การเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของเซ็นเซอร์อุณหภูมิหลักสี่ตัว

การเลือกผลิตภัณฑ์ตรวจจับอุณหภูมิอาจดูเหมือนเป็นเรื่องเล็กน้อย แต่เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่หลากหลาย งานนี้จึงค่อนข้างน่ากังวล ในบทความนี้ ผู้เขียนจะแนะนำเซ็นเซอร์อุณหภูมิสี่ประเภท (เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (RTD) เทอร์โมคัปเปิล เทอร์มิสเตอร์ และเซ็นเซอร์วงจรรวม (IC) ที่มีอินเทอร์เฟซดิจิทัลและอนาล็อก) และอภิปรายข้อดีและข้อเสียของเซ็นเซอร์แต่ละประเภท
จากมุมมองระดับระบบ ไม่ว่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิจะเหมาะกับการใช้งานของคุณหรือไม่นั้นจะขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิที่ต้องการ ความถูกต้อง ความเป็นเส้นตรง ต้นทุนโซลูชัน ฟังก์ชันการทำงาน การใช้พลังงาน ขนาดของสารละลาย วิธีการติดตั้ง (วิธีการยึดพื้นผิว วิธีการสอดผ่านรู และวิธีการติดตั้งภายนอกแผงวงจร) รวมถึงความง่ายในการรองรับการออกแบบวงจร RTD
เมื่อวัดความต้านทานของ RTD ในขณะที่เปลี่ยนอุณหภูมิ การตอบสนองแทบจะเป็นเส้นตรงและทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทาน ดังแสดงในรูปที่ 1 เส้นโค้งแนวต้านของ RTD ไม่เป็นเส้นตรงทั้งหมด แต่มีการเบี่ยงเบนเล็กน้อย (แสดงเส้นตรงที่ใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง) - แต่สามารถคาดเดาและตรวจสอบได้สูง เพื่อชดเชยความไม่เชิงเส้นเล็กน้อยนี้ นักออกแบบส่วนใหญ่จึงแปลงค่าความต้านทานที่วัดได้เป็นดิจิทัล และใช้ตารางค้นหาภายในไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อใช้ปัจจัยแก้ไข ความสามารถในการทำซ้ำและความเสถียรภายในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง (ประมาณ -250 องศา C ถึง+750 องศา C) ทำให้ RTD มีประโยชน์อย่างมากในการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง รวมถึงการวัดอุณหภูมิของของเหลวหรือก๊าซในท่อและภาชนะขนาดใหญ่ .
ความซับซ้อนของวงจรที่ใช้ในการประมวลผลสัญญาณอะนาล็อก RTD โดยทั่วไปจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการใช้งาน ส่วนประกอบต่างๆ เช่น แอมพลิฟายเออร์และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ซึ่งก่อให้เกิดข้อผิดพลาดในตัวเอง เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ จ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์เมื่อจำเป็นสำหรับการวัดเท่านั้น - คุณสามารถดำเนินการโดยใช้พลังงานต่ำด้วยวิธีนี้ได้ แต่จะทำให้วงจรซับซ้อนมากขึ้น นอกจากนี้ พลังงานที่ต้องใช้ในการเปิดเซ็นเซอร์ยังเพิ่มอุณหภูมิภายในด้วย ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด ด้วยกระแสไฟฟ้าเพียงไม่กี่แอมป์ เอฟเฟกต์การทำความร้อนด้วยตนเองนี้จะสร้างข้อผิดพลาดของอุณหภูมิ (ข้อผิดพลาดเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ แต่ต้องพิจารณาเพิ่มเติม) นอกจากนี้ โปรดจำไว้ว่าต้นทุนของ RTD แพลตตินัมที่มีการพันลวดหรือ RTD แบบฟิล์มบางอาจค่อนข้างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับต้นทุนของ I-เซ็นเซอร์
เทอร์มิสเตอร์
เทอร์มิสเตอร์เป็นเซ็นเซอร์อิเล็กโทรบวกอีกประเภทหนึ่ง มีเทอร์มิสเตอร์ให้เลือกมากมาย ตั้งแต่ผลิตภัณฑ์ที่คุ้มค่าไปจนถึงผลิตภัณฑ์ที่มีความแม่นยำสูง เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ที่มีต้นทุนต่ำและมีความแม่นยำต่ำสามารถทำการวัดอย่างง่ายหรือฟังก์ชันการตรวจจับค่าระดับประเทศได้ - ตัวต้านทานประเภทนี้จำเป็นต้องมีส่วนประกอบหลายอย่าง (เช่น ตัวต้านทานเปรียบเทียบ ตัวต้านทานอ้างอิง และตัวต้านทานแบบแยกส่วน) แต่มีราคาถูกมากและมีคุณสมบัติต้านทานอุณหภูมิแบบไม่เชิงเส้น ดังแสดงในรูป 2. หากคุณต้องการวัดอุณหภูมิในช่วงกว้าง คุณจะต้องดำเนินการเชิงเส้นจำนวนมาก อาจจำเป็นต้องปรับเทียบจุดอุณหภูมิหลายจุด เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงขึ้น เราสามารถใช้อาร์เรย์เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ที่มีราคาแพงกว่าและมีความคลาดเคลื่อนเข้มงวดมากขึ้นเพื่อช่วยแก้ปัญหาแบบไม่เชิงเส้นนี้ได้ แต่โดยทั่วไปอาร์เรย์นี้จะมีความไวน้อยกว่าเทอร์มิสเตอร์ตัวเดียว

เนื่องจากความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นของระบบ multi Jump point โดยทั่วไปเทอร์มิสเตอร์ต้นทุนต่ำจึงใช้เฉพาะสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการการทำงานขั้นต่ำเท่านั้น รวมถึงเครื่องปิ้งขนมปัง เครื่องชงกาแฟ ตู้เย็น และเครื่องเป่าผม นอกจากนี้ เทอร์มิสเตอร์ยังประสบปัญหาการทำความร้อนในตัวเอง (โดยปกติจะใช้ที่อุณหภูมิสูงกว่า เมื่อความต้านทานลดลง) เช่นเดียวกับกรณีของ RTD สาเหตุหลักของการไม่สามารถใช้เทอร์มิสเตอร์ที่แรงดันไฟฟ้ากำลังต่ำยังไม่ได้รับการระบุ - แต่โปรดจำไว้ว่า ยิ่งเอาท์พุตเต็มสเกลต่ำลง ความไวของระบบก็จะแปลงโดยตรงน้อยลงตาม คุณลักษณะของตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) การใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำยังต้องเพิ่มความซับซ้อนของวงจรเพื่อให้มีความไวสูงต่อข้อผิดพลาดที่เกิดจากสัญญาณรบกวน เทอร์มิสเตอร์สามารถทำงานในช่วงอุณหภูมิ -100 องศา C ถึง+500 C แม้ว่าเทอร์มิสเตอร์ส่วนใหญ่จะมีช่วงอุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่กำหนดอยู่ที่ +100 องศา C ถึง+150 องศา C เทอร์โมคัปเปิล
เทอร์โมคัปเปิลประกอบด้วยจุดเชื่อมต่อของสายไฟสองเส้นที่ทำจากวัสดุต่างกัน ตัวอย่างเช่น ก) เทอร์โมคัปเปิลชนิดทำจากเหล็กและคอนสแตนตัน ดังแสดงในรูปที่ 3 หน้าสัมผัส 1 จะอยู่ที่อุณหภูมิที่จะวัด ในขณะที่หน้าสัมผัส 2 และหน้าสัมผัส 3 จะอยู่ที่อุณหภูมิที่แตกต่างกันโดยวัดโดยใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบอะนาล็อก LM35 แรงดันไฟขาออกเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับความแตกต่างระหว่างค่าอุณหภูมิทั้งสองนี้
เนื่องจากความไวของเทอร์โมคัปเปิลค่อนข้างต่ำ (ประมาณสิบไมโครโวลต์ต่อองศาเซลเซียส) คุณจึงต้องมีเครื่องขยายสัญญาณออฟเซ็ตต่ำเพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ใช้งานได้ ภายในช่วงการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล ความไม่เชิงเส้นของฟังก์ชันการถ่ายโอนอุณหภูมิถึงแรงดันไฟฟ้ามักต้องใช้วงจรชดเชยหรือตารางค้นหา เช่นเดียวกับ RTD และเทอร์โมคัปเปิล อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ แต่เทอร์โมคัปเปิลยังคงได้รับความนิยมอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับเตาอบ เครื่องทำน้ำอุ่น เตาเผา อุปกรณ์ทดสอบ และการบำบัดทางอุตสาหกรรมอื่นๆ เนื่องจากคุณภาพความร้อนของเทอร์โมคัปเปิลต่ำมาก และช่วงอุณหภูมิในการทำงาน (ซึ่งสามารถขยายได้) ถึงสูงกว่า 2300 องศา ) กว้างมาก:
ไอซีเซ็นเซอร์
เซ็นเซอร์ IC สามารถทำงานได้ภายในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ {{0}} องศา C ถึง+150 องศา C - ที่เลือก|เซ็นเซอร์ C สามารถทำงานได้สูงถึง +200 องศา C มีเซ็นเซอร์ IC แบบรวมหลายประเภท แต่เซ็นเซอร์ IC แบบรวมที่พบบ่อยที่สุดสี่ประเภท ได้แก่ อุปกรณ์เอาต์พุตแบบอะนาล็อก อุปกรณ์อินเทอร์เฟซดิจิทัล เซ็นเซอร์อุณหภูมิระยะไกล และเซ็นเซอร์ที่มีฟังก์ชันตัวควบคุมอุณหภูมิ (สวิตช์อุณหภูมิ) อุปกรณ์เอาท์พุตแบบอะนาล็อก (โดยปกติจะเป็นเอาท์พุตแรงดันไฟฟ้า แต่บางตัวก็มีเอาท์พุตกระแสด้วย) ส่วนใหญ่จะเหมือนกับโซลูชันแบบพาสซีฟเมื่อต้องใช้ ADC เพื่อแปลงสัญญาณเอาท์พุตให้เป็นดิจิทัล อุปกรณ์อินเทอร์เฟซแบบดิจิทัลส่วนใหญ่ใช้อินเทอร์เฟซแบบสายสองแบบ (12C หรือ PMBus) และมี ADC ในตัว นอกเหนือจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิในพื้นที่แล้ว เซ็นเซอร์อุณหภูมิระยะไกลยังมีอินพุตอย่างน้อยหนึ่งช่องสำหรับตรวจสอบอุณหภูมิไดโอดระยะไกล ซึ่งโดยทั่วไปจะวางไว้ในไอซีดิจิทัลที่มีการบูรณาการสูง (เช่น โปรเซสเซอร์หรืออาร์เรย์เกทโปรแกรมฟิลด์ (FPGA)) เมื่อถึงเกณฑ์อุณหภูมิ เทอร์โมสตัทสามารถส่งสัญญาณเตือนแบบธรรมดาได้ การใช้เซ็นเซอร์ IC มีประโยชน์หลายประการ ได้แก่: การใช้พลังงานต่ำ; สามารถจัดหาผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก (บางขนาดเล็กถึง 0.8mmx0.8mm) ต้นทุนอุปกรณ์ต่ำสามารถทำได้ในบางแอปพลิเคชัน