Aceste tipuri de senzori de temperatură variază de la simple dispozitive termostatice ON/OFF, care controlează un sistem de încălzire a apei calde menajere, la tipuri semiconductoare extrem de sensibile care pot controla instalații de cuptoarelor pentru controlul proceselor complexe.

Ne amintim că mișcarea moleculelor și a atomilor produce căldură (energie cinetică) și cu cât este mai mare mișcarea, cu atât mai multă căldură este generată. Senzorii de temperatură măsoară cantitatea de energie termică sau chiar răcirea generată de un obiect sau sistem, permițându-ne să "simțim" sau să detectăm orice schimbare fizică la acea temperatură, producând fie o ieșire analogică, fie una digitală.

Există multe tipuri diferite de senzori de temperatură disponibile și toate au caracteristici diferite în funcție de aplicația lor efectivă. Un senzor de temperatură este alcătuit din două tipuri fizice de bază:

• Tipuri de senzori de temperatură cu contact - Aceste tipuri de senzori de temperatură trebuie să fie în contact fizic cu obiectul detectat și să utilizeze conducția pentru a monitoriza schimbările de temperatură. Ele pot fi folosite pentru a detecta solide, lichide sau gaze într-o gamă largă de temperaturi.

• Tipuri de senzori de temperatură non-contact - Aceste tipuri de senzori de temperatură folosesc convecția și radiația pentru a monitoriza schimbările de temperatură. Acestea pot fi folosite pentru detectarea lichidelor și a gazelor care emit energie radiantă, pe măsură ce căldura crește și se răcesc în curenții de convecție sau detectează energia radiantă care este transmisă de la un obiect sub forma unei radiații infraroșii (soarele).

Cele două tipuri de senzori de temperatură de contact sau fără contact pot fi de asemenea împărțite în următoarele trei grupe de senzori: Electromecanice, Rezistive și Electronice și toate cele trei tipuri sunt discutate mai jos.

Termostatul

Termostatul este un senzor de temperatură electromecanic de tip contact sau comutator, care practic este format din două metale diferite, cum ar fi nichel, cupru, tungsten sau aluminiu, etc, care sunt lipite împreună pentru a forma o bandă bi-metalică. Diferitele rate de dilatare liniară ale celor două metale diferite produc o mișcare mecanică de îndoire când banda este supusă căldurii.

Banda bimetalică poate fi folosită ca un întrerupător electric sau ca mod mecanic de a acționa un comutator electric în comenzile termostatice și este utilizată extensiv pentru a controla elementele de încălzire a apei calde în cazane, cuptoare, rezervoare de stocare a apei calde, precum și în vehicule la radiatoare de răcire.

Termostatul bi-metalic

Termostatul este alcătuit din două metale termice diferite lipite împreună spate în spate. Când este rece, contactele sunt închise și curentul trece prin termostat. Când se încălzește, un metal se extinde mai mult decât celălalt și banda bimetalică lipită se îndoaie în sus (sau în jos) deschizând contactele care împiedică curgerea curentului.

Tipurile creeper constau, în general, dintr-o bobină sau o spirală bimetalică care se desprinde lent sau se înfășoară, pe măsură ce se schimbă temperatura. În general, benzile bimetalice de tip creeper sunt mai sensibile la schimbările de temperatură decât tipurile snap standard ON/OFF, deoarece banda este mai lungă și mai subțire, făcându-le ideale pentru a fi utilizate în manometre și cadrane de temperatură etc.

Deși sunt foarte ieftine și sunt disponibile într-o gamă largă de funcționare, un dezavantaj principal al termostatelor de tip snap-action standard, atunci când sunt utilizate ca senzori de temperatură, este că au o gamă largă de histerezis de la deschiderea contactelor electrice până când se închid din nou. De exemplu, poate fi setat la 20^oC , dar poate să nu se deschidă până la 22^oC sau să se închidă din nou până la 18^oC .

Deci, gama de variații de temperatură poate fi destul de ridicată. Termostatele bi-metalice disponibile în comerț pentru uz casnic au șuruburi de reglare a temperaturii care permit setarea prealabilă a temperaturii dorite și a nivelului de histerezis.

Termistorul

Termistoarele sunt construite dintr-un material semiconductor de tip ceramic, folosind tehnologia oxidului de metal, cum ar fi manganul, cobaltul și nichelul etc. Materialul semiconductor este în general format în discuri sau bile mici presate care sunt etanșate ermetic pentru a da un răspuns relativ rapid la orice modificare a temperaturii.

Termistoarele sunt evaluate prin valoarea lor rezistivă la temperatura camerei (de obicei la 25^oC), constanta lor de timp (timpul de reacție la schimbarea temperaturii) și puterea lor în raport cu curentul care trece prin ele. Ca rezistoare, termistoarele sunt disponibile cu valori de rezistență la temperatura camerei de la zeci de MΩ până la doar câteva Ohmi, dar pentru scopuri de detectare sunt în general utilizate acele tipuri cu valori în kilo-ohmi.

Termistoarele sunt dispozitive pasive rezistive, ceea ce înseamnă că trebuie să trecem un curent prin acesta pentru a produce o ieșire de tensiune măsurabilă. Atunci, termistoarele sunt în general conectate în serie cu un rezistor de polarizare adecvat pentru a forma o rețea de divizor de potențial, iar alegerea rezistorului oferă o ieșire de tensiune la un anumit punct sau valoare de temperatură predeterminat, de exemplu:

Senzori de temperatură. Exemplul nr. 1

Următorul termistor are o valoare de rezistență de 10 KΩ la 25^oC și o valoare a rezistenței de 100 Ω la 100^oC. Se calculează căderea de tensiune pe termistor și, prin urmare, tensiunea de ieșire (Vout) pentru ambele temperaturi, atunci când este conectat în serie cu o rezistență de 1 kΩ la o sursă de alimentare de 12 V.

Prin schimbarea valorii rezistenței fixe a R2 (în exemplul nostru 1 kΩ) la un potențiometru sau presetat, se poate obține o ieșire de tensiune la o valoare prestabilită a temperaturii, de exemplu, ieșirea de 5 V la 60^oC și prin variația potențiometrului un anumit nivel de tensiune de ieșire poate fi obținut pe o gamă mai mare de temperaturi.

Trebuie totuși remarcat faptul că termistoarele sunt dispozitive neliniare, iar valorile lor standard de rezistență la temperatura camerei sunt diferite între diferite termistoare, care se datorează în principal materialelor semiconductoare din care fac parte. Termistorul are o variație exponențială cu temperatura și, prin urmare, are o constantă de temperatură Beta (β), care poate fi folosită pentru a calcula rezistența pentru orice punct de temperatură dată.

Cu toate acestea, atunci când se utilizează cu un rezistor de serie, cum ar fi într-o rețea de divizoare de tensiune sau în aranjament tip punte Wheatstone, curentul obținut ca răspuns la o tensiune aplicată rețelei de divizare/punte este liniar cu temperatura. Deci, tensiunea de ieșire pe rezistor devine liniară cu temperatura.

Detectoare rezistive de temperatură (RTD)

Un alt tip de senzor de temperatură cu rezistență electrică este Detectorul rezistiv de temperatură sau RTD. RTD-urile sunt senzori de temperatură de precizie, realizați din metale conducătoare de înaltă puritate, cum ar fi platina, cuprul sau nichelul, înfășurate într-o bobină și a căror rezistență electrică se schimbă în funcție de temperatură, similar cu cea a termistorului. Sunt disponibile și RTD-uri cu peliculă subțire. Aceste dispozitive au un strat subțire de pastă de platină depus pe un substrat ceramic alb.

Totuși, au sensibilitate termică foarte scăzută, adică o schimbare a temperaturii produce doar o schimbare de ieșire foarte mică, de exemplu, 1Ω/°C.

Cele mai frecvente tipuri de RTD-uri sunt realizate din platină și se numesc Termometru cu rezistență cu platină sau PRT, cu cel mai frecvent disponibil dintre ele toate senzorul Pt100, care are o valoare standard de rezistență de 100Ω la 0°C. Dezavantajul este că platina este scumpă și unul dintre principalele dezavantaje ale acestui tip de dispozitiv este costul său.

Ca și termistorul, RTD-urile sunt dispozitive rezistive pasive și prin trecerea unui curent constant prin senzorul de temperatură este posibilă obținerea unei tensiuni de ieșire care crește liniar cu temperatura. Un RTD tipic are o rezistență de bază de circa 100Ω la 0°C, crescând la aproximativ 140Ω la 100°C, cu un interval de temperatură de funcționare între -200 și +600°C.

Deoarece RTD este un dispozitiv rezistiv, trebuie să trecem un curent prin el și să monitorizăm tensiunea rezultată. Dar, orice variație a rezistenței datorită căldurii de sine a firelor rezistive, pe măsură ce curentul trece prin ea, I²R, (Legea lui Ohm) cauzează o eroare în citiri. Pentru a evita acest lucru, RTD-ul este de obicei conectat într-o rețea de punte Wheatstone, care are cabluri suplimentare de conectare pentru compensarea legăturilor și/sau conectarea la o sursă de curent constantă.

Termocuplul

Termocuplul este de departe tipul cel mai frecvent utilizat din toate tipurile de senzori de temperatură. Termocuplele sunt populare datorită simplității, ușurinței de utilizare și vitezei lor de reacție la schimbările de temperatură, datorită dimensiunii lor reduse. Termocuplele au cel mai mare interval de temperatură al tuturor senzorilor de temperatură de la temperaturi sub -200°C până la peste 2000°C.

Termocuplele sunt senzori termoelectrici care constau în principal din două joncțiuni de metale diferite, cum ar fi cuprul și constantanul, care sunt sudate sau presate împreună. O joncțiune este menținută la o temperatură constantă denumită joncțiunea de referință (rece), în timp ce cealaltă este joncțiune de măsurare (fierbinte). Atunci când cele două joncțiuni sunt la temperaturi diferite, o tensiune este dezvoltată pe joncțiunea care este utilizată pentru măsurarea senzorului de temperatură, după cum se arată mai jos.

Construcția termocuplului

Principiul de funcționare al unui termocuplu este foarte simplu și de bază. Când sunt sudate împreună, joncțiunea dintre cele două metale diferite, cum ar fi cuprul și constantan produce un efect „termoelectric“, care dă o diferență de potențial constant de doar câteva milivolți (mV) între ele. Diferența de tensiune dintre cele două joncțiuni este denumită "efect Seebeck", deoarece un gradient de temperatură este generat de-a lungul firelor conductoare care produc o emf. Astfel, tensiunea de ieșire de la un termocuplu este o funcție de variațiile de temperatură.

Dacă ambele joncțiuni sunt la aceeași temperatură, diferența de potențial dintre cele două joncțiuni este zero, cu alte cuvinte, nici o ieșire de tensiune, cu V1 = V2. Atunci când joncțiunile sunt conectate într-un circuit și sunt ambele la temperaturi diferite, o tensiune de ieșire va fi detectată în raport cu diferența de temperatură dintre cele două joncțiuni, V1 - V2. Această diferență de tensiune va crește cu temperatura până la atingerea nivelului de tensiune de vârf al joncțiunilor și acest lucru este determinat de caracteristicile celor două metale diferite utilizate.

Termocuplele pot fi realizate dintr-o varietate de materiale diferite care permit să se măsoare temperaturi extreme între -200°C la peste 2000°C. Cu o gamă largă de materiale și gama de temperatură, au fost dezvoltate standarde recunoscute la nivel internațional, complete cu coduri de culoare pentru termocuplu, pentru a permite utilizatorului să aleagă senzorul corect de termocuplu pentru o anumită aplicație. Codul de culoare britanic pentru termocuplurile standard este prezentat mai jos.

Coduri de culoare pentru termocuple

Cele trei tipuri, comune, de termocuplu utilizate mai sus pentru măsurarea temperaturii sunt Fier-Constantan (Tip J), Cupru-Constantan (Tip T) și Nichel-Crom (tip K). Tensiunea de ieșire de la un termocuplu este foarte mică, doar câteva milivolți (mV) pentru o schimbare de 10°C a diferenței de temperatură și datorită acestei ieșiri mici de tensiune este necesară o formă de amplificare în general.

Amplificarea termocuplelor

Tipul de amplificator, fie discret, fie sub forma unui amplificator operațional, trebuie selectat cu atenție, deoarece este necesară o bună stabilitate de deviație pentru a împiedica recalibrarea termocuplului la intervale frecvente. Acest lucru face ca tipul chopper și de instrumentație al amplificatorului să fie preferabil pentru majoritatea aplicațiilor de detectare a temperaturii.

Alte tipuri de senzori de temperatură care nu sunt menționate aici includ senzori cu joncțiuni semiconductoare, senzori de radiație termică și infraroșu, termometre de tip medical, indicatoare și cerneluri sau coloranți variabile în culoare.

În acest tutorial despre "Tipurile senzorilor de temperatură", am analizat mai multe exemple de senzori care pot fi utilizați pentru măsurarea variațiilor de temperatură. În următorul tutorial vom examina senzorii care sunt utilizați pentru a măsura cantitatea de lumină, cum ar fi fotodiodele, fototranzistorii, celulele fotovoltaice și rezistorul dependent de lumină.