تطبیق ضریب سنسور دما با الزامات کاربرد

انواع مختلفی از فن‌آوری‌های حسگر و تفاوت‌های قابل توجهی در تقاضای صنعت وجود دارد که انتخاب بهترین سنسور دما برای کاربردهای خاص را بسیار چالش برانگیز می‌کند. با این حال، بسیاری از برنامه ها نیاز به خواندن دقیق دارند، بنابراین ارزیابی محصولات مختلف موجود ضروری است.

هنگام انتخاب سنسورهای دما، لازم است عوامل متعددی را برای برآورده ساختن الزامات طراحی متعادل کنید: دقت، زمان پاسخگویی، پروتکل ارتباطی، تحمل محیطی، مصرف برق، هزینه و یکپارچگی سیستم. سنسورها معمولاً به چهار نوع خروجی ولتاژ آنالوگ و یک نوع خروجی سیگنال دیجیتال تقسیم می شوند:

ترموکوپل: با دامنه دما و دوام وسیع، می تواند دماهای پایین تا بیش از 1800 درجه سانتیگراد را اندازه گیری کند. ترموکوپل ها محکم و بادوام هستند، قادر به مقاومت در برابر محیط های سخت و واکنش سریع به تغییرات سریع دما هستند. با این حال، دقت و پایداری آنها به خوبی سنسورهای دیگر نیست و نیاز به تنظیم سیگنال دارند. ترموکوپل ها برای صنایع سنگین مانند تولید فولاد و شیشه و همچنین لوازم خانگی و تجاری با حرارت بالا بسیار مناسب هستند.
آشکارساز دمای مقاومتی (RTD): با دقت و پایداری بالا، برای اتوماسیون صنعتی و زمینه های کنترل فرآیند که نیاز به دقت فوق العاده بالایی دارند، بسیار مناسب است. RTD معمولاً در صنایع غذایی و دارویی برای دستیابی به کنترل دقیق دما در طی فرآیندهایی مانند دم کردن، ضد عفونی کردن و سرخ کردن استفاده می شود. RTD می تواند اندازه گیری دقیق دما را برای سیستم های HVAC و همچنین تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی مانند انکوباتورها و ابزارهای تحلیلی ارائه دهد. در مقایسه با جایگزین هایی مانند ترموکوپل ها، RTD ها ممکن است هزینه های بالاتری داشته باشند و به دلیل اتکا به سیم نازک یا عناصر تشخیص فیلم نازک، شکننده تر هستند. RTD معمولاً در ترکیب با مدارهای اندازه گیری دقیق استفاده می شود که پیچیدگی و هزینه طراحی را افزایش می دهد.
ترمیستور: مقاومتی ساخته شده از نیمه هادی، با مقدار مقاومت که با دما و حساسیت بالا تغییر می کند. تغییرات کوچک دما و تغییرات مقاومت زیاد، امکان تشخیص نوسانات دمایی کوچک با وضوح بالا را فراهم می کند. ترمیستورها دارای اندازه کوچک، سرعت پاسخگویی سریع و هزینه کم هستند و مشخصات مختلفی از میکروبیدها تا پروب های بزرگتر را پوشش می دهند. ترمیستورها برای کاربردهایی با محدوده دمایی محدود، معمولاً بین -50 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد مناسب هستند. ترمیستورها طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله دستگاه های پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مربوط به دمای محیط یا انسان، و همچنین کاربردهای خودرو، سیستم های مدیریت باتری، لوازم الکترونیکی مصرفی، تشخیص آتش و دود، و سایر زمینه ها را دارند. با این حال، منحنی مقاومت غیرخطی ترمیستورها به فرمول های تبدیل یا جداول جستجو برای تبدیل دقیق مقدار مقاومت به دما نیاز دارد و در مقایسه با RTD ها، ترمیستورها ممکن است در طول زمان جابجا شوند.
سنسور دمای دیود: با سرعت پاسخگویی سریع و اندازه کوچکتر در مقایسه با سه سنسور آنالوگ دیگر، می توان آن را به راحتی به میکروکنترلرها، مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مدارهای مجتمع مخصوص کاربرد (ASIC) متصل کرد. سنسور دمای دیود مقرون به صرفه است، با محدوده دمایی محدود به -55 درجه سانتیگراد تا +150 درجه سانتیگراد. این سنسور می تواند به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، اتوماسیون صنعتی، سیستم های ذخیره سازی مرکز داده و خودرو استفاده شود. این نوع سنسور دقت کمتری نسبت به RTD دارد، در برابر نویز سیستم حساس است و معمولاً برای اطمینان از خوانش‌های ثابت بین دستگاه‌های مختلف به کالیبراسیون نیاز دارد.
سنسور دمای دیجیتال: نوعی مدار مجتمع (IC) که برای اندازه‌گیری دما و ارائه مستقیم خروجی دیجیتال استفاده می‌شود و معمولاً داده‌ها را از طریق پروتکل‌های ارتباطی استاندارد مانند SMBus، I² C، SPI یا 1-Wire منتقل می‌کند. سنسورهای دیجیتال مانند سنسورهای آنالوگ نیازی به تهویه سیگنال خارجی، تقویت و تبدیل آنالوگ به دیجیتال ندارند.
اصل انتخاب
انتخاب سنسور دمای مناسب نیاز به تعادل بین دقت، زمان پاسخگویی، دوام و هزینه یا انتخاب اجزای مناسب با توجه به نیازهای خاص صنعت دارد.

محیط کاری که سنسور دما در آن انتخاب می شود نقش مهمی ایفا می کند. در محیط‌های سخت، سنسورهای قوی و بادوام مانند ترموکوپل‌ها یا RTD‌های پوشش‌داده‌شده مورد نیاز هستند، در حالی که ترمیستورها یا سنسورهای نیمه‌رسانا برای محیط‌های کنترل‌شده مناسب‌تر هستند. هزینه و مقیاس پذیری نیز عواملی هستند که در تولید انبوه باید در نظر گرفته شوند - ترمیستورها مقرون به صرفه هستند، در حالی که RTD ها و ترموکوپل های سطح بالا پایداری طولانی مدت دارند.

مبادله بین دقت و عملی بودن به همان اندازه برای طراحان در فرآیند انتخاب آنها بسیار مهم است. RTD دقت بالایی دارد، اما گران است. ترموکوپل ها طیف وسیعی از کاربردها را دارند، اما دقت آنها نسبتا پایین است. زمان و مکان پاسخ به همان اندازه مهم هستند - سنسورهای سبک وزن مانند ترموکوپل ها و ترمیستورها سرعت پاسخگویی بالایی دارند، اما محل نصب ممکن است بر عملکرد تأثیر بگذارد.

هزینه سنسورها و مدارهای مربوط به آنها به ویژه در محصولات مصرفی یا تولید انبوه بر انتخاب تأثیر زیادی خواهد داشت. قیمت انواع سنسورها بسیار متفاوت است. سنسورهای آنالوگ به تهویه سیگنال نیاز دارند، در حالی که سنسورهای دیجیتال می توانند یکپارچه سازی را ساده کنند. کاهش مدارهای آنالوگ و کار کالیبراسیون می‌تواند هزینه‌های کلی را به حداقل برساند، حتی اگر انتخاب سنسورهای دیجیتال با قیمت کمی بالاتر معقول باشد.

سنسورهای دیجیتال و ویژگی های آنها
سنسورهای دیجیتال سیگنال‌های آنالوگ را به صورت داخلی تبدیل می‌کنند و داده‌ها را به شکل جریان دیجیتال، معمولاً با مقاومت در برابر نویز بهتر و توانایی انجام پردازش داده‌های پیچیده‌تر، انتقال می‌دهند. دستگاه های آنالوگ، شرکت (ADI) طیف گسترده ای از ترکیبات سنسور دمای آنالوگ و دیجیتال را ارائه می دهد و طراحان باید به دقت ارزیابی کنند که کدام محصول به بهترین وجه نیازهای کاربردی آنها را برآورده می کند. در زیر به معرفی مختصر برخی از سنسورهای دیجیتال می پردازیم.

اگر خوانش دقیق دما مورد نیاز باشد، دقت ممکن است مهمترین عامل انتخاب باشد. سنسور دیجیتال MAX31888 ADI دارای دقت 0.25 ± درجه سانتیگراد در محدوده -20 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد است و می تواند با یک میکروکنترلر از طریق یک گذرگاه 1-Wire برای دستیابی به مدار نظارت بر دما با دقت بالا ارتباط برقرار کند (شکل 1). هر MAX31888 دارای شماره ثبت 64 بیتی منحصر به فرد خود است که به عنوان آدرس گره در یک شبکه تک خطی چند نقطه ای استفاده می شود.