センサー技術にはさまざまな種類があり、業界の需要には大きな違いがあるため、特定の用途に最適な温度センサーを選択することは非常に困難です。ただし、多くのアプリケーションでは正確な読み取りが必要となるため、さまざまな既存製品を評価する必要があります。
温度センサーを選択する場合、精度、応答時間、通信プロトコル、環境耐性、消費電力、コスト、システム統合など、設計要件を満たすために複数の要素のバランスを取る必要があります。センサーは通常、4 種類のアナログ電圧出力と 1 種類のデジタル信号出力に分かれています。
熱電対: 広い温度範囲と耐久性により、低温から +1800 °C 以上までの温度を測定できます。熱電対は頑丈で耐久性があり、過酷な環境に耐え、急激な温度変化に迅速に対応できます。ただし、精度と安定性は他のセンサーほど良くなく、信号調整が必要です。熱電対は、鉄鋼やガラスの製造などの重工業だけでなく、高熱の家庭用および商業用電化製品にも非常に適しています。
測温抵抗体 (RTD): 高い精度と安定性を備え、非常に高い精度を必要とする産業オートメーションおよびプロセス制御分野に非常に適しています。 RTD は、食品業界や製薬業界で、醸造、消毒、揚げなどのプロセス中に厳密な温度制御を実現するために一般的に使用されています。 RTD は、HVAC システムだけでなく、保育器や分析機器などの実験室および医療機器の正確な温度測定を提供します。熱電対などの代替品と比較して、RTD はコストが高く、細いワイヤまたは薄膜の検出素子に依存しているため壊れやすい可能性があります。 RTD は通常、高精度測定回路と組み合わせて使用されるため、設計の複雑さとコストが増加します。
サーミスタ：温度によって抵抗値が変化し、感度が高い半導体で作られた抵抗器。小さな温度変化と大きな抵抗変化により、小さな温度変動を高分解能で検出できます。サーミスタは小型、高速応答、低コストで、マイクロビーズから大型プローブまでさまざまな仕様をカバーします。サーミスタは、通常 -50 °C ～ 150 °C の限られた温度範囲のアプリケーションに適しています。サーミスタは、環境温度または人の温度に関連する医療機器や家庭用電化製品だけでなく、自動車アプリケーション、バッテリ管理システム、家庭用電化製品、火災および煙の検出などの分野を含む幅広い用途に使用されています。ただし、サーミスタの非直線的な抵抗曲線には、抵抗値を温度に正確に変換するための変換式またはルックアップ テーブルが必要であり、RTD と比較して、サーミスタは時間の経過とともにドリフトする可能性があります。
ダイオード温度センサー: 他の 3 つのアナログ センサーと比べて応答速度が速く、サイズが小さいため、マイクロコントローラー、アナログデジタル コンバーター (ADC)、および特定用途向け集積回路 (ASIC) に簡単に接続できます。ダイオード温度センサーは、温度範囲が -55 °C ～ +150 °C に限定されており、高い費用対効果を備えています。家庭用電化製品、産業オートメーション、データセンターのストレージ システム、自動車などの多くの分野で広く使用できます。このタイプのセンサーは、RTD よりも精度が低く、システム ノイズの影響を受けやすいため、通常、異なるデバイス間で一貫した読み取り値を確保するためにキャリブレーションが必要です。
デジタル温度センサー: 温度を測定し、デジタル出力を直接提供するために使用される集積回路 (IC) の一種で、通常は SMBus、I ² C、SPI、または 1-Wire などの標準通信プロトコルを通じてデータを送信します。デジタル センサーは、アナログ センサーのような外部信号調整、増幅、アナログからデジタルへの変換を必要としません。
選定原理
適切な温度センサーを選択するには、精度、応答時間、耐久性、コストの間のバランスを考慮するか、特定の業界要件に従って適切なコンポーネントを選択する必要があります。
温度センサーを選択する作業環境は重要な役割を果たします。過酷な環境では、熱電対やコーティングされた RTD などの堅牢で耐久性のあるセンサーが必要ですが、制御された環境にはサーミスターや半導体センサーがより適しています。量産ではコストと拡張性も考慮すべき要素です。サーミスタはコスト効率が高く、RTD とハイエンドの熱電対は長期安定性を備えています。
設計者にとって、精度と実用性の間のトレードオフは、選択プロセスにおいて同様に重要です。 RTD は精度が高いですが、高価です。熱電対には幅広い用途がありますが、精度は比較的低いです。応答時間と設置場所も同様に重要です。熱電対やサーミスターなどの軽量センサーは応答速度が速いですが、設置場所がパフォーマンスに影響を与える可能性があります。
センサーとその関連回路のコストは、特に消費者向け製品や大量生産の場合、選択に大きく影響します。センサーの種類によってコストは大きく異なります。アナログ センサーは信号調整を必要としますが、デジタル センサーは統合を簡素化できます。たとえわずかに高価なデジタルセンサーを選択するのが合理的であっても、アナログ回路と校正作業を削減すると、全体的なコストを最小限に抑えることができます。
デジタルセンサーとその特徴
デジタル センサーは内部でアナログ信号を変換し、デジタル ストリーム形式でデータを送信します。通常、ノイズ耐性が向上し、より複雑なデータ処理を実行できます。 Analog Devices, Inc. (ADI) は、幅広いアナログおよびデジタル温度センサー製品の組み合わせを提供しているため、設計者はどの製品がアプリケーションのニーズに最も適しているかを慎重に評価する必要があります。以下にいくつかのデジタルセンサーを簡単に紹介します。
正確な温度測定値が必要な場合、精度が最も重要な選択要素となる可能性があります。 ADIのMAX31888デジタルセンサは、-20℃～+105℃の範囲で±0.25℃の精度を備え、1-Wireバスを介してマイクロコントローラと通信して、高精度の温度監視回路を実現できます(図1)。各MAX31888には、マルチポイント単線ネットワークのノードアドレスとして使用される独自の64ビット登録番号があります。