Практические датчики: множество способов электронного измерения тепла

Измерение температуры оказывается фундаментальной функцией для огромного количества устройств. Программируемый термостат вашей печи и цифровые часы являются очевидными примерами. Если вам просто нужно было узнать, превышена ли определенная температура, вы можете использовать биметаллическую катушку и микропереключатель (или ртутный переключатель, как это было со старыми термостатами). Но в наши дни нам нужна точность в широком диапазоне показаний, поэтому существуют термопары, генерирующие небольшое напряжение, термометры сопротивления, которые меняют сопротивление в зависимости от температуры, термисторы, которые также меняют сопротивление в зависимости от температуры, инфракрасные датчики и датчики с вибрирующей проволокой. Напряжение запрещенной зоны полупроводникового перехода меняется в зависимости от температуры, и это также предсказуемо и измеримо. Вероятно, существуют и другие методы, некоторые из которых, вероятно, весьма креативны.

Дело в том, что существует множество способов измерить что-либо, но в каждом случае вы конвертируете то, что хотите знать (температуру), в то, что вы знаете, как измерить, например напряжение, ток или физическое положение. Давайте посмотрим, как это делают некоторые из наиболее интересных датчиков температуры.

Термопары используют так называемый эффект Зеебека. Когда два разнородных металла образуют соединение и испытывают градиент температуры, образуется электрический потенциал. Ключевым моментом является то, что именно градиент температуры заставляет устройство работать. Термопары имеют горячий спай и холодный спай. Если вы хотите измерить температуру, вам нужен эталонный спай. Кроме того, эффект работает наоборот — эффект Пельтье — когда ток через пару переходов делает одну сторону горячей, а другую — холодной.

Раньше холодный спай погружали в ведро со льдом. Сегодня более вероятно, что вы воспользуетесь другим методом, чтобы получить температуру холодного спая, а затем компенсировать ее. Конечно, есть чипы, которые сделают это за вас.

Недостатком является то, что показания температуры не являются линейными. Вы увидите разные типы термопар, и в каждом типе используются провода из двух разных материалов. Тип подсказывает вам, какую калибровочную кривую использовать, и, конечно же, вы выбираете металл для необходимого вам применения. Например, в типе J в качестве одного из двух проводов используется железо, а в типе T — медь.

Еще один важный момент — это то, как подсоединить провода к термопаре. Поскольку устройство работает на соединении двух разных типов проводов, необходимо соблюдать осторожность при подключении к устройству других проводов. Хотите знать больше? [Бил Херд] глубоко углубился в изучение того, как построить усилитель термопары.

Термопары, измеряющие инфракрасное излучение на расстоянии, известны как термобатареи. Они часто встречаются в бесконтактных термометрах и пассивных ИК-датчиках (PIR). Датчик PIR обнаруживает разницу температур между двумя датчиками и делает вывод, что что-то изменилось в поле зрения.

Существует несколько различных типов материалов, которые могут изменять температуру в зависимости от сопротивления. Самый важный фактор – наличие у устройства положительного или отрицательного температурного коэффициента. Другими словами, увеличивается или уменьшается сопротивление в ответ на изменение температуры?

Термисторы по конструкции немного отличаются от резистивных датчиков температуры или RTD. Обычно термисторы имеют меньшие проблемы с гистерезисом и самонагревом, чем термометры сопротивления на основе металла (часто платины). Однако в любом случае вам придется измерить сопротивление и подогнать его к кривой, чтобы получить реальную температуру.

Считывание показаний термисторов — очень распространенная операция, и за прошедшие годы люди разработали множество приемов. Вы также можете провести математическую обработку, чтобы лучше подогнать кривую, или выполнить простые математические вычисления и получить меньшую точность.

Напряжение запрещенной зоны полупроводникового материала предсказуемо меняется в зависимости от температуры. Если вы когда-нибудь углубитесь в проектирование полупроводников, вы увидите член T в уравнении диода и все его проявления. Поэтому неудивительно, что многие микросхемы используют это свойство для измерения температуры.