Praktische Sensoren: Die vielen Möglichkeiten, wie wir Wärme elektronisch messen

Die Messung der Temperatur erweist sich für eine Vielzahl von Geräten als grundlegende Funktion. Der programmierbare Thermostat und die Digitaluhren Ihres Ofens sind offensichtliche Beispiele. Wenn Sie nur wissen möchten, ob eine bestimmte Temperatur überschritten wird, können Sie eine Bimetallspule und einen Mikroschalter (oder einen Quecksilberschalter, wie es bei alten Thermostaten üblich war) verwenden. Aber heutzutage wollen wir Präzision über einen Bereich von Messwerten, daher gibt es Thermoelemente, die eine kleine Spannung erzeugen, RTDs, die ihren Widerstand mit der Temperatur ändern, Thermistoren, die auch ihren Widerstand mit der Temperatur ändern, Infrarotsensoren und Schwingdrahtsensoren. Die Bandlückenspannung eines Halbleiterübergangs variiert mit der Temperatur und das ist ebenfalls vorhersehbar und messbar. Es gibt wahrscheinlich auch andere Methoden, von denen einige wahrscheinlich ziemlich kreativ sind.

Der Punkt ist, dass es viele Möglichkeiten gibt, alles zu messen, aber in jedem Fall wandeln Sie das, was Sie wissen möchten (Temperatur), in etwas um, das Sie messen können, wie Spannung, Strom oder physikalische Position. Werfen wir einen Blick darauf, wie einige der interessantesten Temperatursensoren dies erreichen.

Thermoelemente nutzen den sogenannten Seebeck-Effekt. Wenn zwei unterschiedliche Metalle eine Verbindung bilden und einen Temperaturgradienten erfahren, entsteht ein elektrisches Potenzial. Der Schlüssel liegt darin, dass es ein Temperaturgradient ist, der dafür sorgt, dass das Gerät funktioniert. Thermoelemente haben eine Heißstelle und eine Kaltstelle. Wenn Sie Temperaturen messen möchten, benötigen Sie eine Vergleichsstelle. Abgesehen davon funktioniert der Effekt umgekehrt – der Peltier-Effekt –, bei dem der Stromfluss durch ein Kontaktpaar eine Seite heiß und die andere kalt macht.

Früher hat man die Vergleichsstelle in einen Eimer mit Eis getaucht. Heutzutage ist es wahrscheinlicher, dass Sie eine andere Methode verwenden, um die Temperatur der Vergleichsstelle zu ermitteln und sie dann zu kompensieren. Natürlich gibt es Chips, die das für Sie erledigen.

Der Nachteil besteht darin, dass die Temperaturanzeige nicht linear ist. Sie werden verschiedene Typen von Thermoelementen sehen und jeder Typ verwendet zwei unterschiedliche Drahtmaterialien. Anhand des Typs erfahren Sie, welche Kalibrierkurve Sie verwenden sollen, und natürlich wählen Sie das Metall für die von Ihnen benötigte Anwendung aus. Beispielsweise verwendet ein Typ J Eisen als einen der beiden Drähte und ein Typ T Kupfer.

Die einzige andere große Überlegung ist, wie Sie die Drähte zum Thermoelement verlegen. Da das Gerät an einer Verbindung zwischen zwei verschiedenen Kabeltypen arbeitet, müssen Sie vorsichtig sein, wie Sie andere Kabel an das Gerät anschließen. Möchten Sie mehr wissen? [Bil Herd] hat sich eingehend mit dem Bau eines Thermoelementverstärkers befasst.

Thermoelemente, die Infrarot aus der Ferne messen, werden als Thermosäulen bezeichnet. Diese kommen häufig bei berührungslosen Thermometern und passiven IR-Sensoren (PIR) vor. Ein PIR-Sensor erkennt den Temperaturunterschied zwischen zwei Sensoren und schließt daraus, dass sich im Sichtfeld etwas geändert hat.

Es gibt verschiedene Arten von Materialien, die bei Temperaturschwankungen Widerstand leisten können. Der größte Faktor ist, ob das Gerät einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten hat. Mit anderen Worten: Steigt oder sinkt der Widerstand als Reaktion auf eine Temperaturänderung?

Thermistoren unterscheiden sich in ihrer Konstruktion geringfügig von Widerstandstemperaturdetektoren oder RTDs. Normalerweise haben Thermistoren weniger Hysterese- und Selbsterwärmungsprobleme als RTDs auf Metallbasis (häufig Platin). In beiden Fällen müssen Sie jedoch den Widerstand messen und ihn an eine Kurve anpassen, um die tatsächliche Temperatur zu erhalten.

Das Auslesen von Thermistoren ist ein sehr häufiger Vorgang und es gibt viele Tricks, die im Laufe der Jahre entwickelt wurden. Sie können auch mathematische Berechnungen durchführen, um bessere Kurvenanpassungen zu erhalten, oder einfache Berechnungen durchführen, um eine geringere Genauigkeit zu erzielen.

Die Bandlückenspannung von Halbleitermaterial variiert vorhersehbar mit der Temperatur. Wenn Sie sich jemals intensiver mit dem Design von Festkörpern befassen, werden Sie den T-Term in der Diodengleichung und all seinen Erscheinungsformen sehen. Es ist daher keine Überraschung, dass viele ICs diese Eigenschaft zur Temperaturmessung nutzen.

Einige Chips sind als Temperatursensoren konzipiert. Beispielsweise nutzen die gängigen LM34- und LM35-Chips diese Eigenschaft mit einigen zusätzlichen Schaltkreisen aus, um schöne 10 mV pro Grad bereitzustellen (der LM34 misst Farhenheit und der LM35 misst Celsius). Dadurch sind sie sehr einfach zu bedienen.

Einige Chips, wie die CPU in Ihrem PC, verwenden dieselbe Methode zur Messung der Innentemperatur für die Berichterstellung und das Wärmemanagement. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, wie Nicht-Temperatursensor-ICs die Temperatur messen können.

Es stellt sich heraus, dass fast alle unsere Schaltkreise in irgendeiner Weise temperaturempfindlich sind. Die Messung der internen Uhr einer CPU im Vergleich zu einer externen Referenz kann temperaturbedingte Änderungen aufzeigen.

Es gibt eine Vielzahl anderer Möglichkeiten, die Temperatur zu messen. Beispielsweise verwendet ein vibrierender Drahtsensor etwas, das einer Gitarrensaite gleichkommt. Bei der Messung wird die Saite angeregt und die Schwingungsfrequenz erfasst. Da die Tragstruktur bei Temperaturänderungen schrumpft und sich ausdehnt, verändert sich der Ton der Saite.

Sie können eine ungefähre Temperatur in Grad Fahrenheit ermitteln, indem Sie die Anzahl der Zirpen der Grillen zählen. Zählen Sie die Anzahl der Zirpen in 15 Sekunden und addieren Sie dann 37. Es würde mich nicht überraschen, wenn das jemand bei einem unbekannten Instrument getan hätte. [Kevin] in Terre Haute sagt, dass die Zahl im Video unten 40 ist und nicht 37, aber ich denke, das ist keine exakte Wissenschaft.

Eine zunehmend verbreitete Methode zur Messung der Temperatur ist natürlich die Verwendung eines intelligenten Sensors. Ein Modul oder IC kann jede der oben genannten Methoden nutzen, sie in technische Einheiten umwandeln und die Daten über so etwas wie einen I2C-Bus senden. Dies ist eine Ebenenabstraktion, aber Sie sollten dennoch die zugrunde liegenden Vorteile und Einschränkungen verstehen, die mit dem Sensor verbunden sind, den Sie verwenden möchten.

Auch wenn es möglicherweise noch mehr gibt, gibt es keine anderen gängigen Techniken zur Temperaturmessung. Aber es gibt noch viele Sensoren, über die wir in zukünftigen Artikeln sprechen werden.