השוואה בין יתרונות וחסרונות של ארבעה חיישני טמפרטורה מיינסטרים

בחירת מוצרי חישת טמפרטורה עשויה להיראות כעניין של מה בכך, אך בשל מגוון המוצרים הזמינים, משימה זו עלולה להיות מרתיעה למדי. במאמר זה, המחבר יציג ארבעה סוגים של חיישני טמפרטורה (גלאי טמפרטורת התנגדות (RTDs), צמדים תרמיים, תרמיסטורים וחיישני מעגלים משולבים (IC) עם ממשקים דיגיטליים ואנלוגיים) וידון ביתרונות ובחסרונות של כל סוג חיישן.
מנקודת מבט של רמת המערכת, האם חיישן טמפרטורה מתאים ליישום שלך יהיה תלוי בטווח הטמפרטורה הנדרש, דיוק, ליניאריות, עלות הפתרון, פונקציונליות, צריכת חשמל, גודל הפתרון, שיטת ההתקנה (שיטת הרכבה על פני השטח, שיטת הכנסת חור דרך , ושיטת התקנה חיצונית של לוח מעגלים), כמו גם הקלות בתמיכה בתכנון מעגלים. RTD
כאשר מודדים את ההתנגדות של RTD תוך שינוי הטמפרטורה שלו, התגובה היא כמעט ליניארית, פועלת כמו נגד. כפי שמוצג באיור 1, עקומת ההתנגדות של ה-RTD אינה ליניארית לחלוטין, אלא יש בה כמה דרגות של סטייה (המראה קו ישר המשמש כאסמכתא) - אך היא ניתנת לחיזוי וניתן לאימות. כדי לפצות על אי-ליניאריות קלה זו, רוב המעצבים עושים דיגיטציה של ערכי ההתנגדות הנמדדים ומשתמשים בטבלאות חיפוש בתוך מיקרו-בקרים כדי להחיל גורמי תיקון. יכולת החזרה והיציבות בטווח טמפרטורות רחב (בערך -250 מעלות צלזיוס עד +750 מעלות צלזיוס) הופכות את RTD לשימושי ביותר ביישומים בעלי דיוק גבוה, כולל מדידת טמפרטורת נוזלים או גזים בצינורות ומיכלים גדולים .
המורכבות של מעגלים המשמשים לעיבוד אותות אנלוגיים RTD משתנה בדרך כלל בהתאם ליישום. רכיבים כגון מגברים וממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADC), המייצרים שגיאות משלהם, הם הכרחיים. ספק כוח לחיישן רק כאשר יש צורך למדידה - ניתן להשיג גם פעולה בהספק נמוך באמצעות שיטה זו, אך זה יהפוך את המעגל להרבה יותר מורכב. יתרה מכך, ההספק הנדרש להפעלת החיישן גם מגביר את הטמפרטורה הפנימית שלו, ובכך משפיע על דיוק המדידה. עם זרם בודדים של אמפר בלבד, אפקט החימום העצמי הזה יגרום לשגיאות טמפרטורה (שגיאות אלו ניתנות לתיקון אך דורשות התייחסות נוספת). כמו כן, אנא זכרו שהעלות של RTDs פלטינה כרוכות בחוט או RTDs סרט דק יכולה להיות גבוהה למדי, במיוחד בהשוואה לעלות חיישני I.
תרמיסטור
תרמיסטור הוא סוג אחר של חיישן אלקטרופוזיטיבי. ישנם מגוון תרמיסטורים זמינים, החל ממוצרים חסכוניים ועד מוצרים בעלי דיוק גבוה. תרמיסטורים בעלות נמוכה ודיוק נמוך יכולים לבצע פונקציות מדידה פשוטות או זיהוי ערכים לאומיים - סוגים אלה של נגדים דורשים מספר רכיבים (כגון השוואות, הפניה ונגדים בדידים), אך הם זולים מאוד ובעלי תכונות טמפרטורת התנגדות לא ליניאריות, כפי שמוצג באיור. 2. אם אתה צריך למדוד טווח רחב של טמפרטורות, תצטרך לבצע הרבה עבודת לינאריזציה. ייתכן שיהיה צורך בכיול של מספר נקודות טמפרטורה. כדי להשיג דיוק גבוה יותר, ניתן להשתמש במערך תרמיסטור סובלני יקר יותר והדוק יותר כדי לסייע בפתרון בעיה לא ליניארית זו, אך מערך זה בדרך כלל פחות רגיש מתרמיסטור בודד.

בשל המורכבות והעלות המוגברות של מערכות ריבוי נקודות קפיצה, תרמיסטורים בעלות נמוכה משמשים בדרך כלל רק ליישומים עם דרישות פונקציונליות מינימליות, כולל טוסטרים, מכונות קפה, מקררים ומייבשי שיער. בנוסף, תרמיסטורים סובלים גם מבעיות חימום עצמי (בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות יותר, כאשר ההתנגדות שלהם נמוכה יותר). כמו במקרה של RTDs, עדיין לא זוהתה הסיבה העיקרית לאי-יכולת להשתמש בתרמיסטורים במתחים נמוכים - אך אנא זכרו שככל שהפלט בקנה מידה מלא נמוך יותר, כך רגישות המערכת שהיא ממירה ישירות על סמך מאפיינים של ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADC). יישומים בהספק נמוך צריכים גם להגדיל את מורכבות המעגל כדי להיות רגישים מאוד לשגיאות הנגרמות מרעש. תרמיסטורים יכולים לפעול בטווח הטמפרטורות של -100 מעלות צלזיוס עד +500C, אם כי לרוב התרמיסטורים יש טווח טמפרטורת פעולה מרבי מדורג של צמדים תרמיים של +100 מעלות צלזיוס עד +150 מעלות צלזיוס
צמד תרמי כולל חיבור של שני חוטים העשויים מחומרים שונים. לדוגמה, צמד תרמי מסוג א) עשוי מברזל וקונסטנטן. כפי שמוצג באיור 3, מגע 1 ממוקם בטמפרטורה שיש למדוד, בעוד שמגע 2 ומגע 3 ממוקמים בטמפרטורות שונות הנמדדות באמצעות חיישני טמפרטורה אנלוגיים LM35. מתח המוצא הוא פרופורציונלי בערך להפרש בין שני ערכי הטמפרטורה הללו.
מכיוון שהרגישות של צמדים תרמיים נמוכה למדי (בסדר גודל של עשרות מיקרו-וולט למעלה צלזיוס), תזדקק למגבר אופסט נמוך כדי ליצור מתח מוצא שמיש. בטווח העבודה של צמדים תרמיים, אי-לינאריות בתפקוד העברת הטמפרטורה למתח דורשת לעתים קרובות מעגלי פיצוי או טבלאות בדיקה, בדיוק כמו RTDs וצמדים תרמיים. עם זאת, למרות החסרונות הללו, צמדים תרמיים עדיין פופולריים מאוד, מתאימים במיוחד לתנורים, מחממי מים, כבשנים, ציוד בדיקה וטיפולים תעשייתיים אחרים - מכיוון שהאיכות התרמית של צמדים תרמיים נמוכה מאוד, וטווח טמפרטורת העבודה (שניתן להרחיב עד מעל 2300 מעלות) הוא רחב מאוד:
חיישן IC
חיישני IC יכולים לפעול בטווח טמפרטורה של {{0}} מעלות צלזיוס עד +150 מעלות צלזיוס - נבחר|חיישני C יכולים לפעול עד +200 מעלות צלזיוס. ישנם סוגים שונים של חיישני IC משולבים, אך ארבעת חיישני ה-IC המשולבים הנפוצים ביותר הם התקני פלט אנלוגיים, התקני ממשק דיגיטליים, חיישני טמפרטורה מרוחקים וכאלה עם פונקציות של בקרת טמפרטורה (מתגי טמפרטורה). התקני פלט אנלוגיים (בדרך כלל פלט מתח, אך לחלקם יש גם פלט זרם) דומים ביותר לפתרונות פסיביים כאשר הם דורשים ADC כדי לבצע דיגיטציה של אות הפלט. התקני ממשק דיגיטלי משתמשים לרוב בשני ממשקי חוטים (12C או PMBus) ויש להם ADCs מובנים. בנוסף לחיישן טמפרטורה מקומי, לחיישני טמפרטורה מרוחקים יש גם כניסה אחת או יותר לניטור טמפרטורת דיודה מרוחקת - לרוב הם ממוקמים ב-ICs דיגיטליים משולבים במיוחד (כגון מעבדים או מערכי שערים ניתנים לתכנות בשטח (FPGA)). כאשר סף הטמפרטורה מגיע, התרמוסטט יכול לספק אזעקה פשוטה. ישנם יתרונות רבים לשימוש בחיישני IC, כולל: צריכת חשמל נמוכה; יכול לספק מוצרי אריזה קטנים (כמה גדלים קטנים עד 0.8mmx0.8mm); ניתן להשיג עלויות מכשיר נמוכות גם ביישומים מסוימים.