Có nhiều loại công nghệ cảm biến khác nhau và sự khác biệt đáng kể về nhu cầu của ngành, khiến việc chọn cảm biến nhiệt độ tốt nhất cho các ứng dụng cụ thể trở nên vô cùng khó khăn. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng yêu cầu số đọc chính xác nên cần phải đánh giá nhiều sản phẩm hiện có.
Khi lựa chọn cảm biến nhiệt độ, cần cân bằng nhiều yếu tố để đáp ứng yêu cầu thiết kế: độ chính xác, thời gian đáp ứng, giao thức truyền thông, dung sai môi trường, mức tiêu thụ điện năng, chi phí và tích hợp hệ thống. Các cảm biến thường được chia thành bốn loại đầu ra điện áp tương tự và một loại đầu ra tín hiệu số:
Cặp nhiệt điện: Với phạm vi nhiệt độ rộng và độ bền, có thể đo nhiệt độ từ thấp đến trên +1800 ° C. Cặp nhiệt điện chắc chắn và bền bỉ, có khả năng chịu được môi trường khắc nghiệt và phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ nhanh. Tuy nhiên, độ chính xác và độ ổn định của chúng không tốt bằng các cảm biến khác và chúng yêu cầu điều hòa tín hiệu. Cặp nhiệt điện rất phù hợp cho các ngành công nghiệp nặng như sản xuất thép và thủy tinh, cũng như các thiết bị thương mại và gia dụng nhiệt độ cao.
Đầu báo nhiệt độ điện trở (RTD): Với độ chính xác và ổn định cao nên rất thích hợp cho các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và điều khiển quá trình đòi hỏi độ chính xác cực cao. RTD thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm để đạt được sự kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt trong các quá trình như pha, khử trùng và chiên. RTD có thể cung cấp phép đo nhiệt độ chính xác cho hệ thống HVAC, cũng như các thiết bị y tế và phòng thí nghiệm như tủ ấm và dụng cụ phân tích. So với các lựa chọn thay thế như cặp nhiệt điện, RTD có thể có chi phí cao hơn và dễ hỏng hơn do phụ thuộc vào các bộ phận phát hiện dây mỏng hoặc màng mỏng. RTD thường được sử dụng kết hợp với các mạch đo lường chính xác, làm tăng độ phức tạp và chi phí thiết kế.
Thermistor: Là điện trở làm bằng chất bán dẫn, có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ và độ nhạy cao. Thay đổi nhiệt độ nhỏ và thay đổi điện trở lớn cho phép phát hiện các dao động nhiệt độ nhỏ với độ phân giải cao. Điện trở nhiệt có kích thước nhỏ, tốc độ phản hồi nhanh và chi phí thấp, bao gồm nhiều thông số kỹ thuật khác nhau từ microbead đến đầu dò lớn hơn. Điện trở nhiệt phù hợp cho các ứng dụng có phạm vi nhiệt độ giới hạn, thường từ -50 ° C đến 150 ° C. Điện trở nhiệt có nhiều ứng dụng, bao gồm các thiết bị y tế và thiết bị điện tử tiêu dùng liên quan đến nhiệt độ môi trường hoặc con người, cũng như các ứng dụng ô tô, hệ thống quản lý pin, điện tử tiêu dùng, phát hiện cháy và khói và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, đường cong điện trở phi tuyến của điện trở nhiệt yêu cầu công thức chuyển đổi hoặc bảng tra cứu để chuyển đổi chính xác giá trị điện trở thành nhiệt độ và so với RTD, nhiệt điện trở có thể trôi theo thời gian.
Cảm biến nhiệt độ điốt: Với tốc độ phản hồi nhanh và kích thước nhỏ hơn so với ba cảm biến analog còn lại, nó có thể dễ dàng kết nối với bộ vi điều khiển, bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC). Cảm biến nhiệt độ điốt có hiệu quả chi phí cao, với phạm vi nhiệt độ giới hạn từ -55 ° C đến +150 ° C. Nó có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, tự động hóa công nghiệp, hệ thống lưu trữ trung tâm dữ liệu và ô tô. Loại cảm biến này có độ chính xác thấp hơn RTD, dễ bị nhiễu hệ thống và thường yêu cầu hiệu chuẩn để đảm bảo số đọc nhất quán giữa các thiết bị khác nhau.
Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số: Một loại mạch tích hợp (IC) dùng để đo nhiệt độ và cung cấp trực tiếp đầu ra kỹ thuật số, thường truyền dữ liệu qua các giao thức truyền thông tiêu chuẩn như SMBus, I ² C, SPI hoặc 1-Wire. Cảm biến kỹ thuật số không yêu cầu điều hòa, khuếch đại tín hiệu bên ngoài và chuyển đổi analog sang digital như cảm biến analog.
Nguyên tắc lựa chọn
Việc lựa chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp đòi hỏi sự cân bằng giữa độ chính xác, thời gian đáp ứng, độ bền và chi phí hoặc lựa chọn các thành phần phù hợp theo yêu cầu cụ thể của ngành.
Môi trường làm việc mà cảm biến nhiệt độ được chọn đóng một vai trò quan trọng. Trong môi trường khắc nghiệt, cần có các cảm biến mạnh mẽ và bền bỉ như cặp nhiệt điện hoặc RTD được phủ, trong khi nhiệt điện trở hoặc cảm biến bán dẫn phù hợp hơn với môi trường được kiểm soát. Chi phí và khả năng mở rộng cũng là những yếu tố cần cân nhắc khi sản xuất hàng loạt - điện trở nhiệt có hiệu quả về mặt chi phí, trong khi RTD và cặp nhiệt điện cao cấp có độ ổn định lâu dài.
Sự cân bằng giữa độ chính xác và tính thực tiễn cũng quan trọng không kém đối với các nhà thiết kế trong quá trình lựa chọn của họ. RTD có độ chính xác cao nhưng đắt tiền; Cặp nhiệt điện có nhiều ứng dụng, nhưng độ chính xác của chúng tương đối thấp. Thời gian phản hồi và vị trí đều quan trọng như nhau - các cảm biến nhẹ như cặp nhiệt điện và điện trở nhiệt có tốc độ phản hồi nhanh nhưng vị trí lắp đặt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.
Giá thành của cảm biến và các mạch liên quan của chúng sẽ ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn, đặc biệt là trong các sản phẩm tiêu dùng hoặc sản xuất hàng loạt. Giá của các loại cảm biến khác nhau rất khác nhau. Cảm biến analog yêu cầu điều chỉnh tín hiệu, trong khi cảm biến kỹ thuật số có thể đơn giản hóa việc tích hợp. Việc giảm các mạch tương tự và công việc hiệu chuẩn có thể giảm thiểu chi phí tổng thể, ngay cả khi việc lựa chọn cảm biến kỹ thuật số có chi phí cao hơn một chút là hợp lý.
Cảm biến kỹ thuật số và đặc điểm của chúng
Cảm biến kỹ thuật số chuyển đổi tín hiệu tương tự bên trong và truyền dữ liệu ở dạng luồng kỹ thuật số, thường có khả năng chống nhiễu tốt hơn và khả năng thực hiện xử lý dữ liệu phức tạp hơn. Analog Devices, Inc. (ADI) cung cấp nhiều loại kết hợp sản phẩm cảm biến nhiệt độ analog và kỹ thuật số, đồng thời các nhà thiết kế nên đánh giá cẩn thận sản phẩm nào đáp ứng tốt nhất nhu cầu ứng dụng của họ. Dưới đây là phần giới thiệu ngắn gọn về một số cảm biến kỹ thuật số.
Nếu yêu cầu đọc nhiệt độ chính xác thì độ chính xác có thể là yếu tố lựa chọn quan trọng nhất. Cảm biến kỹ thuật số MAX31888 của ADI có độ chính xác ± 0,25 ° C trong phạm vi từ -20 ° C đến +105 ° C và có thể giao tiếp với bộ vi điều khiển thông qua bus 1-Dây để đạt được mạch giám sát nhiệt độ có độ chính xác cao (Hình 1). Mỗi MAX31888 có số đăng ký 64 bit duy nhất được sử dụng làm địa chỉ nút trong mạng một đường đa điểm.