki cyfrowe wewnętrznie konwertują sygnał analogowy i przesyłają dane metrologiczne jako strumień danych i często zapewniają lepszą odporność na zakłócenia. Firma Analog Devices (ADI) oferuje szeroką gamę analogowych i cyfrowych czujników temperatury o różnych obszarach aplikacyjnych. Poniżej znajduje się krótkie podsumowanie niektórych czujników cyfrowych.
Jeśli priorytetem są dokładne odczyty temperatury, dokładność jest prawdopodobnie najważniejszym czynnikiem selekcji. Cyfrowy czujnik MAX31888 firmy ADI charakteryzuje się dokładnością ±0,25°C w zakresie od –20 do +105°C i komunikuje się z mikrokontrolerem za pośrednictwem magistrali 1-wire (rys. 1). Układ ten ma zaprogramowany unikatowy 64-bitowy numer seryjny, który działa jako adres węzła w wielopunktowej sieci 1-wire.
MAX31888 wykorzystuje tylko jedną linię danych do komunikacji, z której może też być zasilany, co pozwala obejść się bez dodatkowego zasilania. Niemniej jest taka możliwość i wówczas dopuszczalny zakres napięć wynosi od 1,7 do 3,6 V. Czujnik podczas pomiaru pobiera tylko 68 μA.
Pobór mocy i wymiary mogą być najważniejszymi problemami przy projektowaniu małych urządzeń zasilanych z baterii. W przypadku elektroniki noszonej MAX31875 (rys. 2) zapewnia mały pobór prądu zasilania przy dokładności pomiaru temperatury rzędu ±1°C i w bardzo małej obudowie 0,84 × 0,84 × 0,35 mm.
Czujniki z serii MAX31875 mają interfejs szeregowy zgodny z I2C/SMBus, który realizuje standardowe polecenia zapisu, odczytu, wysłania i odbioru bajta danych z temperaturą i konfiguracją (rys. 3). Średni prąd zasilania nie przekracza 10 μA i czujnik może mierzyć temperatury z zakresu od –50 do +150°C.
ADI oferuje również układy kondycjonujące do współpracy z czujnikami diodowymi i do jej konwersji temperatury na format cyfrowy. Diody pomiarowe w tym przypadku zwykle są częścią struktur scalonych procesorów CPU, GPU, układy FPGA i układy ASIC. MAX6654MEE+T obsługuje jedną diodę, ale dostępne są inne opcje dla aplikacji 2-, 3-, 4- i 8-kanałowych.
Cechą układu jest działanie ze zdalnymi czujnikami diodowymi działającymi w środowiskach o dużym poziomie zakłóceń dzięki wewnętrznemu i zewnętrznemu filtrowaniu. MAX31732ATG+T to 4-kanałowy czujnik temperatury, który monitoruje temperaturę w 4 zewnętrznych punktach (za pomocą tranzystorów połączonych w diody) oraz swoją własną temperaturę (rys. 4).
W MAX31732 można ustawiać progi dla pomiaru temperatury bez oprogramowania ani użycia firmware’u – 2-przewodowy interfejs szeregowy pozwala zarówno na monitorowanie temperatury, jak i zmianę tych progów.
Podsumowanie
Wybór optymalnego czujnika temperatury do projektowanej aplikacji odbywa się pod kątem żądanej dokładności, niezawodności i opłacalności. Na wybór mają też wpływ wymagania i standardy branżowe oraz kompromisy między kosztami a parametrami. Oferta cyfrowych czujników temperatury ADI oferuje rozwiązania spełniające potrzeby szerokiej gamy aplikacji.
DigiKey
www.digikey.pl
