Comparação das vantagens e desvantagens de quatro sensores de temperatura convencionais

Escolher produtos sensores de temperatura pode parecer uma questão trivial, mas devido à variedade de produtos disponíveis, esta tarefa pode ser bastante assustadora. Neste artigo, o autor apresentará quatro tipos de sensores de temperatura (detectores de temperatura de resistência (RTDs), termopares, termistores e sensores de circuito integrado (IC) com interfaces digitais e analógicas) e discutirá as vantagens e desvantagens de cada tipo de sensor.
Do ponto de vista do sistema, se um sensor de temperatura é adequado para sua aplicação dependerá da faixa de temperatura necessária, precisão, linearidade, custo da solução, funcionalidade, consumo de energia, tamanho da solução, método de instalação (método de montagem em superfície, método de inserção através do orifício e método de instalação externa da placa de circuito), bem como a facilidade de suporte ao projeto do circuito. IDT
Ao medir a resistência de um RTD enquanto altera sua temperatura, a resposta é quase linear, agindo como um resistor. Conforme mostrado na Figura 1, a curva de resistência do RTD não é completamente linear, mas possui alguns graus de desvio (mostrando uma linha reta usada como referência) - mas é altamente previsível e verificável. Para compensar esta ligeira não-linearidade, a maioria dos projetistas digitaliza os valores de resistência medidos e usa tabelas de consulta dentro dos microcontroladores para aplicar fatores de correção. A repetibilidade e a estabilidade dentro de uma ampla faixa de temperatura (aproximadamente -250 graus C a +750 graus C) tornam o RTD extremamente útil em aplicações de alta precisão, incluindo medição de temperatura de líquidos ou gases em tubulações e grandes contêineres .
A complexidade dos circuitos usados ​​para processar sinais analógicos RTD geralmente varia dependendo da aplicação. Componentes como amplificadores e conversores analógico-digitais (ADCs), que geram seus próprios erros, são indispensáveis. Forneça energia ao sensor apenas quando necessário para medição - você também pode obter operação de baixa potência através deste método, mas isso tornará o circuito muito mais complexo. Além disso, a energia necessária para ligar o sensor também aumenta a sua temperatura interna, afetando assim a precisão da medição. Com apenas alguns amperes de corrente, esse efeito de autoaquecimento gerará erros de temperatura (esses erros são corrigíveis, mas requerem consideração mais aprofundada). Além disso, lembre-se de que o custo dos RTDs de platina enrolados em fio ou RTDs de filme fino pode ser bastante alto, especialmente quando comparado ao custo dos sensores I.
Termistor
O termistor é outro tipo de sensor eletropositivo. Há uma variedade de termistores disponíveis, desde produtos econômicos até produtos de alta precisão. Termistores de baixo custo e baixa precisão podem executar funções simples de medição ou detecção de valor nacional - esses tipos de resistores requerem vários componentes (como comparadores, referência e resistores discretos), mas são muito baratos e possuem propriedades de temperatura de resistência não linear, conforme mostrado na Figura 2. Se você precisar medir uma ampla faixa de temperaturas, precisará realizar muito trabalho de linearização. Pode ser necessária a calibração de vários pontos de temperatura. Para obter maior precisão, um conjunto de termistores mais caro e com tolerância mais restrita pode ser usado para ajudar a resolver esse problema não linear, mas esse conjunto geralmente é menos sensível do que um único termistor.

Devido ao aumento da complexidade e do custo dos sistemas de múltiplos pontos de salto, os termistores de baixo custo geralmente são usados ​​apenas para aplicações com requisitos funcionais mínimos, incluindo torradeiras, cafeteiras, geladeiras e secadores de cabelo. Além disso, os termistores também sofrem de problemas de autoaquecimento (geralmente em temperaturas mais altas, quando sua resistência é menor). Tal como acontece com os RTDs, a causa raiz de não ser possível usar termistores em tensões de baixa potência ainda não foi identificada - mas lembre-se de que quanto menor a saída em escala total, menor será a sensibilidade do sistema que ele converte diretamente com base no características dos conversores analógico-digitais (ADCs). As aplicações de baixa potência também precisam aumentar a complexidade do circuito para serem altamente sensíveis a erros causados ​​por ruído. Os termistores podem operar na faixa de temperatura de -100 graus C a +500C, embora a maioria dos termistores tenha uma faixa de temperatura operacional máxima nominal de +100 graus C a +150 termopares graus C
Um termopar inclui uma junção de dois fios feitos de materiais diferentes. Por exemplo, o termopar do tipo a) é feito de ferro e Constantan. Conforme mostrado na Figura 3, o contato 1 está localizado na temperatura a ser medida, enquanto o contato 2 e o contato 3 são colocados em diferentes temperaturas medidas usando sensores de temperatura analógicos LM35. A tensão de saída é aproximadamente proporcional à diferença entre esses dois valores de temperatura.
Como a sensibilidade dos termopares é bastante baixa (da ordem de dezenas de microvolts por grau Celsius), você precisará de um amplificador de baixo deslocamento para gerar uma tensão de saída utilizável. Dentro da faixa de trabalho dos termopares, a não linearidade na função de transferência de temperatura para tensão geralmente requer circuitos de compensação ou tabelas de consulta, assim como RTDs e termopares. No entanto, apesar destas desvantagens, os termopares ainda são muito populares, especialmente adequados para fornos, aquecedores de água, fornos, equipamentos de teste e outros tratamentos industriais - porque a qualidade térmica dos termopares é muito baixa, e a faixa de temperatura de trabalho (que pode ser estendida acima de 2.300 graus) é muito amplo:
Sensor IC
Os sensores IC podem operar dentro de uma faixa de temperatura de {{0}} graus C a+150 graus C - selecionado|Os sensores C podem operar até +200 grau C. Existem vários tipos de sensores IC integrados, mas os quatro sensores IC integrados mais comuns são dispositivos de saída analógica, dispositivos de interface digital, sensores remotos de temperatura e aqueles com funções de controlador de temperatura (interruptores de temperatura). Dispositivos de saída analógica (geralmente saída de tensão, mas alguns também têm saída de corrente) são mais parecidos com soluções passivas quando exigem ADC para digitalizar o sinal de saída. Os dispositivos de interface digital geralmente usam interfaces de dois fios (12C ou PMBus) e possuem ADCs integrados. Além de um sensor de temperatura local, os sensores de temperatura remotos também possuem uma ou mais entradas para monitorar a temperatura remota do diodo - eles são mais comumente colocados em CIs digitais altamente integrados (como processadores ou matrizes de portas programáveis ​​em campo (FPGAs)). Quando o limite de temperatura é atingido, o termostato pode fornecer um alarme simples. Há muitos benefícios no uso de sensores IC, incluindo: baixo consumo de energia; Pode fornecer produtos de embalagens pequenas (alguns tamanhos tão pequenos quanto 0,8 mm x 0,8 mm); Baixos custos de dispositivos também podem ser alcançados em determinadas aplicações.