Comparaison des avantages et des inconvénients de quatre capteurs de température courants

Le choix de produits de détection de température peut sembler trivial, mais en raison de la variété des produits disponibles, cette tâche peut s'avérer assez ardue. Dans cet article, l'auteur présentera quatre types de capteurs de température (détecteurs de température à résistance (RTD), thermocouples, thermistances et capteurs à circuit intégré (IC) avec interfaces numériques et analogiques) et discutera des avantages et des inconvénients de chaque type de capteur.
Du point de vue du système, la pertinence d'un capteur de température pour votre application dépendra de la plage de température requise, de la précision, de la linéarité, du coût de la solution, de la fonctionnalité, de la consommation électrique, de la taille de la solution et de la méthode d'installation (méthode de montage en surface, méthode d'insertion traversante). , et méthode d'installation externe de la carte de circuit imprimé), ainsi que la facilité de prise en charge de la conception de circuits. RDT
Lors de la mesure de la résistance d'un RTD tout en modifiant sa température, la réponse est presque linéaire, agissant comme une résistance. Comme le montre la figure 1, la courbe de résistance du RTD n'est pas complètement linéaire, mais présente quelques degrés d'écart (montrant une ligne droite utilisée comme référence) - mais elle est hautement prévisible et vérifiable. Pour compenser cette légère non-linéarité, la plupart des concepteurs numérisent les valeurs de résistance mesurées et utilisent des tables de recherche dans les microcontrôleurs pour appliquer des facteurs de correction. La répétabilité et la stabilité dans une large plage de températures (environ -250 degrés C à +750 degrés C) rendent le RTD extrêmement utile dans les applications de haute précision, notamment la mesure de la température des liquides ou des gaz dans les pipelines et les grands conteneurs. .
La complexité des circuits utilisés pour traiter les signaux analogiques RTD varie généralement en fonction de l'application. Les composants tels que les amplificateurs et les convertisseurs analogique-numérique (CAN), qui génèrent leurs propres erreurs, sont indispensables. N'alimentez le capteur que lorsque cela est nécessaire pour la mesure. Vous pouvez également obtenir un fonctionnement à faible consommation grâce à cette méthode, mais cela rendra le circuit beaucoup plus complexe. De plus, la puissance nécessaire pour allumer le capteur augmente également sa température interne, affectant ainsi la précision des mesures. Avec seulement quelques ampères de courant, cet effet d’auto-échauffement générera des erreurs de température (ces erreurs sont corrigibles mais nécessitent un examen plus approfondi). N'oubliez pas non plus que le coût des RTD en platine bobiné ou des RTD à couches minces peut être assez élevé, surtout par rapport au coût des capteurs I.
Thermistance
La thermistance est un autre type de capteur électropositif. Il existe une variété de thermistances disponibles, allant des produits économiques aux produits de haute précision. Les thermistances à faible coût et de faible précision peuvent exécuter des fonctions de mesure simples ou de détection de valeur nationale - ces types de résistances nécessitent plusieurs composants (tels que des comparateurs, des résistances de référence et discrètes), mais sont très bon marché et ont des propriétés de température de résistance non linéaires, comme le montre la figure 2. Si vous devez mesurer une large plage de températures, vous devrez effectuer de nombreux travaux de linéarisation. Un calibrage de plusieurs points de température peut être nécessaire. Pour obtenir une plus grande précision, un réseau de thermistances plus coûteux et à tolérance plus stricte peut être utilisé pour aider à résoudre ce problème non linéaire, mais ce réseau est généralement moins sensible qu'une seule thermistance.

En raison de la complexité et du coût accrus des systèmes à plusieurs points de saut, les thermistances à faible coût ne sont généralement utilisées que pour des applications ayant des exigences fonctionnelles minimales, notamment les grille-pain, les cafetières, les réfrigérateurs et les sèche-cheveux. De plus, les thermistances souffrent également de problèmes d’auto-échauffement (généralement à des températures plus élevées, lorsque leur résistance est plus faible). Comme dans le cas des RTD, la cause première de l'impossibilité d'utiliser des thermistances à de faibles tensions d'alimentation n'a pas encore été identifiée - mais n'oubliez pas que plus la sortie à pleine échelle est faible, plus la sensibilité du système qu'il convertit directement en fonction de la valeur de sortie est faible. caractéristiques des convertisseurs analogique-numérique (CAN). Les applications à faible consommation doivent également augmenter la complexité des circuits afin d'être très sensibles aux erreurs provoquées par le bruit. Les thermistances peuvent fonctionner dans une plage de températures allant de -100 degrés C à +500 C, bien que la plupart des thermistances aient une plage de températures de fonctionnement maximale nominale de +100 degrés C à +150 degrés C.
Un thermocouple comprend une jonction de deux fils constitués de matériaux différents. Par exemple, le thermocouple de type a) est composé de fer et de constantan. Comme le montre la figure 3, le contact 1 est situé à la température à mesurer, tandis que le contact 2 et le contact 3 sont placés à des températures différentes mesurées à l'aide de capteurs de température analogiques LM35. La tension de sortie est à peu près proportionnelle à la différence entre ces deux valeurs de température.
La sensibilité des thermocouples étant assez faible (de l’ordre de dizaines de microvolts par degré Celsius), vous aurez besoin d’un amplificateur à faible décalage pour générer une tension de sortie utilisable. Dans la plage de fonctionnement des thermocouples, la non-linéarité de la fonction de transfert de température à tension nécessite souvent des circuits de compensation ou des tables de recherche, tout comme les RTD et les thermocouples. Cependant, malgré ces inconvénients, les thermocouples restent très populaires, particulièrement adaptés aux fours, aux chauffe-eau, aux équipements de test et à d'autres traitements industriels - car la qualité thermique des thermocouples est très faible et la plage de température de fonctionnement (qui peut être étendue au-dessus de 2300 degrés) est très large :
Capteur IC
Les capteurs IC peuvent fonctionner dans une plage de températures allant de {{0}} degrés C à +150 degrés C - sélectionné|Les capteurs C peuvent fonctionner jusqu'à +200 degrés C. Il existe différents types de capteurs IC intégrés, mais les quatre capteurs IC intégrés les plus courants sont les dispositifs de sortie analogique, les dispositifs d'interface numérique, les capteurs de température à distance et ceux dotés de fonctions de contrôleur de température. (thermostats). Les dispositifs de sortie analogiques (généralement une sortie de tension, mais certains ont également une sortie de courant) ressemblent davantage à des solutions passives lorsqu'ils nécessitent un CAN pour numériser le signal de sortie. Les dispositifs d'interface numérique utilisent le plus souvent des interfaces à deux fils (12C ou PMBus) et disposent de CAN intégrés. En plus d'un capteur de température local, les capteurs de température à distance disposent également d'une ou plusieurs entrées pour surveiller la température des diodes à distance. Ils sont le plus souvent placés dans des circuits intégrés numériques hautement intégrés (tels que des processeurs ou des réseaux prédiffusés programmables sur site (FPGA)). Lorsque le seuil de température est atteint, le thermostat peut émettre une simple alarme. L'utilisation de capteurs IC présente de nombreux avantages, notamment : une faible consommation d'énergie ; Peut fournir de petits produits d'emballage (certaines tailles aussi petites que 0,8 mm x 0,8 mm) ; De faibles coûts d’appareil peuvent également être obtenus dans certaines applications.