実用的なセンサー: 熱を電子的に測定するさまざまな方法

温度の測定は、膨大な数のデバイスにとって基本的な機能であることが判明しました。 炉のプログラム可能なサーモスタットやデジタル時計がその例です。 特定の温度を超えているかどうかを知りたいだけの場合は、バイメタル コイルとマイクロスイッチ (または、古いサーモスタットで使用されていた方法のように水銀スイッチ) を使用できます。 しかし、最近では、さまざまな読み取り値の精度が求められるため、小さな電圧を生成する熱電対、温度によって抵抗が変化する RTD、同様に温度によって抵抗が変化するサーミスター、赤外線センサー、振動ワイヤー センサーなどが使用されています。 半導体接合のバンドギャップ電圧は温度によって変化しますが、これも予測可能であり、測定可能です。 おそらく他の方法もあり、そのうちのいくつかはおそらくかなり創造的です。

重要なのは、何かを測定する方法はたくさんありますが、いずれの場合も、知りたいもの (温度) を、電圧、電流、物理的位置など、測定方法がわかっているものに変換することになります。 いくつかの最も興味深い温度センサーがこれをどのように実現するかを見てみましょう。

熱電対はゼーベック効果と呼ばれるものを利用します。 2 つの異なる金属が接合を形成し、温度勾配が生じると、電位が形成されます。 重要なのは、デバイスを動作させるのは温度勾配であるということです。 熱電対には熱接点と冷接点があります。 温度を測定したい場合は、基準接点が必要です。 余談ですが、この効果は逆に働き、一対の接合部に電流を流すと一方が熱く、もう一方が冷たくなります。ペルチェ効果です。

昔は、冷接点を氷の入ったバケツに突っ込んでいました。 現在では、別の方法を使用して冷接点の温度を取得し、補正する可能性が高くなります。 もちろん、それを行うチップがあります。

欠点は、温度測定値が直線的ではないことです。 さまざまなタイプの熱電対があり、それぞれのタイプで 2 つの異なるワイヤ材料が使用されています。 タイプによって、どのような検量線を使用するかが決まります。もちろん、必要な用途に適した金属を選択することもできます。 たとえば、タイプ J は 2 本のワイヤのうちの 1 つとして鉄を使用し、タイプ T は銅を使用します。

他に考慮すべき唯一の重要な点は、熱電対への配線方法です。 デバイスは 2 つの異なるタイプのワイヤ間の接続点で動作するため、他のワイヤをデバイスに接続する方法に注意する必要があります。 もっと知りたい？ [Bil Herd] は、熱電対アンプの作り方を深く掘り下げました。

離れた場所から赤外線を測定する熱電対は、サーモパイルとして知られています。 これらは、非接触温度計やパッシブ IR (PIR) センサーで一般的です。 PIR センサーは 2 つのセンサー間の温度差を検出し、視野内で何かが変化したことを推測します。

抵抗を伴う温度変化を示す材料には、いくつかの異なる種類があります。 最大の要因は、デバイスの温度係数が正か負かです。 言い換えれば、温度の変化に応じて抵抗は増加しますか、それとも減少しますか?

サーミスターは、測温抵抗体 (RTD) とは構造が若干異なります。 通常、サーミスタは金属ベース (白金の場合が多い) RTD よりもヒステリシスや自己発熱の問題が少ないです。 ただし、どちらの場合でも、実際の温度を取得するには、抵抗を測定し、それを曲線に当てはめる必要があります。

サーミスターを読み取ることは非常に一般的な操作であり、人々が長年にわたって開発してきたトリックがたくさんあります。 また、より適切な曲線の適合を得るために数学処理に時間を費やしたり、単純な計算を行って精度が低下したりすることもあります。

半導体材料のバンドギャップ電圧は、温度とともに予測どおりに変化します。 ソリッドステート設計を深く理解すると、ダイオード方程式の T 項とそのすべての表現に気づくでしょう。 したがって、多くの IC が温度の検出にこの特性を使用していることは驚くべきことではありません。

一部のチップは温度センサーとして作られています。 たとえば、一般的な LM34 および LM35 チップは、いくつかの追加回路でこの特性を利用して、1 度あたり 10mV を供給します (LM34 は華氏を測定し、LM35 は摂氏を測定します)。 そのため、非常に使いやすくなります。

PC の CPU などの一部のチップは、レポートや温度管理のために同じ方法を使用して内部温度を測定します。 ただし、温度センサー IC 以外でも温度を測定できる方法はあります。

結局のところ、ほとんどすべての回路は何らかの形で温度に敏感であることがわかりました。 外部基準に対して CPU の内部クロックを測定すると、温度による変化がわかることがあります。

温度を測定する方法は他にもたくさんあります。 たとえば、振動ワイヤー センサーにはギターの弦に相当するものが使用されます。 測定には、弦を励振し、振動の周波数を検出することが含まれます。 温度変化に応じて支持構造が収縮および膨張すると、弦の音色が変化します。

コオロギの鳴き声の数を数えることで、おおよその気温を華氏で知ることができます。 15 秒間の鳴き声の数を数えて、37 を足します。誰かが無名な楽器でそれを行ったとしても、私は驚かないでしょう。 テレホートのケビンは、下のビデオでその数字は 37 ではなく 40 と言っていますが、これは正確な科学ではないと思います。

もちろん、温度を測定するための一般的な方法は、何らかの形式のスマート センサーを使用することです。 モジュールまたは IC は、これまで説明した方法のいずれかを使用し、それを工学単位に変換し、I2C バスなどを介してデータを送信できます。 これはレベルの抽象化ですが、使用するセンサーに関連する根本的な利点と制限を理解する必要があります。

他にもあるかもしれませんが、温度を測定するための一般的な手法は他にありません。 しかし、今後の記事で取り上げるセンサーがまだたくさん残っています。