مجسات درجة الحرارة - أنواعها وعملها وتشغيلها

مجسات درجة الحرارة - أنواعها وعملها وتشغيلها

درجة الحرارة هي الكمية البيئية التي يتم قياسها غالبًا. قد يكون هذا متوقعًا نظرًا لأن معظم الأنظمة الفيزيائية والإلكترونية والكيميائية والميكانيكية والبيولوجية تتأثر بدرجة الحرارة. تؤدي بعض التفاعلات الكيميائية والعمليات البيولوجية وحتى الدوائر الإلكترونية أفضل أداء ضمن نطاقات درجات حرارة محدودة. تعد درجة الحرارة من أكثر المتغيرات التي يتم قياسها شيوعًا ، وبالتالي فليس من المستغرب وجود طرق عديدة لاستشعارها. استشعار درجة الحرارة يمكن القيام به إما من خلال الاتصال المباشر بمصدر التسخين أو عن بعد ، دون الاتصال المباشر بالمصدر باستخدام الطاقة المشعة بدلاً من ذلك. هناك مجموعة متنوعة من أجهزة استشعار درجة الحرارة في السوق اليوم ، بما في ذلك المزدوجات الحرارية ، وكاشفات درجة حرارة المقاومة (RTDs) ، وأجهزة استشعار الحرارة ، وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء ، وأشباه الموصلات.



5 أنواع من مجسات درجة الحرارة

  • الحرارية : هو نوع من مستشعرات درجة الحرارة ، يتم تصنيعه من خلال ضم معدنين غير متماثلين في طرف واحد. يُشار إلى النهاية المرتبطة باسم التقاطع الساخن. يُشار إلى الطرف الآخر من هذه المعادن غير المتشابهة بالنهاية الباردة أو التقاطع البارد. يتكون الوصلة الباردة من النقطة الأخيرة من مادة المزدوجة الحرارية. إذا كان هناك اختلاف في درجة الحرارة بين الوصلة الساخنة والتقاطع البارد ، يتم إنشاء جهد صغير. يُشار إلى هذا الجهد على أنه EMF (القوة الدافعة الكهربائية) ويمكن قياسه واستخدامه بدوره للإشارة إلى درجة الحرارة.
الحرارية

الحرارية

  • RTD هو جهاز استشعار للحرارة تتغير مقاومته مع درجة الحرارة. عادة ما يتم تصنيعها من البلاتين ، على الرغم من أن الأجهزة المصنوعة من النيكل أو النحاس ليست غير شائعة ، يمكن أن تتخذ أجهزة RTD العديد من الأشكال المختلفة مثل لف السلك والأغشية الرقيقة. لقياس المقاومة عبر RTD ، استخدم تيارًا ثابتًا ، وقم بقياس الجهد الناتج ، وحدد مقاومة RTD. تظهر RTDs خطية إلى حد ما مقاومة منحنيات درجة الحرارة على مناطق التشغيل الخاصة بهم وأي غير خطية يمكن التنبؤ بها بشكل كبير وقابل للتكرار. تستخدم لوحة التقييم PT100 RTD مثبت السطح RTD لقياس درجة الحرارة. يمكن أيضًا ربط PT100 خارجي 2 أو 3 أو 4 أسلاك بقياس درجة الحرارة في المناطق النائية. RTDs متحيزة باستخدام مصدر تيار ثابت. لتقليل الحرارة الذاتية بسبب تبديد الطاقة ، يكون الحجم الحالي منخفضًا بشكل معتدل. الدائرة الموضحة في الشكل هي أن مصدر التيار الثابت يستخدم جهدًا مرجعيًا ومضخمًا واحدًا وترانزستور PNP.

تطبيقات قياس المقاومة





  • الثرمستورات : على غرار RTD ، الثرمستور هو جهاز استشعار لدرجة الحرارة تتغير مقاومته مع درجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن الثرمستورات مصنوعة من مواد أشباه الموصلات. يتم تحديد المقاومة بنفس طريقة RTD ، لكن الثرمستورات تظهر مقاومة غير خطية عالية مقابل منحنى درجة الحرارة. وبالتالي ، في نطاق تشغيل الثرمستورات ، يمكننا أن نرى تغيرًا كبيرًا في المقاومة لتغير صغير جدًا في درجة الحرارة. هذا يجعل الجهاز حساسًا للغاية ، ومثاليًا لتطبيقات نقطة التحديد.
  • أشباه الموصلات مجسات : يتم تصنيفها إلى أنواع مختلفة مثل خرج الجهد والإخراج الحالي والإخراج الرقمي والسيليكون الناتج المقاومة ومستشعرات درجة حرارة الصمام الثنائي. توفر مستشعرات درجة حرارة أشباه الموصلات الحديثة دقة عالية وخطية عالية على مدى تشغيل يبلغ حوالي 55 درجة مئوية إلى + 150 درجة مئوية. يمكن لمكبرات الصوت الداخلية قياس الإخراج إلى قيم ملائمة ، مثل 10mV / ° C. كما أنها مفيدة في دوائر تعويض الوصلات الباردة لمزدوجات حرارية ذات نطاق واسع من درجات الحرارة. فيما يلي تفاصيل موجزة حول هذا النوع من أجهزة استشعار درجة الحرارة.

ICs الاستشعار

هناك مجموعة متنوعة من الدوائر المتكاملة لمستشعر درجة الحرارة المتاحة لتبسيط أوسع نطاق ممكن من تحديات مراقبة درجة الحرارة. تختلف مستشعرات درجة حرارة السيليكون هذه اختلافًا كبيرًا عن الأنواع المذكورة أعلاه في طريقتين مهمتين. الأول هو نطاق درجة حرارة التشغيل. يمكن أن يعمل مستشعر درجة الحرارة IC على نطاق درجة حرارة IC الاسمي من -55 درجة مئوية إلى + 150 درجة مئوية. الاختلاف الرئيسي الثاني هو الوظيفة.


مستشعر درجة حرارة السيليكون عبارة عن دائرة متكاملة ، وبالتالي ، يمكن أن يشمل دوائر معالجة إشارة واسعة النطاق داخل نفس الحزمة مثل المستشعر. ليست هناك حاجة لإضافة دوائر تعويض لمستشعر درجة الحرارة ICS. بعض هذه الدوائر عبارة عن دوائر تمثيلية ذات جهد أو خرج تيار. ويجمع البعض الآخر بين دوائر الاستشعار التناظرية ومقارنات الجهد لتوفير وظائف التنبيه. تجمع بعض الدوائر المتكاملة للمستشعرات الأخرى بين دوائر الاستشعار التناظري والإدخال / الإخراج الرقمي و سجلات التحكم ، مما يجعلها حلاً مثاليًا للأنظمة القائمة على المعالجات الدقيقة.



يحتوي مستشعر الإخراج الرقمي عادةً على مستشعر درجة الحرارة ، ومحول من التناظرية إلى الرقمية (ADC) ، وواجهة رقمية بسلكين ، وسجلات للتحكم في تشغيل IC. يتم قياس درجة الحرارة باستمرار ويمكن قراءتها في أي وقت. إذا رغبت في ذلك ، يمكن للمعالج المضيف توجيه المستشعر لمراقبة درجة الحرارة وأخذ دبوس إخراج مرتفعًا (أو منخفضًا) إذا تجاوزت درجة الحرارة حدًا مبرمجًا. يمكن أيضًا برمجة درجة حرارة العتبة المنخفضة ويمكن إخطار المضيف عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون هذا الحد. وبالتالي ، يمكن استخدام مستشعر الإخراج الرقمي لمراقبة درجة الحرارة بشكل موثوق في الأنظمة القائمة على المعالجات الدقيقة.

جهاز استشعار درجة الحرارة

جهاز استشعار درجة الحرارة

يحتوي مستشعر درجة الحرارة أعلاه على ثلاثة أطراف ويتطلب بحد أقصى 5.5 فولت. يتكون هذا النوع من أجهزة الاستشعار من مادة تعمل وفقًا لدرجة الحرارة لتغيير المقاومة. يتم استشعار هذا التغيير في المقاومة بواسطة الدائرة وتحسب درجة الحرارة. عندما يزداد الجهد ترتفع درجة الحرارة أيضًا. يمكننا أن نرى هذه العملية باستخدام الصمام الثنائي.

أجهزة استشعار درجة الحرارة متصلة مباشرة بإدخال المعالجات الدقيقة وبالتالي فهي قادرة على الاتصال المباشر والموثوق مع المعالجات الدقيقة. يمكن لوحدة المستشعر التواصل بشكل فعال مع المعالجات منخفضة التكلفة دون الحاجة إلى محولات A / D.


مثال على مستشعر درجة الحرارة LM35 . سلسلة LM35 عبارة عن مستشعرات درجة حرارة لدائرة متكاملة دقيقة ، ويتناسب جهد خرجها خطيًا مع درجة الحرارة المئوية. يعمل LM35 عند -55 درجة مئوية إلى + 120 درجة مئوية.

يظهر مستشعر درجة الحرارة الأساسية (+ 2 درجة مئوية إلى + 150 درجة مئوية) في الشكل أدناه.

LM35

ميزات جهاز استشعار درجة الحرارة LM35:

  • معايرة مباشرة بدرجة حرارة مئوية (مئوية)
  • مصنفة للنطاق الكامل من 55 درجة مئوية إلى + 150 درجة مئوية
  • مناسب للتطبيقات البعيدة
  • تكلفة منخفضة بسبب التشذيب على مستوى الرقاقة
  • تعمل من 4 إلى 30 فولت
  • انخفاض التسخين الذاتي ،
  • ± 1/4 درجة مئوية من اللاخطية النموذجية

تشغيل LM35:

  • يمكن توصيل LM35 بسهولة بنفس طريقة توصيل مستشعرات درجة حرارة الدائرة المتكاملة الأخرى. يمكن أن يعلق أو يثبت على السطح وستكون درجة حرارته في حدود 0.01 درجة مئوية من درجة حرارة السطح.
  • يفترض هذا أن درجة حرارة الهواء المحيط هي نفسها درجة حرارة السطح تقريبًا إذا كانت درجة حرارة الهواء أعلى أو أقل بكثير من درجة حرارة السطح ، فإن درجة الحرارة الفعلية لقالب LM35 ستكون عند درجة حرارة متوسطة بين درجة حرارة السطح والهواء درجة الحرارة.

LM35-2أجهزة استشعار درجة الحرارة لها تطبيقات معروفة في التحكم البيئي والعمليات وأيضًا في الاختبار والقياس والاتصالات. درجة الحرارة الرقمية عبارة عن مستشعر يوفر قراءات درجة حرارة 9 بت. توفر مستشعرات درجة الحرارة الرقمية دقة دقيقة ممتازة ، وهي مصممة للقراءة من 0 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية ومن الممكن تحقيق دقة ± 0.5 درجة مئوية. تتوافق هذه المستشعرات تمامًا مع قراءات درجة الحرارة الرقمية بالدرجات المئوية.

  • مستشعرات درجة الحرارة الرقمية: تعمل مستشعرات درجة الحرارة الرقمية على التخلص من ضرورة وجود مكونات إضافية ، مثل محول A / D ، داخل التطبيق ولا توجد حاجة لمعايرة المكونات أو النظام عند درجات حرارة مرجعية محددة حسب الحاجة عند استخدام الثرمستورات. تتعامل مستشعرات درجة الحرارة الرقمية مع كل شيء ، مما يمكّن من تبسيط وظيفة مراقبة درجة حرارة النظام الأساسية.

تعتبر مزايا مستشعر درجة الحرارة الرقمي أساسية من خلال دقة خرجه بالدرجات المئوية. خرج المستشعر عبارة عن قراءة رقمية متوازنة. هذا لا يقصد به أي مكونات أخرى ، مثل المحول التناظري الرقمي وأبسط بكثير في الاستخدام من الثرمستور البسيط الذي يوفر مقاومة غير خطية مع تغير درجة الحرارة.

مثال على مستشعر درجة الحرارة الرقمي هو DS1621 ، والذي يوفر قراءة درجة حرارة 9 بت.

ميزات DS1621:

  1. لا توجد مكونات خارجية مطلوبة.
  2. يتم قياس نطاق درجة الحرارة من -55 درجة مئوية إلى + 125 درجة مئوية على فترات 0.5 درجة مئوية.
  3. يعطي قيمة درجة الحرارة كقراءة 9 بت.
  4. نطاق إمداد طاقة واسع (2.7 فولت إلى 5.5 فولت).
  5. يحول درجة الحرارة إلى كلمة رقمية في أقل من ثانية واحدة.
  6. الإعدادات الثرموستاتية يمكن تحديدها من قبل المستخدم وغير متطايرة.
  7. إنه DIP ذو 8 أسنان.

مستشعر درجة الحرارة الرقمي

دبوس الوصف:

  • SDA - إدخال / إخراج البيانات التسلسلية بسلكين.
  • SCL - الساعة التسلسلية ذات الأسلاك.
  • GND - الأرض.
  • TOUT - إشارة خرج الترموستات.
  • A0 - إدخال عنوان رقاقة.
  • A1 - إدخال عنوان الشريحة.
  • A2 - إدخال عنوان رقاقة.
  • VDD - جهد إمداد الطاقة.

عمل DS1621:

  • عندما تتجاوز درجة حرارة الجهاز درجة حرارة عالية يحددها المستخدم ، يكون الإخراج TOUT نشطًا. سيظل الإخراج نشطًا حتى تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون درجة الحرارة المنخفضة التي يحددها المستخدم.
  • يتم حفظ إعدادات درجة الحرارة التي يحددها المستخدم في ذاكرة غير متطايرة بحيث يمكن برمجتها قبل إدخالها في النظام.
  • يتم توفير قراءة درجة الحرارة في قراءة مكملة من 9 بت ، اثنان عن طريق إصدار أمر قراءة درجة الحرارة في البرمجة.
  • يتم استخدام الواجهة التسلسلية المكونة من سلكين للإدخال إلى DS16121 لإعدادات درجة الحرارة وإخراج قراءة درجة الحرارة من DS1621

دائرة استشعار درجة الحرارة الرقمية

مصدر الصورة: