Nhiệt độ là đại lượng môi trường thường được đo nhất. Điều này có thể xảy ra vì hầu hết các hệ thống vật lý, điện tử, hóa học, cơ học và sinh học đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Một số phản ứng hóa học, quá trình sinh học và thậm chí cả mạch điện tử hoạt động tốt nhất trong phạm vi nhiệt độ giới hạn. Nhiệt độ là một trong những biến được đo phổ biến nhất và do đó không có gì ngạc nhiên khi có nhiều cách để cảm nhận nó. Cảm biến nhiệt độ có thể được thực hiện thông qua tiếp xúc trực tiếp với nguồn sưởi hoặc từ xa, không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn sử dụng năng lượng bức xạ. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ, bao gồm Cặp nhiệt điện, Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD), Cảm biến nhiệt, Hồng ngoại và Cảm biến bán dẫn.
5 loại cảm biến nhiệt độ
- Cặp nhiệt điện : Đây là một loại cảm biến nhiệt độ, được chế tạo bằng cách ghép hai kim loại khác nhau vào một đầu. Phần cuối được nối được gọi là CHỨC NĂNG NÓNG. Đầu kia của các kim loại khác nhau này được gọi là CHỨC NĂNG LẠNH hoặc KẾT THÚC LẠNH. Điểm nối lạnh được hình thành ở điểm cuối cùng của vật liệu cặp nhiệt điện. Nếu có sự khác biệt về nhiệt độ giữa điểm nối nóng và điểm nối lạnh, một điện áp nhỏ sẽ được tạo ra. Điện áp này được gọi là EMF (điện động lực) và có thể được đo và lần lượt được sử dụng để chỉ ra nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện
- RTD là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Thường được chế tạo từ bạch kim, mặc dù các thiết bị làm từ niken hoặc đồng không phải là hiếm, RTD có thể có nhiều hình dạng khác nhau như dây quấn, màng mỏng. Để đo điện trở qua RTD, hãy đặt dòng điện không đổi, đo điện áp thu được và xác định điện trở RTD. RTD thể hiện khá tuyến tính kháng đường cong nhiệt độ qua các khu vực hoạt động của chúng và bất kỳ sự phi tuyến nào đều có thể dự đoán và lặp lại cao. Bảng đánh giá PT100 RTD sử dụng RTD gắn trên bề mặt để đo nhiệt độ. Một PT100 2, 3 hoặc 4 dây bên ngoài cũng có thể được kết hợp để đo nhiệt độ ở các vùng sâu vùng xa. Các RTD được phân cực bằng cách sử dụng một nguồn dòng điện không đổi. Để giảm hiện tượng tự tỏa nhiệt do công suất tiêu tán, cường độ dòng điện ở mức thấp vừa phải. Mạch hiển thị trong hình là nguồn dòng không đổi sử dụng điện áp tham chiếu, một bộ khuếch đại và một bóng bán dẫn PNP.
- Thermistors : Tương tự như RTD, nhiệt điện trở là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, nhiệt điện trở được làm từ vật liệu bán dẫn. Điện trở được xác định theo cách tương tự như RTD, nhưng nhiệt điện trở thể hiện điện trở phi tuyến tính cao so với đường cong nhiệt độ. Do đó, trong phạm vi hoạt động của nhiệt điện trở, chúng ta có thể thấy sự thay đổi điện trở lớn đối với sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ. Điều này làm cho một thiết bị có độ nhạy cao, lý tưởng cho các ứng dụng điểm đặt.
- Chất bán dẫn cảm biến : Chúng được phân thành các loại khác nhau như Đầu ra điện áp, Đầu ra hiện tại, Đầu ra kỹ thuật số, Đầu ra silicon điện trở và Cảm biến nhiệt độ Diode. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn hiện đại cung cấp độ chính xác cao và độ tuyến tính cao trong phạm vi hoạt động khoảng 55 ° C đến + 150 ° C. Bộ khuếch đại bên trong có thể điều chỉnh đầu ra đến các giá trị thuận tiện, chẳng hạn như 10mV / ° C. Chúng cũng hữu ích trong các mạch bù điểm lạnh cho các cặp nhiệt điện dải nhiệt độ rộng. Chi tiết ngắn gọn về loại cảm biến nhiệt độ này được đưa ra dưới đây.
IC cảm biến
Có rất nhiều loại IC cảm biến nhiệt độ có sẵn để đơn giản hóa phạm vi rộng nhất có thể của các thách thức giám sát nhiệt độ. Các cảm biến nhiệt độ silicon này khác biệt đáng kể với các loại được đề cập ở trên theo một vài cách quan trọng. Đầu tiên là phạm vi nhiệt độ hoạt động. IC cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ danh nghĩa của IC từ -55 ° C đến + 150 ° C. Sự khác biệt lớn thứ hai là chức năng.
Cảm biến nhiệt độ silicon là một mạch tích hợp và do đó có thể bao gồm mạch xử lý tín hiệu mở rộng trong cùng một gói với cảm biến. Không cần thêm mạch bù cho ICS cảm biến nhiệt độ. Một số trong số này là các mạch tương tự với đầu ra điện áp hoặc dòng điện. Những người khác kết hợp các mạch cảm biến tương tự với bộ so sánh điện áp để cung cấp các chức năng cảnh báo. Một số IC cảm biến khác kết hợp mạch cảm biến tương tự với đầu vào / đầu ra kỹ thuật số và đăng ký điều khiển , làm cho chúng trở thành một giải pháp lý tưởng cho các hệ thống dựa trên vi xử lý.
Cảm biến đầu ra kỹ thuật số thường chứa cảm biến nhiệt độ, bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC), giao diện kỹ thuật số hai dây và các thanh ghi để điều khiển hoạt động của IC. Nhiệt độ được đo liên tục và có thể đọc được bất kỳ lúc nào. Nếu muốn, bộ xử lý chủ có thể ra lệnh cho cảm biến theo dõi nhiệt độ và đưa chân ra cao (hoặc thấp) nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn được lập trình. Nhiệt độ ngưỡng thấp hơn cũng có thể được lập trình và máy chủ có thể được thông báo khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng này. Do đó, cảm biến đầu ra kỹ thuật số có thể được sử dụng để giám sát nhiệt độ đáng tin cậy trong các hệ thống dựa trên bộ vi xử lý.
Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ trên có ba cực và yêu cầu nguồn cung cấp Tối đa là 5,5 V. Loại cảm biến này bao gồm một vật liệu hoạt động theo nhiệt độ để thay đổi điện trở. Sự thay đổi điện trở này được cảm nhận bởi mạch và nó sẽ tính toán nhiệt độ. Khi hiệu điện thế tăng thì nhiệt độ cũng tăng. Chúng ta có thể thấy hoạt động này bằng cách sử dụng một diode.
Cảm biến nhiệt độ kết nối trực tiếp với đầu vào của bộ vi xử lý và do đó có khả năng giao tiếp trực tiếp và đáng tin cậy với bộ vi xử lý. Bộ cảm biến có thể giao tiếp hiệu quả với các bộ xử lý giá rẻ mà không cần bộ chuyển đổi A / D.
Một ví dụ về cảm biến nhiệt độ là LM35 . Dòng LM35 là cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp chính xác, có điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ C. LM35 hoạt động ở -55˚ đến + 120˚C.
Cảm biến nhiệt độ độ C cơ bản (+ 2˚C đến + 150˚C) được hiển thị trong hình bên dưới.
Các tính năng của cảm biến nhiệt độ LM35:
- Được hiệu chuẩn trực tiếp ở ˚ độ C (độ C)
- Đánh giá cho phạm vi đầy đủ l -55˚ đến + 150˚C
- Thích hợp cho các ứng dụng từ xa
- Chi phí thấp do cắt tỉa cấp wafer
- Hoạt động từ 4 đến 30 vôn
- Tự sưởi ấm thấp,
- ± 1 / 4˚C của độ phi tuyến điển hình
Hoạt động của LM35:
- LM35 có thể được kết nối dễ dàng theo cách tương tự như các cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp khác. Nó có thể bị kẹt hoặc cố định vào một bề mặt và nhiệt độ của nó sẽ nằm trong khoảng 0,01˚C của nhiệt độ bề mặt.
- Điều này giả định rằng nhiệt độ không khí xung quanh chỉ bằng với nhiệt độ bề mặt nếu nhiệt độ không khí cao hơn hoặc thấp hơn nhiều so với nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ thực của khuôn LM35 sẽ ở nhiệt độ trung gian giữa nhiệt độ bề mặt và không khí nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ có các ứng dụng nổi tiếng trong việc kiểm soát môi trường và quá trình cũng như trong thử nghiệm, đo lường và truyền thông. Nhiệt độ kỹ thuật số là một cảm biến, cung cấp các kết quả đọc nhiệt độ 9 bit. Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số cung cấp độ chính xác tuyệt vời, được thiết kế để đọc từ 0 ° C đến 70 ° C và có thể đạt được độ chính xác ± 0,5 ° C. Các cảm biến này hoàn toàn phù hợp với các chỉ số nhiệt độ kỹ thuật số theo độ C.
- Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số: Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số loại bỏ sự cần thiết của các thành phần phụ, chẳng hạn như bộ chuyển đổi A / D, trong ứng dụng và không cần phải hiệu chỉnh các thành phần hoặc hệ thống ở nhiệt độ tham chiếu cụ thể khi cần thiết khi sử dụng nhiệt điện trở. Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số giải quyết mọi thứ, trao quyền cho chức năng giám sát nhiệt độ cơ bản của hệ thống được đơn giản hóa.
Ưu điểm của cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số chính là đầu ra chính xác tính bằng độ C. Đầu ra cảm biến là một số đọc kỹ thuật số cân bằng. Điều này không có ý định các thành phần khác, chẳng hạn như bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và sử dụng đơn giản hơn nhiều so với, một điện trở nhiệt đơn giản cung cấp điện trở phi tuyến tính với sự thay đổi nhiệt độ.
Một ví dụ về cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số là DS1621, cung cấp khả năng đọc nhiệt độ 9 bit.
Tính năng DS1621:
- Không có thành phần bên ngoài được yêu cầu.
- Phạm vi nhiệt độ từ -55⁰C đến + 125⁰C trong khoảng thời gian 0,5⁰ được đo.
- Cung cấp giá trị nhiệt độ dưới dạng số đọc 9 bit.
- Phạm vi cung cấp điện rộng (2.7V đến 5.5V).
- Chuyển đổi nhiệt độ sang từ kỹ thuật số trong vòng chưa đầy một giây.
- Cài đặt ổn nhiệt do người dùng xác định và Không thay đổi.
- Nó là một DIP 8 chân.
Mô tả Pin:
- SDA - Đầu vào / đầu ra dữ liệu nối tiếp 2 dây.
- SCL - Đồng hồ nối tiếp 2 dây.
- GND - Mặt bằng.
- TOUT - Tín hiệu đầu ra của bộ điều nhiệt.
- A0 - Đầu vào địa chỉ chip.
- A1 - Đầu vào địa chỉ chip.
- A2 - Đầu vào địa chỉ chip.
- VDD - Điện áp nguồn cung cấp.
Hoạt động của DS1621:
- Khi nhiệt độ của thiết bị vượt quá nhiệt độ CAO do người dùng xác định thì đầu ra TOUT sẽ hoạt động. Đầu ra sẽ vẫn hoạt động cho đến khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ THẤP do người dùng xác định.
- Cài đặt nhiệt độ do người dùng xác định được lưu trong bộ nhớ không bay hơi nên nó có thể được lập trình trước khi lắp vào hệ thống.
- Việc đọc nhiệt độ được cung cấp ở dạng đọc bổ sung 9 bit, hai bằng cách ra lệnh READ TEMPERATURE trong lập trình.
- Một giao diện nối tiếp 2 dây được sử dụng để đầu vào cho DS16121 để cài đặt nhiệt độ và đầu ra đọc nhiệt độ từ DS1621
Tín dụng hình ảnh:
- Cảm biến nhiệt độ của wikimedia
