Ce este un senzor de temperatură?

Un senzor de temperatură este un dispozitiv care măsoară cât de cald sau rece este un obiect, oferind o măsurare a temperaturii printr-un semnal electric într-o formă lizibilă. Cele mai comune sunt termocuplurile și detectoarele de temperatură cu rezistență termică.

Senzori de temperatura apei

Senzor de temperatură din China

Tipuri de senzori de temperatură pentru centre de date

Există patru senzori principali de temperatură folosiți astăzi în electronice moderne: Coeficient de temperatură negativ (NTC) termistori, Detectoare de temperatură de rezistență (RTD-uri), Termocuple, și integrat bazat pe semiconductor (IC) senzori.
Un senzor de temperatură este un dispozitiv, de obicei, un termocuplu sau un detector de temperatură cu rezistență, care oferă măsurarea temperaturii într-o formă lizibilă printr-un semnal electric.
Un termometru este forma cea mai de bază a unui contor de temperatură care este folosit pentru a măsura gradul de căldură și răcoare.

Contoarele de temperatură sunt folosite în domeniul geotehnic pentru monitorizarea betonului, structurilor, sol, apă, poduri, etc. pentru schimbările structurale din cauza variațiilor sezoniere.
Un termocuplu (T/C) este realizat din două metale diferite care generează o tensiune electrică direct proporțional cu schimbarea temperaturii. Un RTD (Detector de temperatură cu rezistență) este un rezistor variabil care își modifică rezistența electrică direct proporțional cu modificarea temperaturii într-un mod precis, repetabil, și în mod aproape liniar.

În viața noastră de zi cu zi, ar trebui să vedem adesea termometre, încălzitoare de apă, cuptoare cu microunde, frigidere, etc. Acestea vor fi aplicate unui dispozitiv important – senzorul de temperatură. Acest articol vă va prezenta senzorii de temperatură, principiile senzorilor de temperatură, și tipuri de senzori de temperatură.

Tip senzor de temperatură:
În aplicații practice, există mulți senzori de temperatură disponibili, cu caracteristici diferite în funcţie de aplicaţia efectivă. Senzorii de temperatură constau din două tipuri fizice de bază:
1. Tip senzor de temperatură de contact
Aceste tipuri de senzori de temperatură necesită contact fizic cu obiectul detectat și folosesc conducție pentru a monitoriza schimbările de temperatură. Ele pot fi folosite pentru a detecta solide, lichide sau gaze într-un interval larg de temperatură.

2. Tip senzor de temperatură fără contact
Aceste tipuri de senzori de temperatură folosesc convecția și radiația pentru a monitoriza schimbările de temperatură. Ele pot fi utilizate pentru a detecta lichide și gaze care emit energie radiantă pe măsură ce căldura crește și frigul se instalează la fund în curenții de convecție, sau pentru a detecta energia radiantă transmisă de obiecte sub formă de radiație infraroșie (soare).
Senzorii de temperatură de contact și fără contact sunt clasificați în continuare în următorii senzori de temperatură.

Principiul senzorului de temperatură:
1. Termostat
Un termostat este un senzor de temperatură de contact care constă dintr-o bandă bimetală realizată din două metale diferite, precum aluminiul, cupru, nichel, sau tungsten.

Diferența dintre coeficienții de dilatare liniară ai celor două metale le determină să sufere mișcări mecanice de îndoire atunci când sunt încălzite.

Poza reală a termostatului

2. Termostat bimetal
Un termostat este format din două metale cu niveluri diferite de căldură lipite împreună spate în spate. Când vremea este rece, contactele se închid și curentul curge prin termostat. Pe măsură ce se încălzește, un metal se extinde mai mult decât celălalt, iar benzile bimetalice lipite se îndoaie în sus (sau în jos), deschiderea contactelor și împiedicarea fluxului de energie electrică.

Imagine fizică a termostatului bimetal

Există două tipuri principale de benzi bimetalice, bazate în primul rând pe mișcarea lor atunci când sunt supuse schimbărilor de temperatură. Există tipuri de „acțiune rapidă” care produc o acțiune instantanee de tip „pornit/oprit” sau „oprit/pornit” asupra contactelor electrice la un punct de temperatură stabilit, și tipuri mai lente de „fluxare” care își schimbă treptat poziția pe măsură ce temperatura se schimbă .
Schema principiului de funcționare a termostatului bimetal

Termostatele cu acțiune rapidă sunt utilizate în mod obișnuit în casele noastre pentru a controla punctele de setare ale temperaturii cuptoarelor, fiare de călcat, rezervoare de apă caldă de imersie, și pot fi găsite și pe pereți pentru a controla sistemele de încălzire a locuinței.

Tipurile de șenile constau în mod obișnuit din bobine bimetalice sau spirale care se desfășoară sau se bobină încet pe măsură ce temperatura se schimbă. În general vorbind, benzile bimetalice în stil crawler sunt mai sensibile la schimbările de temperatură decât tipurile standard de pornire/oprire, deoarece benzile sunt mai lungi și mai subțiri, făcându-le ideale pentru utilizarea pe termometre și cadrane, etc.

3. Termistor
Termistorii sunt de obicei fabricați din materiale ceramice, precum nichelul, oxizi de mangan sau cobalt placați în sticlă, ceea ce le face ușor deteriorate. Principalul lor avantaj față de tipurile cu acțiune rapidă este cât de repede răspund la orice schimbări de temperatură, precizie și repetabilitate.

Majoritatea termistorilor au un coeficient de temperatură negativ (NTC), ceea ce înseamnă că rezistența lor scade pe măsură ce temperatura crește. Cu toate acestea, există unele termistoare care au un coeficient de temperatură pozitiv (PTC) iar rezistența lor crește odată cu temperatura.

Imagine fizică a termistorului

Termistorii sunt evaluați în funcție de rezistența lor la temperatura camerei (de obicei 25 o C), constanta lor de timp (timpul necesar pentru a reacţiona la o schimbare de temperatură), și puterea lor nominală în raport cu curentul care curge prin ele. Ca niște rezistențe, termistorii au valori de rezistență la temperatura camerei variind de la 10 megaohmi la câțiva ohmi, dar în scopuri de detectare sunt utilizate de obicei acele tipuri măsurate în kiloohmi.

4. Exemplu de senzor de temperatură nr.1
Valoarea rezistenței următorului termistor la 25℃ este 10KΩ, iar valoarea rezistenței la 100℃ este 100Ω. Calculați căderea de tensiune pe termistor atunci când este plasat în serie cu un rezistor de 1kΩ pentru a calcula tensiunea de ieșire (Vout) pe alimentarea de 12 V la ambele temperaturi.
Exemplu de diagramă a senzorului de temperatură

Prin modificarea valorii fixe a rezistenței R2 (1kΩ în exemplul nostru) la un potențiometru sau o valoare prestabilită, o ieșire de tensiune poate fi obținută la un punct de referință de temperatură predeterminat, de exemplu o ieșire de 5v la 60°C. Și prin schimbarea potențiometrului pentru a obține un anumit nivel de tensiune de ieșire, acesta poate fi obținut într-un interval mai larg de temperatură.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că termistorii sunt dispozitive neliniare, iar valorile standard de rezistență ale diferitelor termistoare la temperatura camerei sunt diferite, în principal pentru că sunt realizate din materiale semiconductoare. Termistorii se modifică exponențial cu temperatura și, prin urmare, au o constantă de temperatură Beta (b) care poate fi folosit pentru a calcula rezistența la orice punct de temperatură dat.

Cu toate acestea, atunci când este utilizat cu rezistențe în serie, cum ar fi într-o rețea de divizor de tensiune sau un aranjament de tip pod Wheatstone. Curentul obținut ca răspuns la tensiunea aplicată rețelei divizor de tensiune/punte este liniar cu temperatura. Tensiunea de ieșire pe rezistor crește apoi liniar cu temperatura.