DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Izbira optimalnega temperaturnega tipala je lahko zahtevna, glede na raznolikost senzorskih tehnologij, ki so na voljo, in različnih zahtev industrije.
Vseeno pa številna področja uporabe zahtevajo natančne odčitke, zato je bistveno, da se preuči širok nabor možnosti, ki so na voljo.
Izbira temperaturnega tipala vključuje ravnotežje med več dejavniki za izpolnitev zahtev glede konstrukcije, kot so natančnost, odzivni čas, komunikacijski protokol, stabilnost pri okoljskih dejavnikih, poraba energije, stroški in celovitost sistema. Tipala na splošno spadajo v štiri kategorije analognih izhodnih napetosti in peto, ki uporablja digitalni izhodni signal:
Termočleni zajemajo velik temperaturni razpon, so trpežni in merijo od kriogenih temperatur do več kot 1800 °C. So močni in lahko delujejo tudi v zahtevnih okoljih ter se hitro odzovejo na hitre temperaturne spremembe. Vendar so manj natančni in stabilni kot drugi senzorji, ki so na voljo, ter zahtevajo preoblikovanje signala. Primerni so za uporabo na področju težke industrije, kot je proizvodnja jekla in stekla, ter pri gospodinjskih in komercialnih napravah pri visokih temperaturah.
Uporovni temperaturni senzorji (RTD-ji) so zelo natančni in stabilni. Idealni so za uporabo pri industrijski avtomatizaciji in nadzoru procesov, kjer je natančnost ključnega pomena. RTD-ji se običajno uporabljajo v prehrambeni in farmacevtski industriji, kjer je potreben strog nadzor temperature pri procesih, kot so kuhanje, sterilizacija in pečenje. Zagotavljajo natančne meritve temperature za sisteme HVAC ter na področju laboratorijske in medicinske opreme, kot so inkubatorji in instrumenti za analizo. RTD-ji so lahko dragi v primerjavi z alternativami, kot so termočleni, in so krhki, ker so odvisni od elementov za zaznavanje, narejenih iz fine žice ali tankega filma. Pogosto se uporabljajo z natančnim vezjem za merjenje, kar poveča kompleksnost konstrukcije in stroškov.
Termistorji so upori, ki so odvisni od temperature, izdelani iz polprevodnikov z visoko ravnijo občutljivosti. Velike spremembe upora za majhne temperaturne premike omogočajo zaznavanje najmanjših nihanj in visoko ločljivost. Majhni, hitri in poceni termistorji so na voljo v različnih velikostih od drobnih kroglic do večjih sond. Odlični so pri uporabi na področjih z omejenimi temperaturnimi razponi, običajno med -50 °C in 150 °C. Termistorji so zelo vsestranski in se uporabljajo pri medicinskih pripomočkih kot tudi pri napravah potrošniške elektronike, kjer je pomembna temperatura okolja ali telesa, pa tudi v avtomobilski industriji, sistemih za upravljanje baterij, potrošniških napravah ter napravah za zaznavanje požara in dima. Vendar pa njihova nelinearna krivulja upora zahteva formule za pretvorbo ali iskalne tabele za pretvorbo upora v natančno temperaturo, zato se lahko v primerjavi z RTD-ji sčasoma zamaknejo.
Temperaturna tipala na osnovi diod zagotavljajo hitre odzivne čase in so manjša od ostalih treh analognih vrst. Brez težav se lahko povežejo z mikrokontrolerjem, analogno-digitalnimi pretvorniki (ADC-ji) in integriranimi vezji za specifično uporabo (ASIC-i). So stroškovno učinkovita rešitev z omejenim temperaturnim razponom od -55 °C do +150 °C in se uporabljajo na številnih področjih, ki obsegajo naprave potrošniške elektronike, industrijsko avtomatizacijo, sisteme za shranjevanje podatkovnih centrov, avtomobilsko industrijo in mnoge druge. So manj natančni kot RTD-ji, dovzetni so za šum sistema in pogosto zahtevajo umerjanje, da se zagotovijo dosledni odčitki med različnimi napravami.
Digitalna temperaturna tipala so integrirana vezja (IC), ki merijo temperaturo in zagotavljajo neposreden digitalni izhod, običajno prek komunikacijskih protokolov, kot so SMBus, I²C, SPI ali 1-Wire. Ne potrebujejo zunanjega preoblikovanja signala, ojačenja in analogno-digitalne pretvorbe analognih možnosti.
Navodila za izbiro
Izbira ustreznega temperaturnega tipala vključuje ravnotežje med natančnostjo, odzivnim časom, trpežnostjo in ceno. Pri izbiri primerne komponente lahko kot smernice pomagajo tudi zahteve, specifične za industrijo.
Delovno okolje na področju uporabe igra ključno vlogo. Zahtevni pogoji zahtevajo stabilna tipala, kot so termočleni ali prevlečeni RTD-ji, medtem ko so termistorji ali polprevodniška tipala primernejša za nadzorovana okolja. Stroški in nadgradljivost so prav tako dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri množični proizvodnji – termistorji so ekonomični, vendar RTD-ji in visokozmogljivi termočleni nudijo dolgoročno stabilnost.
Na izbiro lahko vpliva tudi razvijalčeva toleranca med natančnostjo in praktičnostjo. RTD-ji zagotavljajo visoko natančnost, vendar so dragi, medtem ko so termočleni vsestranski, a manj natančni. Pomembna sta tudi odzivni čas in postavitev – majhna tipala z majhno maso, kot so termočleni in termistorji, se hitro odzovejo, vendar lahko njihovo mesto postavitve vpliva na njihovo delovanje.
Cena tipala in z njim povezanega vezja lahko močno vpliva na izbiro, zlasti pri potrošniških izdelkih ali proizvodnji velikega obsega. Med različnimi vrstami tipal so precejšnje razlike v stroških. Analogna tipala zahtevajo preoblikovanje signala, medtem ko digitalna tipala poenostavljajo integracijo. Zmanjšanje analognega vezja in umerjanja lahko zmanjša skupne stroške in upraviči uporabo celo nekoliko dražjega digitalnega tipala.
Digitalne možnosti in značilnosti
Digitalna tipala interno pretvarjajo analogni signal in prenašajo podatke kot digitalni tok, kar pogosto zagotavlja boljšo odpornost proti šumu in omogoča kompleksnejšo obdelavo podatkov. Analog Devices, Inc. (ADI) [1] ponuja širok portfelj analognih in digitalnih temperaturnih tipal, razvijalci pa morajo skrbno oceniti, kateri najbolj ustreza potrebam na njihovem področju uporabe. Sledi kratek povzetek nekaterih digitalnih tipal.
Ko so potrebni natančni odčitki temperature, je natančnost verjetno glavni dejavnik izbire. Digitalno tipalo MAX31888[2] podjetja ADI ima natančnost ±0,25 °C v razponu od -20 °C do +105 °C in komunicira z mikrokontrolerjem prek 1-Wire vodila, da omogoči visoko natančna vezja za spremljanje temperature (slika 1). V vsako tipalo MAX31888 je programirana lastna edinstvena 64-bitna registracijska številka, ki deluje kot naslov vozlišča v 1-žičnem omrežju z več točkami.
Tipalo MAX31888 uporablja za komunikacijo samo eno podatkovno linijo, iz katere lahko neposredno črpa parazitsko oskrbo z energijo, kar razvijalcem omogoča, da delajo brez zunanje oskrbe z energijo. Pri uporabi zunanje oskrbe z energijo je njegov napetostni razpon od 1,7 V do 3,6 V, medtem ko med merjenjem porabi le 68 μA toka.
Poraba energije in velikost sta lahko glavna skrb pri načrtovanju majhnih naprav, ki delujejo na baterije. Za področja uporabe, kot so nosljive naprave, naprave MAX31875 družbe ADI, kot je MAX31875R0TZS+T[3] (slika 2), združujejo zelo majhno velikost ohišja 0,84 mm x 0,84 mm x 0,35 mm in nizko porabo toka pri oskrbi z energijo z natančnostjo merjenja temperature ±1 °C.
Družina tipal MAX31875 uporablja serijski vmesnik, združljiv z I2C/SMBus, ki uporablja standardne ukaze za zapisovanje bajtov, branje bajtov, pošiljanje bajtov in prejemanje bajtov za branje temperaturnih podatkov in konfiguracijo obnašanja tipala v tipičnem vezju (slika 3). Uporablja < 10 μA povprečnega toka oskrbe z energijo in lahko meri temperature od -50 °C do +150 °C.
Podjetje ADI ponuja tudi IC-je, zasnovane za natančno merjenje temperature termičnih diod in pretvorbo v digitalno obliko, ki nadomešča običajne termistorje ali termočlene. Ta diodna tipala na daljavo merijo temperaturo zunanjih PN spojev, kot so termične diode, vgrajene v CPE-je, GPE-je, FPGA-je in ASIC-je. Tipalo MAX6654MEE+T[4] meri eno toplotno diodo. Druge možnosti so na voljo za 2-, 3-, 4- in 8-kanalna področja uporabe.
Diodna tipala na daljavo se lahko veliko uporabljajo v okoljih z električnim šumom z ustreznim notranjim in zunanjim filtrom. Tipalo MAX31732ATG+T[5] je 4-kanalno temperaturno tipalo, ki spremlja lastno temperaturo skupaj s temperaturami do štirih zunanjih tranzistorjev, vezanih kot diodo (slika 4).
Tipalo MAX31732 je mogoče programirati za nastavitev temperaturnih pragov brez posebne programske opreme ali vgrajene programske opreme. Za spremljanje temperatur in pregled temperaturnih pragov se lahko uporablja 2-žični serijski vmesnik.
Zaključek
Iskanje optimalnega temperaturnega tipala lahko zagotovi boljšo zmogljivost, zanesljivost in stroškovno učinkovitost na področju uporabe. Na izbiro lahko vpliva vrsta dejavnikov, vključno z zahtevami in standardi, specifičnimi za panogo, ter kompromisi med ceno in zmogljivostjo. Portfelj digitalnih temperaturnih tipal družbe ADI ponuja rešitve za izpolnjevanje potreb na različnih področjih uporabe.
Viri:
1: https://www.digikey.si/en/supplier-centers/analog-devices
2: https://www.digikey.si/en/product-highlight/m/maxim-integrated/max31888-0-25-c-accurate-1-wire-temperature-sensor
3: https://www.digikey.si/en/products/detail/analog-devices-inc-maxim-integrated/MAX31875R0TZS-T/7667881
4: https://www.digikey.si/en/products/detail/analog-devices-inc-maxim-integrated/MAX6654MEE-T/1521570
5: https://www.digikey.si/en/products/detail/analog-devices-inc-maxim-integrated/MAX31732ATG-T/24637484
