Τι ακριβώς είναι ο αισθητήρας θερμοκρασίας;

Αρχικά, θυμηθείτε αυτήν την πρόταση: Ο αισθητήρας θερμοκρασίας δεν "διαβάζει απευθείας τη θερμοκρασία", αλλά πρώτα ανιχνεύει ορισμένες αλλαγές φυσικών ιδιοτήτων που προκαλούνται από τη θερμοκρασία, στη συνέχεια μετατρέπει αυτές τις αλλαγές σε μετρήσιμα σήματα και, τέλος, το κύκλωμα μέτρησης και ο αλγόριθμος λαμβάνουν την τιμή θερμοκρασίας.

Χρησιμοποιείτε αισθητήρες θερμοκρασίας κάθε μέρα, αλλά σπάνια τους παρατηρείτε πραγματικά. Τα κλιματιστικά ξέρουν πότε να σταματήσουν την ψύξη, τα ψυγεία μπορούν να διατηρήσουν τη ρυθμισμένη θερμοκρασία, τα αυτοκίνητα μπορούν να παρακολουθούν την κατάσταση του κινητήρα, της μπαταρίας και του συστήματος ψύξης, ο βιομηχανικός εξοπλισμός μπορεί να δώσει συναγερμό όταν η θερμοκρασία είναι ασυνήθιστη - όλες αυτές οι λειτουργίες έχουν μια κοινή βάση: πρώτα "αισθανθείτε τη θερμοκρασία" και μετά παραδώστε την στο σύστημα ελέγχου για επεξεργασία.

I. Τι ακριβώς είναι ένας αισθητήρας θερμοκρασίας;

Από μηχανολογική άποψη, ένας αισθητήρας θερμοκρασίας είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη φυσική ποσότητα της θερμοκρασίας σε μετρήσιμα, μεταδιδόμενα και επεξεργάσιμα σήματα. Ο πυρήνας του δεν είναι η «εμφάνιση ενός αριθμού», αλλά η δημιουργία μιας σταθερής και επαναλαμβανόμενης αντιστοιχίας μεταξύ της «θερμοκρασίας» και ενός μετρήσιμου φυσικού μεγέθους.

Αυτό το μετρήσιμο φυσικό μέγεθος μπορεί να είναι αντίσταση, τάση, ρεύμα ή αναλογικά ή ψηφιακά σήματα που υποβάλλονται σε επεξεργασία από ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η διαφορά στις διαφορετικές τεχνικές διαδρομές έγκειται ουσιαστικά στο: ποιο φυσικό αποτέλεσμα χρησιμοποιείται για να «αισθανθεί» τη θερμοκρασία και πώς να μετρηθεί με ακρίβεια αυτή η αλλαγή.

II. Πώς μετατρέπει τη «θερμοκρασία» σε αριθμό;

Αυτό είναι το πιο κρίσιμο βήμα για την κατανόηση του αισθητήρα θερμοκρασίας. Αυστηρά μιλώντας, ο αισθητήρας δεν "διαβάζει απευθείας 25,3℃". 25,3℃ είναι το αποτέλεσμα που λαμβάνεται αφού ολόκληρη η αλυσίδα μέτρησης υποβληθεί σε μετατροπή και υπολογισμό. Αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα στο μπροστινό μέρος είναι: η θερμοκρασία αλλάζει τις φυσικές ιδιότητες ενός συγκεκριμένου υλικού ή δομής.

Αλλαγή θερμοκρασίας → Αίσθηση αλλαγής ιδιότητας → Ηλεκτρικό σήμα → Απόκτηση και μετατροπή → Υπολογισμός αλγορίθμου → Τιμή θερμοκρασίας

Τυπική αλυσίδα μέτρησης θερμοκρασίας: από τον "φυσικό κόσμο" στον "ψηφιακό κόσμο"

Βήμα 1: Η θερμοκρασία πρώτα επενεργεί στο ευαίσθητο υλικό

Όταν η θερμοκρασία του μετρούμενου αντικειμένου αλλάζει, μια συγκεκριμένη φυσική ιδιότητα μέσα στο ευαίσθητο στοιχείο θα αλλάξει ανάλογα. Για την αντίσταση της πλατίνας, εκδηλώνεται κυρίως ως αλλαγή στην τιμή αντίστασης. για τα θερμοστοιχεία, είναι μια αλλαγή στο θερμοηλεκτρικό δυναμικό. για τα θερμίστορ NTC, είναι μια αλλαγή στην τιμή αντίστασης που ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία και αυτή η αλλαγή συνήθως έχει σημαντική μη γραμμικότητα.

Εδώ είναι μια ιδιαίτερα σημαντική έννοια: Αυτό που μετρά ο αισθητήρας θερμοκρασίας δεν είναι «η ίδια η θερμοκρασία», αλλά «οι μετρήσιμες αλλαγές που προκαλούνται από τη θερμοκρασία». Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την ήδη βαθμονομημένη σχέση, αυτή η αλλαγή υπολογίζεται αντίστροφα για να ληφθεί η θερμοκρασία.

Βήμα 2: Μετατρέψτε την αλλαγή σε ηλεκτρικό σήμα

Πάρτε για παράδειγμα την αντίσταση πλατίνας, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η τιμή αντίστασης της πλατίνας θα αλλάξει ανάλογα με το χαρακτηριστικό αντίστασης-θερμοκρασίας της. Το κύκλωμα μέτρησης εφαρμόζει μια κατάλληλη διέγερση στην αντίσταση πλατίνας, έτσι ώστε η αλλαγή στην τιμή αντίστασης να μπορεί να αντικατοπτρίζεται ως μετρήσιμη τάση, ρεύμα ή έξοδο γέφυρας.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα στοιχείο αντίστασης πλατίνας που έχει μέγεθος μόνο μερικά χιλιοστά μπορεί στην πραγματικότητα να πραγματοποιήσει την πιο πρόσφατη και κρίσιμη μετατροπή "θερμοκρασίας → ηλεκτρικής ποσότητας" στην πλήρη αλυσίδα μέτρησης θερμοκρασίας. Το ίδιο το στοιχείο μπορεί να παράγει μόνο μια αλλαγή στην τιμή αντίστασης, αλλά το "℃" απαιτεί το επόμενο κύκλωμα για να ολοκληρωθεί η μετατροπή.

Βήμα 3: Το κύκλωμα απόκτησης «διαβάζει» τις μικροσκοπικές αλλαγές

Η έξοδος του αισθητήρα συχνά δεν είναι ένας φυσικά κατάλληλος τυπικός αριθμός. Για παράδειγμα, η RTD εξάγει μια τιμή αντίστασης και τα θερμοστοιχεία εξάγουν θερμοηλεκτρικό δυναμικό σε επίπεδο millivolt. Το κύκλωμα μέτρησης πρέπει να διεγείρει, να δειγματίζει, να ενισχύει, να φιλτράρει ή να αντισταθμίζει αυτά τα σήματα για να μπορέσει ο επόμενος μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό να αποκτήσει επαρκώς σταθερά και χρησιμοποιήσιμα δεδομένα.

Για την RTD, εάν το ρεύμα διέγερσης είναι πολύ μεγάλο, θα δημιουργήσει αυτοθέρμανση, προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας του ίδιου του ευαίσθητου στοιχείου, εισάγοντας έτσι πρόσθετα σφάλματα. Επομένως, το "πώς να μετρήσετε" είναι από μόνο του μέρος της ακρίβειας μέτρησης της θερμοκρασίας και όχι το τέλος της επιλογής του αισθητήρα.

Βήμα 4: Μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό, μετατροπή συνεχών αλλαγών σε ψηφιακές ποσότητες

Εάν το σύστημα χρησιμοποιεί ψηφιακό ελεγκτή, το κύκλωμα λήψης χρειάζεται συνήθως να μετατρέψει την αναλογική τάση ή ρεύμα σε ψηφιακούς κωδικούς μέσω ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (ADC). Για παράδειγμα, μετά τη δειγματοληψία της αναλογικής τάσης που αντιστοιχεί σε μια αλλαγή αντίστασης από το ADC, ο ελεγκτής λαμβάνει μια σειρά ψηφίων αντί για μια φυσική θερμοκρασία όπως "25℃".

Σε αυτό το σημείο, το σύστημα έχει περάσει από τη «μέτρηση ηλεκτρικών σημάτων» στο «στάδιο υπολογισμού».

Βήμα 5: Υπολογίστε τη θερμοκρασία με βάση τη σχέση βαθμονόμησης

Τέλος, ο ελεγκτής μετατρέπει την ψηφιακή ποσότητα σε τιμή θερμοκρασίας σύμφωνα με τη σχέση αντίστασης-θερμοκρασίας ή τάσης-θερμοκρασίας που αντιστοιχεί στον αισθητήρα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιεί αναζήτηση πίνακα, υπολογισμό τύπου ή συντελεστές βαθμονόμησης. Για τις τυπικές αντιστάσεις πλατίνας, θα μετατραπεί επίσης σε συνδυασμό με τον αντίστοιχο τυπικό τύπο και βαθμό ακρίβειας.

Έτσι, το "25,3℃" που βλέπετε είναι στην πραγματικότητα το αποτέλεσμα της κοινής εργασίας ολόκληρης της αλυσίδας μέτρησης, παρά μια άμεση ψηφιακή τιμή που παράγεται από ένα μόνο στοιχείο του αισθητήρα.

Αυτό που πραγματικά αξίζει να θυμόμαστε είναι: ο αισθητήρας θερμοκρασίας είναι υπεύθυνος για την «αντίληψη», το κύκλωμα μέτρησης είναι υπεύθυνο για την «ανάγνωση» και ο αλγόριθμος και το σύστημα ελέγχου είναι υπεύθυνοι για την «κατανόηση».

III. Τελικές σκέψεις: Αυτό που πραγματικά κάνει ο αισθητήρας θερμοκρασίας είναι να μετατρέπει την "αίσθηση" σε "δεδομένα"

Επιστρέφοντας στην ερώτηση στην αρχή του άρθρου: Τι ακριβώς είναι ένας αισθητήρας θερμοκρασίας;

Με μια φράση: Δεν «βλέπει» άμεσα τη θερμοκρασία, αλλά αισθάνεται τις φυσικές αλλαγές που προκαλούνται από τη θερμοκρασία, στη συνέχεια μετατρέπει αυτές τις αλλαγές σε ηλεκτρικά σήματα, μέσω απόκτησης, μετατροπής, βαθμονόμησης και υπολογισμού, και τελικά λαμβάνει την τιμή θερμοκρασίας που βλέπουμε.

Κατανοώντας αυτό, πολλές επόμενες ερωτήσεις θα γίνουν ευκολότερες: Γιατί η ΕΤΑ εστιάζει στη σχέση αντίστασης-θερμοκρασίας; Γιατί ένα θερμοστοιχείο χρειάζεται αντιστάθμιση κρύου συνδέσμου; Γιατί το NTC δίνει έμφαση στην τιμή B; Γιατί η μέτρηση του ρεύματος επηρεάζει την RTD; Γιατί η μέθοδος εγκατάστασης του αισθητήρα επηρεάζει το αποτέλεσμα; Γιατί τα προϊόντα υψηλής αξιοπιστίας πρέπει να υποβάλλονται σε περιβαλλοντικές και μηχανικές δοκιμές;

Γιατί όλα ουσιαστικά απαντούν στο ίδιο ερώτημα: Πώς να μετατρέψετε τις «αλλαγές θερμοκρασίας» σταθερές, ακριβείς και επαναλαμβανόμενες σε «αξιόπιστα δεδομένα».

——Εξαγωγή από δημόσιο λογαριασμό με αξιολόγηση από ομοτίμους