Un sensor que utiliza las leyes de diversas propiedades físicas de la materia para cambiar con la temperatura y convertir la temperatura en electricidad. Estas propiedades físicas que cambian regularmente son principalmente físicas. Los sensores de temperatura son la parte central de los instrumentos de medición de temperatura y existen en muchas variedades. Según el método de medición, se puede dividir en dos categorías: tipo de contacto y tipo sin contacto. Según las características de los materiales del sensor y los componentes electrónicos, se puede dividir en dos categorías: resistencia térmica y termopar.
Sensor de temperatura de contacto
La parte de detección del sensor de temperatura de contacto tiene buen contacto con el objeto que se está midiendo y también se llama termómetro. Sensor de temperatura
El termómetro alcanza el equilibrio térmico mediante conducción o convección, de modo que el valor de indicación del termómetro puede representar directamente la temperatura del objeto medido. Generalmente, la precisión de la medición es mayor. Dentro de un determinado rango de medición de temperatura, el termómetro también puede medir la distribución de temperatura dentro del objeto. Sin embargo, se producirán grandes errores de medición para objetos en movimiento, objetivos pequeños u objetos con pequeña capacidad calorífica. Los termómetros de uso común incluyen termómetros bimetálicos, termómetros de líquido en vidrio, termómetros de presión, termómetros de resistencia, termistores y termopares, etc. Son ampliamente utilizados en la industria, la agricultura, el comercio y otros sectores. La gente suele utilizar estos termómetros en la vida diaria. Con la amplia aplicación de la tecnología criogénica en ingeniería de defensa, tecnología espacial, metalurgia, electrónica, alimentos, medicina y petroquímica y la investigación de tecnología superconductora, se han desarrollado termómetros criogénicos para medir temperaturas inferiores a 120 K, como termómetros criogénicos de gas, presión de vapor. termómetro, termómetro acústico, termómetro de sal paramagnético, termómetro cuántico, resistencia térmica de baja temperatura y termopar de baja temperatura, etc. Los termómetros de baja temperatura requieren elementos sensores de temperatura pequeños, alta precisión, buena reproducibilidad y estabilidad. La resistencia térmica de vidrio cementado, que se fabrica carburando y sinterizando vidrio poroso con alto contenido de sílice, es un elemento sensor de temperatura de un termómetro de baja temperatura y se puede utilizar para medir temperaturas en el rango de 1,6 a 300 K.
Editar este párrafo Sensor de temperatura sin contacto
Su elemento sensible no entra en contacto con el objeto medido, también conocido como instrumento de medición de temperatura sin contacto. Este instrumento se puede utilizar para medir la temperatura de la superficie de objetos en movimiento, objetivos pequeños y objetos con pequeña capacidad calorífica o cambios rápidos de temperatura (transitorios). También se puede utilizar para medir la distribución de temperatura del campo de temperatura. Sensor de temperatura
El instrumento de medición de temperatura sin contacto más utilizado se basa en la ley básica de la radiación del cuerpo negro y se llama termómetro de radiación. La termometría por radiación incluye el método de brillo (ver pirómetro óptico), el método de radiación (ver pirómetro de radiación) y el método colorimétrico (ver termómetro colorimétrico). Varios métodos de medición de la temperatura de radiación solo pueden medir la temperatura fotométrica, la temperatura de radiación o la temperatura colorimétrica correspondientes. Sólo la temperatura medida para un cuerpo negro (un objeto que absorbe toda la radiación y no refleja la luz) es la temperatura verdadera. Si desea medir la temperatura real de un objeto, debe corregir la emisividad de la superficie del material. La emisividad superficial de un material no sólo depende de la temperatura y la longitud de onda, sino que también está relacionada con el estado de la superficie, la película de recubrimiento y la microestructura, por lo que es difícil medirla con precisión. En la producción automatizada, a menudo es necesario utilizar termometría de radiación para medir o controlar la temperatura de la superficie de ciertos objetos, como la temperatura de laminado de la banda de acero, la temperatura del rodillo, la temperatura de forjado en metalurgia y la temperatura de varios metales fundidos en hornos de fundición o crisoles. . En estos casos específicos, la medición de la emisividad superficial es bastante difícil. Para la medición y el control automáticos de la temperatura de la superficie sólida, se pueden utilizar reflectores adicionales para formar una cavidad de cuerpo negro junto con la superficie medida. La influencia de radiación adicional puede aumentar la radiación efectiva y el coeficiente de emisión efectivo de la superficie medida. El coeficiente de emisión efectivo se utiliza para corregir la temperatura medida en consecuencia a través del instrumento y, finalmente, se puede obtener la temperatura real de la superficie medida. El reflector adicional más típico es un reflector hemisférico. La radiación difusa en la superficie medida cerca del centro de la bola puede reflejarse hacia la superficie mediante el espejo hemisférico para formar radiación adicional, aumentando así el coeficiente de emisión efectivo. En la fórmula, ε es la emisividad de la superficie del material y ρ es. la reflectividad del espejo. En cuanto a la medición de la radiación de la temperatura real de medios gaseosos y líquidos, se puede utilizar el método de insertar un tubo de material resistente al calor hasta una cierta profundidad para formar una cavidad de cuerpo negro. El coeficiente de emisión efectivo de la cavidad cilíndrica después de alcanzar el equilibrio térmico con el medio se obtiene mediante cálculo. En la medición y el control automáticos, este valor se puede utilizar para corregir la temperatura medida del fondo de la cavidad (es decir, la temperatura del medio) para obtener la temperatura real del medio.
Ventajas de la medición de temperatura sin contacto: El límite superior de medición no está limitado por la resistencia a la temperatura del elemento sensor de temperatura, por lo que en principio no hay límite para la temperatura máxima medible. Para altas temperaturas superiores a 1800°C, se utilizan principalmente métodos de medición de temperatura sin contacto. Con el desarrollo de la tecnología infrarroja, los sensores de temperatura de medición de temperatura por radiación se expanden gradualmente desde la luz visible hasta los rayos infrarrojos. Se han utilizado desde temperaturas inferiores a 700 °C hasta temperatura ambiente, y la resolución es muy alta.
Editar este párrafo Termopar
Principio de funcionamiento
Cuando hay dos conductores y semiconductores diferentes A y B formando un bucle, cuyos dos extremos están conectados a entre sí, siempre que las temperaturas en los dos nodos sean diferentes, la temperatura en un extremo es T, que se llama extremo de trabajo o extremo caliente, y la temperatura en el otro extremo es TO, que se llama extremo libre ( también llamado extremo de referencia) o extremo frío, luego se devuelve el sensor de temperatura
Se genera corriente en el circuito, como se muestra en la Figura 2-1(a), es decir, la fuerza electromotriz existente en el circuito se llama fuerza electromotriz térmica. Este fenómeno de fuerza electromotriz generada debido a diferencias de temperatura se llama efecto Seebeck. Hay dos efectos relacionados con Seebeck: primero, cuando una corriente fluye a través de la conexión de dos conductores diferentes, se absorbe o libera calor (dependiendo de la dirección de la corriente), lo que se llama efecto Peltier, segundo, cuando fluye una corriente; Fluye a través de un conductor con un gradiente de temperatura, el conductor absorbe o libera calor (dependiendo de la dirección de la corriente en relación con el gradiente de temperatura), lo que se denomina efecto Thomson. Una combinación de dos conductores o semiconductores diferentes se llama termopar. El potencial termoeléctrico EAB(T, T0) del termopar se sintetiza a partir del potencial de contacto y la diferencia de potencial de temperatura. El potencial de contacto se refiere al potencial generado en el punto de contacto entre dos conductores o semiconductores diferentes. Este potencial está relacionado con las propiedades de los dos conductores o semiconductores y la temperatura en el punto de contacto. El potencial termoeléctrico se refiere al potencial generado por un mismo conductor o semiconductor en dos extremos con diferentes temperaturas. Este potencial solo está relacionado con las propiedades del conductor o semiconductor y las temperaturas en ambos extremos, y no tiene nada que ver con la longitud transversal. -tamaño de la sección del conductor, o la distribución de temperatura a lo largo de su longitud. Tanto el potencial de contacto como el potencial termoeléctrico son potenciales generados por la diferente cantidad de electrones concentrados en los puntos finales del contacto. El potencial termoeléctrico medido por el termopar es una combinación de los dos. Cuando se desconecta el bucle, hay una diferencia de fuerza electromotriz ΔV entre los puntos de desconexión a y b, y su polaridad y magnitud son consistentes con la fuerza electromotriz térmica en el bucle, como se muestra en la Figura 2-1(b). Y se estipula que en el extremo frío, cuando la corriente fluye de A a B, A se llama electrodo positivo y B es electrodo negativo. Los experimentos muestran que cuando △V es muy pequeño, △V es directamente proporcional a △T. El potencial termoeléctrico diferencial de △V frente a △T se define como la tasa de potencial termoeléctrico, también conocida como coeficiente de Seebeck. El signo y la magnitud del coeficiente de Seebeck dependen de las propiedades termoeléctricas de los dos conductores que forman el termopar y de la diferencia de temperatura en la unión.
Tipos
Actualmente, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) recomienda 8 tipos de termopares como termopares estandarizados, a saber, tipo T, tipo E, tipo J, tipo K, tipo N, B. tipo, tipo R y tipo S.
Editar esta sección Resistencia térmica
Propiedades del material
El valor de resistencia del conductor cambia con el cambio de temperatura. Se puede deducir la temperatura del objeto medido. Al medir su valor de resistencia, el sensor de temperatura construido utilizando este principio es un sensor de temperatura de resistencia. Este sensor se utiliza principalmente para medir la temperatura en el rango de temperatura de -200-500 °C. El metal puro es el principal material de fabricación de la resistencia térmica. El material de la resistencia térmica debe tener las siguientes características: ①El coeficiente de temperatura de la resistencia debe ser grande y estable, y debe haber una buena relación lineal entre el valor de la resistencia y la temperatura. ②Alta resistividad, pequeña capacidad calorífica y velocidad de reacción rápida. ③El material tiene buena reproducibilidad y procesabilidad y el precio es bajo. Características de temperatura del termistor ④Las propiedades químicas y físicas son estables dentro del rango de medición de temperatura. En la actualidad, el platino y el cobre son los más utilizados en la industria y se han convertido en resistencias térmicas estándar para medir la temperatura.
Resistencia del platino
La relación entre la resistencia del platino y la temperatura es casi lineal (como se muestra a la derecha) en el rango de 0 ~ 630,74 ℃, se puede expresar mediante el La siguiente fórmula Rt = R0 (1 en Bt2) en el rango de -190 ~ 0 ℃ es Rt = R0 (1 en Bt2 + Ct3).
En la fórmula: RO y Rt son los valores de resistencia de las resistencias de platino a temperaturas 0° y t°, t es cualquier temperatura, A, B y C son coeficientes de temperatura, determinados mediante experimentos, A=3,9684×10-3 /℃, B= -5,847×10-7/℃2, C=-4,22×10-l2/℃3. Se puede ver en la fórmula que el sensor de temperatura
Cuando el valor R0 es diferente, a la misma temperatura, su valor Rt también es diferente.
Resistencia de cobre
Cuando la precisión de la medición de temperatura no es alta y el rango de medición de temperatura es relativamente pequeño, se pueden usar resistencias de cobre para fabricar materiales de resistencia térmica en lugar de resistencias de platino. En el rango de temperatura de -50 a 150 °C, la resistencia del cobre tiene una relación lineal con la temperatura. La expresión de la relación entre la resistencia y la temperatura es Rt=R0(1 At)(2-3) donde A=4,25×10-. 3 ~4.28×10-3℃ es el coeficiente de temperatura de resistencia del cobre.
Edite este párrafo para simular sensores de temperatura
Los sensores de temperatura analógicos tradicionales, como termopares, termistores y RTDS monitorean la temperatura, y sensores de temperatura lineales en algunos rangos de temperatura
p>
No es bueno, se requiere compensación de unión fría o compensación de cable; la inercia térmica es grande y el tiempo de respuesta es lento. En comparación con el sensor de temperatura analógico integrado, tiene las ventajas de alta sensibilidad, buena linealidad y velocidad de respuesta rápida. También integra el circuito de accionamiento, el circuito de procesamiento de señales y el circuito de control lógico necesario en un solo IC y tiene un pequeño valor real. Tamaño, fácil de usar y otras ventajas. Los sensores de temperatura analógicos comunes incluyen LM3911, LM335, LM45, tipo de salida de voltaje AD22103 y tipo de salida de corriente AD590. Aquí presentamos principalmente varios ejemplos típicos de este tipo de dispositivos. Sensor de temperatura AD590 AD590 es un sensor de temperatura de salida de corriente de American Analog Devices Company. El rango de voltaje de suministro es de 3 ~ 30 V, la corriente de salida es de 223 μA (-50 ℃) ~ 423 μA (150 ℃) y la sensibilidad es de 1 μA/℃. Cuando la resistencia de muestreo R se conecta en serie en el circuito, el voltaje a través de R se puede utilizar como voltaje de salida. Tenga en cuenta que la resistencia de R no puede ser demasiado grande para garantizar que el voltaje en ambos extremos del AD590 no sea inferior a 3 V. La distancia de transmisión de la señal de corriente de salida AD590 puede alcanzar más de 1 km. Como fuente de corriente de alta resistencia, hasta 20 MΩ, no tiene que tener en cuenta los errores causados por la resistencia adicional introducida por los interruptores selectores o los multiplexores CMOS. Adecuado para medición de temperatura multipunto y control remoto de medición de temperatura. Sensor de temperatura LM135/235/335 La serie LM135/235/335 es un sensor de temperatura integrado de alta precisión y fácil de corregir producido por National Semiconductor (NS). Sus características de funcionamiento son similares a las del sensor de temperatura integrado. Tubo regulador de voltaje Na. Esta serie de dispositivos tiene una sensibilidad de 10 mV/K, una impedancia dinámica de menos de 1 Ω, un rango de corriente operativa de 400 μA a 5 mA y una precisión de 1 ℃. El rango de temperatura del LM135 es de -55 ℃ ~ 150 ℃. el rango de temperatura de LM235 es -40 ℃ ~ 125 ℃, LM335 es -40 ℃ ~ 100 ℃. Las formas de embalaje incluyen TO-46, TO-92 y SO-8. Esta serie de dispositivos se utiliza ampliamente en medición de temperatura, medición de diferencia de temperatura y sistemas de compensación de temperatura.
Editar este párrafo Sensor de temperatura de salida lógica
En muchas aplicaciones, no necesitamos medir estrictamente el valor de temperatura, solo nos importa si la temperatura excede un rango establecido. la temperatura excede el rango especificado, se enviará una señal de alarma para encender o apagar el ventilador, el aire acondicionado, el calentador u otro equipo de control. En este caso, se puede utilizar un sensor de temperatura de salida lógica. LM56, MAX6501-MAX6504 y MAX6509/6510 son representantes típicos. Interruptor de temperatura LM56 LM56 es un interruptor de temperatura de bajo voltaje y alta precisión producido por NS Company, con una salida de voltaje de referencia incorporada de 1,25 V. Sólo puede transportar una carga máxima de 50 μA. El voltaje de la fuente de alimentación varía de 2,7 ~ 10 V, la corriente operativa máxima es 230 μA, la sensibilidad del sensor incorporado es 6,2 mV/℃ y el voltaje de salida del sensor es 6,2 mV/℃×T 395 mV.
MAX6501/02/03/04 interruptor de monitoreo de temperatura MAX6501/02/03/04 es un interruptor de dispositivo de monitoreo de temperatura con salida lógica y encapsulado SOT-23. Su diseño es muy simple: el usuario selecciona una temperatura cercana al control. necesita Umbral (preestablecido de fábrica de -45°C a 115°C, con un intervalo de valor preestablecido de 10°C). Se puede utilizar directamente conectándolo al circuito sin ningún componente externo. Entre sus sensores de temperatura
MAX6501/MAX6503 se encuentran salidas de alarma de bajo nivel de drenaje abierto, MAX6502/MAX6504 son salidas de alarma de alto nivel push/pull y MAX6501/MAX6503 proporcionan un umbral preestablecido de temperatura térmica (35 ℃ a 115 ℃), emitirá una alarma cuando la temperatura sea superior al umbral preestablecido; MAX6502/MAX6504 proporciona un umbral preestablecido de temperatura fría (-45 ℃ a 15 ℃) y emitirá una alarma cuando la temperatura sea inferior al umbral preestablecido. Es ideal para aplicaciones que requieren una simple alarma de exceso de temperatura pero tienen espacio limitado, como computadoras portátiles, teléfonos celulares, etc. El error de temperatura típico del dispositivo es ±0,5°C, máximo ±4°C, temperatura de histéresis Se puede seleccionar como 2 ℃ o 10 ℃ mediante pin para evitar la inestabilidad de salida cuando la temperatura está cerca del valor umbral. El rango de voltaje de funcionamiento de este tipo de dispositivo es de 2,7 V a 5,5 V y la corriente de funcionamiento típica es de 30 μA.
Edite este párrafo Sensor de temperatura digital
Sensor de temperatura digital MAX6575/76/77 Si se utiliza un sensor de temperatura con una interfaz digital, los problemas de diseño anteriores se simplificarán. De manera similar, cuando los pines A/D y E/S del microprocesador son escasos, los sensores de temperatura que utilizan salida de tiempo o frecuencia también pueden resolver los problemas de medición anteriores. Tomemos como ejemplo la serie MAX6575/76/77 de sensores de temperatura empaquetados SOT-23. Este tipo de dispositivo puede transmitir datos de temperatura a través de un solo cable y un microprocesador, proporcionando tres métodos de salida flexibles: frecuencia, período o sincronización, y tiene características típicas. precisión de ±0,8 °C, una línea permite conectar hasta 8 sensores, corriente de suministro típica de 150 μA y un amplio rango de voltaje de suministro de 2,7 V a 5,5 V y un rango de temperatura de -45 °C a 125 °C. La señal de onda cuadrada que emite tiene un período proporcional a la temperatura absoluta. Está empaquetada en un SOT-23 de 6 pines y ocupa solo una pequeña área de la placa. El dispositivo está conectado al microprocesador a través de una E/S y la temperatura se puede calcular después de medir el ciclo usando el contador dentro del microprocesador. Un sensor de temperatura digital que puede detectar múltiples puntos y generar cantidades digitales directamente DS1612 es un sensor de temperatura digital CMOS producido por Dallas Semiconductor Company en los Estados Unidos. Contiene dos memorias no volátiles, y los límites de temperatura superior e inferior se pueden configurar arbitrariamente en la memoria para controlar la temperatura del termostato. Dado que estas memorias no son volátiles, después de configurarlas una vez, aún se pueden usar de forma independiente. si no se utiliza la CPU. Principio y precisión de medición de temperatura del sensor DS1612: un oscilador (OSC1) con un coeficiente de temperatura de frecuencia de oscilación grande y un oscilador (OSC2) con un coeficiente de temperatura pequeño se configuran respectivamente en el chip. Cuando la temperatura es baja, debido a que OSC2 abre la puerta por un tiempo más corto, el valor de conteo del contador de medición de temperatura (n) es menor; cuando la temperatura es más alta, porque OSC2 abre la puerta por un tiempo más largo, su valor de conteo (m) aumenta. Si se agrega un dato de corrección que es diferente de la temperatura real al valor de conteo anterior, se puede formar un sensor de temperatura digital de alta precisión. La empresa establece este valor de corrección en la memoria no volátil del chip, de modo que la cantidad digital emitida por el sensor se pueda utilizar como datos de temperatura medidos reales sin necesidad de calibración. Su rango de temperatura medible es de -55 °C ~ 125 °C. En el rango de 0 °C ~ 70 °C, la precisión de la medición es de ±0,5 °C. El código de 9 bits de salida corresponde directamente a la temperatura. La comunicación de señales de control y datos entre DS1621 y circuitos externos se realiza a través de un bus bidireccional. La CPU genera pulsos de reloj en serie (SCL) y SDA es una línea de datos bidireccional. Se asignan ocho direcciones diferentes a cada dispositivo a través de los pines de dirección A0, A1 y A2.
Configure el modo de trabajo configurando el registro y controle el estado de trabajo. Los datos de temperatura medidos se almacenan en el registro del sensor de temperatura, y los registros de umbral de temperatura alta (TH) y baja temperatura (TL) almacenan el valor umbral de la salida del termostato (Tout). Hoy en día, las funciones de los distintos sensores de temperatura integrados son cada vez más especializadas. Por ejemplo, el MAX1619 lanzado recientemente por MAXIM es un sensor de temperatura digital remoto de precisión mejorada que puede monitorear la temperatura de la unión P-N remota y su propio paquete. Tiene salidas de alarma duales: ALERTA y OPINIÓN. ALERT se utiliza para indicar el estado de temperatura alta/baja de cada sensor. La señal OVERT es equivalente a un termostato automático, que se activa cuando el sensor de temperatura remoto excede el límite superior. MAX1619 es totalmente compatible con el software MAX1617A y es muy adecuado para. El apagado del sistema o el control del ventilador funcionan normalmente incluso después de un "bloqueo" del sistema. El DS1615 de Dallas Semiconductor Company en Estados Unidos es un sensor de temperatura con función de registro. El dispositivo contiene un reloj en tiempo real, un sensor de temperatura digital, una memoria no volátil, un circuito lógico de control y un circuito de interfaz serie. El rango de medición del sensor de temperatura digital es de -40 ℃ ~ 85 ℃, la precisión es de ± 2 ℃ y la resolución al leer 9 dígitos es 0,03125 ℃. El reloj proporciona la hora desde segundos hasta el año y el mes, corregida para los años bisiestos hasta 2100. El voltaje de la fuente de alimentación es de 2,2 V ~ 5,5 V, paquete SOIC de 8 pines. DS17775 es un circuito integrado de controlador de termostato y termómetro digital. Incluye un sensor de temperatura digital, un convertidor A/D, un registro digital, un comparador de control termostático y un circuito de interfaz serial de dos cables. La precisión de la medición de la temperatura cuando el voltaje de suministro es de 3 V a 5 V es de ±2 °C, la resolución al leer 9 bits es de 0,5 °C y la resolución al leer 13 bits es de 0,03125 °C.
Editar este párrafo Tendencia de desarrollo
Los tres fundamentos de la tecnología de la información moderna son la recopilación de información (es decir, tecnología de sensores), la transmisión de información (tecnología de la comunicación) y el procesamiento de la información (tecnología informática). Los sensores son productos de última generación en tecnología de la información. Los sensores de temperatura, en particular, se utilizan ampliamente en la producción industrial y agrícola, en la investigación científica y en la vida cotidiana. Su número ocupa el primer lugar entre todos los sensores. El desarrollo de sensores de temperatura ha pasado aproximadamente por las siguientes tres etapas: (1) sensores de temperatura discretos tradicionales (incluidos componentes sensibles); (2) sensores/controladores de temperatura analógicos integrados; (3) sensores de temperatura inteligentes. Se están desarrollando nuevos sensores de temperatura en el mundo, desde lo analógico a lo digital, desde la integración hasta la inteligencia y la conexión en red. Los primeros sensores de temperatura inteligentes lanzados a mediados de la década de 1990 utilizaban un convertidor A/D de 8 bits, que tenía una precisión de medición de temperatura baja y una resolución de sólo 1°C. Los países extranjeros han introducido sucesivamente una variedad de sensores de temperatura inteligentes de alta precisión y alta resolución, que utilizan convertidores A/D de 9 a 12 bits, y la resolución generalmente puede alcanzar 0,5 a 0,0625 °C. El sensor de temperatura inteligente de alta resolución DS1624 desarrollado recientemente por la empresa estadounidense DALLAS Semiconductor Company puede generar datos binarios de 13 bits, con una resolución de hasta 0,03125 °C y una precisión de medición de temperatura de ±0,2 °C. Para mejorar la tasa de conversión de los sensores de temperatura inteligentes multicanal, algunos chips también utilizan convertidores A/D de aproximación sucesiva de alta velocidad. Tomando como ejemplo el sensor de temperatura inteligente de 5 canales AD7817, su tiempo de conversión para el sensor local y cada sensor remoto es de solo 27us y 9us respectivamente. Después de ingresar al siglo XXI, los sensores de temperatura inteligentes se están desarrollando rápidamente en direcciones de alta tecnología, como alta precisión, multifunción, estandarización de autobuses, alta confiabilidad y seguridad, desarrollo de sensores virtuales y sensores de red, y desarrollo de medición de temperatura de un solo chip. sistemas. En la actualidad, la tecnología de bus de sensores de temperatura inteligentes también se ha estandarizado y estandarizado. Los buses utilizados incluyen principalmente bus de un solo cable (1 cable), bus I2C, bus SMBus y bus spI. Como esclavo, el sensor de temperatura puede comunicarse con el host a través de una interfaz de bus dedicada.