Šta je temperaturni senzor?

Senzor temperature je uređaj koji mjeri koliko je neki predmet vruć ili hladan, pružanje mjerenja temperature putem električnog signala u čitljivom obliku. Najčešći su termoparovi i detektori temperature termičkih otpornika.

Senzori temperature vode

Kina temperaturni senzor

Vrste temperaturnih senzora za podatkovne centre

Postoje četiri glavna temperaturna senzora koja se danas koriste u modernoj elektronici: Negativni temperaturni koeficijent (NTC) termistori, otporni temperaturni detektori (RTDs), termoelementi, i integrirani na bazi poluvodiča (IC) senzori.
Senzor temperature je uređaj, tipično, termoelement ili otporni temperaturni detektor, koji omogućava mjerenje temperature u čitljivom obliku putem električnog signala.
Termometar je najosnovniji oblik mjerača temperature koji se koristi za mjerenje stepena topline i hladnoće.

Merači temperature se koriste u geotehničkoj oblasti za praćenje betona, strukture, tlo, vode, mostovi, itd. za strukturne promjene zbog sezonskih varijacija.
Termopar (T/C) je napravljen od dva različita metala koji stvaraju električni napon u direktnoj proporciji s promjenom temperature. An RTD (Otporni temperaturni detektor) je varijabilni otpornik koji mijenja svoj električni otpor u direktnoj proporciji s promjenom temperature u preciznom, ponovljivo, i skoro linearno.

U našem svakodnevnom životu, često bismo trebali vidjeti termometre, bojleri, mikrotalasne pećnice, frižideri, itd. Oni će se primijeniti na važan uređaj – senzor temperature. Ovaj članak će vam predstaviti senzore temperature, principi senzora temperature, i vrste temperaturnih senzora.

Tip temperaturnog senzora:
U praktičnim primenama, postoji mnogo temperaturnih senzora dostupnih, sa različitim karakteristikama u zavisnosti od stvarne primene. Senzori temperature sastoje se od dva osnovna fizička tipa:
1. Tip kontaktnog temperaturnog senzora
Ovi tipovi temperaturnih senzora zahtijevaju fizički kontakt sa objektom koji se očitava i koriste provodljivost za praćenje promjena temperature. Mogu se koristiti za otkrivanje čvrstih materija, tečnosti ili gasove u širokom temperaturnom opsegu.

2. Tip senzora temperature bez kontakta
Ove vrste temperaturnih senzora koriste konvekciju i zračenje za praćenje promjena temperature. Mogu se koristiti za otkrivanje tekućina i plinova koji emituju energiju zračenja kako se toplina diže, a hladnoća taloži na dno u konvekcijskim strujama, ili da detektuju energiju zračenja koja se prenosi od objekata u obliku infracrvenog zračenja (sunce).
Kontaktni i beskontaktni temperaturni senzori se dalje klasificiraju u sljedeće temperaturne senzore.

Princip temperaturnog senzora:
1. Termostat
Termostat je kontaktni temperaturni senzor koji se sastoji od bimetalne trake napravljene od dva različita metala, kao što je aluminijum, bakar, nikla, ili volfram.

Razlika u koeficijentima linearne ekspanzije dva metala uzrokuje da se podvrgnu mehaničkim pokretima savijanja kada se zagriju.

Stvarna slika termostata

2. Bimetalni termostat
Termostat se sastoji od dva metala s različitim nivoima topline koji su zalijepljeni jedan uz drugi. Kada je hladno, kontakti se zatvaraju i struja teče kroz termostat. Dok se zagreva, jedan metal se širi više od drugog, a spojene bimetalne trake se savijaju prema gore (ili naniže), otvaranje kontakata i sprečavanje protoka električne energije.

Fizička slika bimetalnog termostata

Postoje dvije glavne vrste bimetalnih traka, zasnovani prvenstveno na njihovom kretanju kada su podvrgnuti temperaturnim promjenama. Postoje tipovi "snap-action" koji proizvode trenutnu akciju tipa "on/off" ili "off/on" na električnim kontaktima na zadanoj temperaturi, i sporiji tipovi "puzanja" koji postepeno mijenjaju svoj položaj kako se temperatura mijenja .
Dijagram principa rada bimetalnog termostata

Termostati sa brzim djelovanjem se obično koriste u našim domovima za kontrolu zadane temperature pećnica, pegle, uronjeni rezervoari za toplu vodu, a mogu se naći i na zidovima za kontrolu sistema kućnog grijanja.

Tipovi gusjenica se obično sastoje od bimetalnih zavojnica ili spirala koje se polako razvijaju ili namotaju kako se temperatura mijenja. Uopšteno govoreći, Bimetalne trake u obliku gusjenica su osjetljivije na temperaturne promjene od standardnih tipova za uključivanje/isključivanje jer su trake duže i tanje, što ih čini idealnim za upotrebu na termometrima i brojčanicima, itd.

3. Termistor
Termistori se obično izrađuju od keramičkih materijala, kao što je nikl, oksidi mangana ili kobalta prekriveni staklom, što ih čini lako oštećenim. Njihova glavna prednost u odnosu na tipove sa brzim djelovanjem je koliko brzo reagiraju na bilo kakve promjene temperature, tačnost i ponovljivost.

Većina termistora ima negativan temperaturni koeficijent (NTC), što znači da njihov otpor opada kako temperatura raste. Međutim, postoje neki termistori koji imaju pozitivan temperaturni koeficijent (PTC) a njihov otpor raste sa temperaturom.

Fizička slika termistora

Termistori su ocijenjeni na osnovu njihovog otpora na sobnoj temperaturi (obično 25 o C), njihova vremenska konstanta (vrijeme koje je potrebno da se reaguje na promjenu temperature), i njihovu snagu u odnosu na struju koja teče kroz njih. Kao otpornici, termistori imaju vrijednosti otpora na sobnoj temperaturi u rasponu od 10 megooma do nekoliko oma, ali za potrebe senzora obično se koriste one vrste mjerene u kiloomima.

4. Primjer senzora temperature br.1
Vrijednost otpora sljedećeg termistora na 25℃ je 10KΩ, a vrijednost otpora na 100℃ je 100Ω. Izračunajte pad napona na termistoru kada je postavljen u seriju sa otpornikom od 1kΩ da biste izračunali izlazni napon (Vout) preko 12v napajanja na obje temperature.
Primjer dijagrama senzora temperature

Promjenom fiksne vrijednosti otpornika R2 (1kΩ u našem primjeru) na potenciometar ili unapred podešenu vrednost, izlazni napon se može dobiti na unaprijed određenoj zadanoj temperaturi, na primjer izlaz od 5V na 60°C. A promjenom potenciometra kako bi se dobio određeni nivo izlaznog napona može se postići u širem temperaturnom rasponu.

Međutim, treba napomenuti da su termistori nelinearni uređaji, a standardne vrijednosti otpora različitih termistora na sobnoj temperaturi su različite, uglavnom zato što su napravljeni od poluvodičkih materijala. Termistori se eksponencijalno mijenjaju s temperaturom i stoga imaju konstantu Beta temperature (b) koji se može koristiti za izračunavanje otpora na bilo kojoj temperaturi.

Međutim, kada se koristi sa serijskim otpornicima, kao što je u mreži razdjelnika napona ili aranžman tipa Wheatstone mosta. Struja dobijena kao odgovor na napon primijenjen na mrežu razdjelnika napona/most je linearna s temperaturom. Izlazni napon na otporniku tada linearno raste s temperaturom.