Allineare i fattori del sensore di temperatura alle esigenze dell'applicazione

La scelta del sensore di temperatura ottimale per un'applicazione può essere difficile, data la varietà di tecnologie sensoriali disponibili e le diverse esigenze del settore. Tuttavia, molte applicazioni richiedono letture precise, per cui è essenziale esaminare l'ampia gamma di opzioni disponibili.

La scelta di un sensore di temperatura implica il compromesso tra più fattori per soddisfare i requisiti di progettazione, come l'accuratezza, il tempo di risposta, il protocollo di comunicazione, la robustezza ambientale, l'utilizzo di energia, il costo e l'integrazione del sistema. I sensori rientrano generalmente in quattro categorie di uscita di tensione analogica e in una quinta che utilizza un'uscita di segnale digitale:

• Le termocoppie hanno un ampio intervallo di temperatura e una lunga durata e misurano dalle temperature criogeniche a oltre +1.800 °C. Sono robuste, in grado di resistere agli ambienti difficili e di rispondere rapidamente a repentini cambiamenti di temperatura. Sono tuttavia meno precise e stabili di altre opzioni e richiedono il condizionamento del segnale. Sono adatte per l'industria pesante, come la produzione di acciaio e vetro, e per gli elettrodomestici e gli apparecchi commerciali ad alto calore.
• Le termoresistenze (RTD) sono estremamente precise e stabili. Sono ideali per l'automazione industriale e il controllo di processo, dove la precisione è fondamentale. Le RTD sono comunemente utilizzate nel settore alimentare e farmaceutico per controllare la temperatura in processi come la produzione di birra, la sterilizzazione e la frittura. Forniscono misurazioni di temperatura accurate per i sistemi HVAC e per le apparecchiature di laboratorio e mediche, come incubatrici e strumenti analitici. Le RTD possono essere costose rispetto alle alternative come le termocoppie e sono fragili a causa della loro dipendenza da elementi di rilevamento a filo sottile o a film sottile. Spesso sono utilizzate con un circuito di misurazione preciso che aumenta la complessità e il costo del progetto.
• I termistori sono resistori dipendenti dalla temperatura realizzati con semiconduttori che presentano un'elevata sensibilità. Le grandi variazioni di resistenza per piccoli cambiamenti di temperatura consentono il rilevamento di minime fluttuazioni e un'elevata risoluzione. Piccoli, veloci e a basso costo, i termistori sono disponibili in varie dimensioni, da piccole sfere a sonde più grandi. Sono ideali in applicazioni con intervalli di temperatura limitati, tipicamente tra -50 °C e 150 °C. I termistori sono molto versatili e trovano impiego nei dispositivi medici e nell'elettronica consumer, dove la temperatura ambientale o corporea è rilevante, così come nelle applicazioni automotive, nei sistemi di gestione delle batterie, negli elettrodomestici e nel rilevamento di fuoco e fumo. Tuttavia, la loro curva di resistenza non lineare richiede formule di conversione o tabelle di ricerca per convertire la resistenza in una temperatura accurata e possono subire la deriva nel tempo rispetto alle RTD.
• I sensori di temperatura basati sui diodi offrono tempi di risposta brevi e sono più piccoli degli altri tre tipi analogici. Possono interfacciarsi facilmente con microcontroller, convertitori analogico/digitali (ADC) e circuiti integrati specifici per applicazioni (ASIC). Sono economici, con un intervallo di temperatura limitato da -55 °C a +150 °C, e sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni dall'elettronica consumer all'automazione industriale, dai sistemi di storage dei data center al settore automotive e molti altri. Offrono un'accuratezza inferiore rispetto alle RTD, sono suscettibili al rumore del sistema e spesso devono essere calibrati per garantire letture coerenti tra dispositivi diversi.
• I sensori di temperatura digitali sono circuiti integrati (CI) che misurano la temperatura e forniscono un'uscita digitale diretta, in genere tramite protocolli di comunicazione come SMBus, I²C, SPI o 1-Wire. Non richiedono il condizionamento del segnale esterno, l'amplificazione e la conversione analogico/digitale delle opzioni analogiche.

Linee guida per la selezione

La scelta del sensore di temperatura appropriato implica un compromesso tra precisione, tempo di risposta, durata e costo. Anche i requisiti specifici del settore possono determinare la scelta del componente adatto.

L'ambiente operativo dell'applicazione svolge un ruolo fondamentale. Le condizioni difficili richiedono sensori robusti come le termocoppie o le RTD rivestite, mentre i termistori o i sensori a semiconduttore sono più adatti agli ambienti controllati. Anche i costi e la scalabilità sono fattori da considerare nella produzione di massa: i termistori sono economici, ma le RTD e le termocoppie di fascia alta offrono stabilità a lungo termine.

Anche la tolleranza del progettista tra precisione e praticità può influire sulla scelta. Le RTD offrono un'elevata precisione ma sono costose, mentre le termocoppie sono più versatili ma meno precise. Inoltre, il tempo di risposta e il posizionamento sono importanti: i sensori piccoli e di massa ridotta, come le termocoppie e i termistori, rispondono rapidamente, ma il loro posizionamento può influire sulle prestazioni.

Il costo di un sensore e dei circuiti associati può influenzare pesantemente la scelta, soprattutto nei prodotti di consumo o nella produzione a grandi volumi. I costi variano notevolmente tra i vari tipi di sensori. I sensori analogici richiedono il condizionamento del segnale, mentre quelli digitali semplificano l'integrazione. La riduzione della circuiteria analogica e della calibrazione può ridurre al minimo i costi complessivi e giustificare l'uso di un sensore digitale anche leggermente più costoso.

Opzioni e caratteristiche digitali

I sensori digitali convertono internamente un segnale analogico e trasmettono i dati come un flusso digitale, offrendo spesso una migliore immunità al rumore e consentendo un'elaborazione dei dati più complessa. Analog Devices, Inc. (ADI) offre un'ampia gamma di sensori di temperatura analogici e digitali e i progettisti devono valutare attentamente quale sia il più adatto alle esigenze della loro applicazione. Segue un breve riepilogo di alcuni sensori digitali.

Quando sono necessarie letture precise della temperatura, la precisione è probabilmente il principale fattore di selezione. Il sensore digitale MAX31888 di ADI offre una precisione di ±0,25 °C in un intervallo compreso tra -20 °C e +105 °C e comunica con un microcontroller su un bus 1-Wire per abilitare circuiti di monitoraggio della temperatura ad alta precisione (Figura 1). Ogni MAX31888 è programmato con il proprio numero di registrazione univoco a 64 bit, che funge da indirizzo di nodo in una rete multi-drop 1-Wire.

Figura 1: Un tipico circuito applicativo che utilizza il sensore di temperatura MAX31888. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

MAX31888 utilizza una sola linea dati per la comunicazione, dalla quale può attingere direttamente l'alimentazione parassita, e questo permette ai progettisti di eliminare l'alimentatore esterno. Quando si utilizzano alimentatori esterni, l'intervallo di tensione è compreso tra 1,7 V e 3,6 V, con un consumo di corrente di soli 68 μA durante la misurazione.

Il consumo energetico e le dimensioni possono essere la principale preoccupazione nella progettazione di piccoli dispositivi alimentati a batteria. Per applicazioni come i dispositivi indossabili, la famiglia MAX31875 di ADI, ad esempio MAX31875R0TZS+T (Figura 2), combinano un contenitore di dimensioni molto compatte (0,84 x 0,84 x 0,35 mm) e un basso consumo di corrente di alimentazione con una precisione di misurazione della temperatura di ±1 °C.

Figura 2: Rappresentazione del fattore di forma di MAX31875R0TZS+T. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La famiglia MAX31875 utilizza un'interfaccia seriale compatibile con I²C/SMBus che utilizza i comandi standard di scrittura byte, lettura byte, invio byte e ricezione byte per leggere i dati di temperatura e configurare il comportamento del sensore in un tipico circuito (Figura 3). Utilizza una corrente di alimentazione media di <10 μA e può misurare temperature da -50 °C a +150 °C.

Figura 3: Un circuito applicativo che utilizza un sensore di temperatura digitale MAX31875. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

ADI offre anche CI progettati per misurare con precisione la temperatura dei diodi termici e convertirla in formato digitale, sostituendo i termistori o le termocoppie tradizionali. Questi sensori a diodo remoto misurano la temperatura delle giunzioni PN esterne, come i diodi termici integrati in CPU, GPU, FPGA e ASIC. MAX6654MEE+T misura un diodo termico. Sono disponibili altre opzioni per applicazioni a 2, 3, 4 e 8 canali.

I sensori a diodo remoto possono essere ampiamente utilizzati in ambienti in cui è presente rumore elettrico, con un adeguato filtraggio interno ed esterno. MAX31732ATG+T è un sensore di temperatura a 4 canali che monitora la propria temperatura e quella di un massimo di quattro transistor esterni con connessione a diodo (Figura 4).

Figura 4: MAX31732 di ADI può monitorare fino a quattro transistor esterni con connessione a diodo, come in questo circuito applicativo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Il sensore MAX31732 può essere programmato per impostare soglie di temperatura senza alcun software o firmware speciale. È possibile utilizzare un'interfaccia seriale 2-Wire per monitorare le temperature e rivalutare le soglie di temperatura.

Conclusione

La scelta del sensore di temperatura ottimale può garantire prestazioni migliori, affidabilità ed efficienza dei costi in un'applicazione. Tale scelta può essere influenzata da una serie di fattori, tra cui requisiti e standard specifici del settore e compromessi tra costi e prestazioni. Il portafoglio di sensori di temperatura digitali di ADI offre soluzioni in grado di soddisfare le esigenze di un'ampia gamma di applicazioni.