Co je to vlastně teplotní čidlo?

Nejprve si zapamatujte tuto větu: Teplotní senzor „nečte teplotu přímo“, ale nejprve snímá určité změny fyzikálních vlastností způsobené teplotou, pak tyto změny převádí na měřitelné signály a nakonec měřicí obvod a algoritmus získají hodnotu teploty.

Teplotní senzory používáte každý den, ale jen zřídka si jich skutečně všimnete. Klimatizace vědí, kdy přestat chladit, chladničky dokážou udržovat nastavenou teplotu, auta dokážou sledovat stav motoru, baterie a chladicího systému, průmyslová zařízení dokážou vydat alarm, když je teplota abnormální – všechny tyto funkce mají společný základ: nejprve „snímají teplotu“ a poté ji předají ke zpracování řídicímu systému.

I. Co je to vlastně teplotní čidlo?

Z technického hlediska je teplotní senzor zařízení, které převádí fyzikální veličinu teploty na měřitelné, přenositelné a zpracovatelné signály. Jeho jádrem není „zobrazování čísla“, ale stanovení stabilní a opakovatelné korespondence mezi „teplotou“ a měřitelnou fyzikální veličinou.

Touto měřitelnou fyzikální veličinou může být odpor, napětí, proud nebo analogové či digitální signály zpracovávané integrovanými obvody. Rozdíl v různých technických cestách v podstatě spočívá v tom: jaký fyzikální efekt se používá k „snímání“ teploty a jak přesně tuto změnu změřit.

II. Jak převádí "teplotu" na číslo?

Toto je nejdůležitější krok k pochopení teplotního senzoru. Přísně vzato, senzor přímo „neukazuje 25,3℃“. 25,3 ℃ je výsledek získaný poté, co celý měřicí řetězec podstoupí konverzi a výpočet. To, co se ve skutečnosti děje úplně vpředu, je: teplota mění fyzikální vlastnosti určitého materiálu nebo struktury.

Změna teploty → Změna vlastnosti snímání → Elektrický signál → Akvizice a převod → Výpočet algoritmu → Hodnota teploty

Typický řetězec měření teploty: od „fyzického světa“ po „digitální svět“

Krok 1: Teplota nejprve působí na citlivý materiál

Při změně teploty měřeného objektu se odpovídajícím způsobem změní určitá fyzikální vlastnost uvnitř citlivého prvku. U platinového odporu se projevuje především jako změna hodnoty odporu; u termočlánků je to změna termoelektrického potenciálu; u termistorů NTC je to změna hodnoty odporu, která se mění s teplotou a tato změna má obvykle značnou nelinearitu.

Zde je obzvláště důležitý koncept: To, co teplotní senzor neměří, není „samotná teplota“, ale „měřitelné změny způsobené teplotou“. Potom pomocí již kalibrovaného vztahu je tato změna inverzně vypočítána pro získání teploty.

Krok 2: Převeďte změnu na elektrický signál

Vezměme si jako příklad odpor platiny, když teplota vzroste, hodnota odporu platiny se bude měnit podle její odporově-teplotní charakteristiky. Měřicí obvod aplikuje vhodné buzení na platinový odpor, takže změna hodnoty odporu se může projevit jako měřitelné napětí, proud nebo výstup můstku.

To je důvod, proč platinový odporový prvek, který má velikost pouze několik milimetrů, může ve skutečnosti provést nejpřednější a nejkritičtější převod „teplota → elektrická veličina“ v celém řetězci měření teploty. Samotný prvek může vydávat pouze změnu hodnoty odporu, ale "℃" vyžaduje následný obvod k dokončení převodu.

Krok 3: Akviziční obvod „přečte“ drobné změny

Výstup snímače často není přirozeně vhodné standardní číslo. Například RTD vydává hodnotu odporu a termočlánky vydávají termoelektrický potenciál na úrovni milivoltů. Měřicí obvod potřebuje tyto signály vybudit, vzorkovat, zesílit, filtrovat nebo kompenzovat, aby umožnil následnému analogově-digitálnímu převodníku získat dostatečně stabilní a použitelná data.

U RTD, pokud je budicí proud příliš velký, dojde k samozahřívání, což způsobí zvýšení vlastní teploty citlivého prvku, čímž dojde k dalším chybám. Proto „jak měřit“ je samo o sobě součástí přesnosti měření teploty, nikoli koncem výběru senzoru.

Krok 4: Analogově-digitální převod, převod kontinuálních změn na digitální veličiny

Pokud systém používá digitální ovladač, akviziční obvod obvykle potřebuje převést analogové napětí nebo proud na digitální kódy pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC). Například poté, co ADC navzorkuje analogové napětí odpovídající změně odporu, řídicí jednotka obdrží řadu číslic namísto fyzické teploty jako „25 °C“.

V tomto bodě se systém přesunul z „měření elektrických signálů“ do „fáze výpočtu“.

Krok 5: Vypočítejte teplotu na základě kalibračního vztahu

Nakonec regulátor převede digitální veličinu na hodnotu teploty podle vztahu odpor-teplota nebo napětí-teplota odpovídající senzoru. Tento proces může využívat vyhledávání v tabulce, výpočet vzorce nebo kalibrační koeficienty. U standardních platinových rezistorů bude také převeden v kombinaci s odpovídajícím standardním vzorcem a stupněm přesnosti.

Takže „25,3℃“, které vidíte, je ve skutečnosti výsledkem společné práce celého měřicího řetězce, spíše než přímou digitální hodnotou produkovanou jedinou součástí snímače.

Co si opravdu zaslouží připomenout, je: teplotní senzor je zodpovědný za „vnímání“, měřicí obvod je zodpovědný za „čtení“ a algoritmus a řídicí systém jsou zodpovědné za „porozumění“.

III. Závěrečné myšlenky: To, co teplotní senzor skutečně dělá, je přeměnit „pocit“ na „data“

Vrátíme se k otázce na začátku článku: Co je to vlastně teplotní čidlo?

Jednou větou: Teplotu přímo „nevidí“, ale snímá fyzikální změny způsobené teplotou, poté tyto změny převádí na elektrické signály, prostřednictvím získávání, převodu, kalibrace a výpočtu, a nakonec získá hodnotu teploty, kterou vidíme.

Pochopíte-li toto, mnoho dalších otázek bude snazších: Proč se RTD zaměřuje na vztah odporu a teploty? Proč termočlánek potřebuje kompenzaci studeného konce? Proč NTC zdůrazňuje hodnotu B? Proč měření proudu ovlivňuje RTD? Proč způsob instalace senzoru ovlivňuje výsledek? Proč musí vysoce spolehlivé produkty projít ekologickými a mechanickými testy?

Protože všechny v podstatě odpovídají na stejnou otázku: Jak udělat „teplotní změny“ stabilní, přesné a opakovatelné do „věrohodných dat“.

——Extrahováno z recenzovaného veřejného účtu