तापमान सेंसर वास्तव में क्या है?

सबसे पहले, इस वाक्य को याद रखें: तापमान सेंसर "तापमान को सीधे नहीं पढ़ता है", लेकिन पहले तापमान के कारण होने वाले कुछ भौतिक संपत्ति परिवर्तनों को महसूस करता है, फिर इन परिवर्तनों को मापने योग्य संकेतों में परिवर्तित करता है, और अंत में माप सर्किट और एल्गोरिदम तापमान मान प्राप्त करते हैं।

आप हर दिन तापमान सेंसर का उपयोग करते हैं, लेकिन शायद ही कभी आप वास्तव में उन पर ध्यान देते हैं। एयर कंडीशनर जानते हैं कि कब कूलिंग बंद करनी है, रेफ्रिजरेटर निर्धारित तापमान को बनाए रख सकते हैं, कारें इंजन, बैटरी और कूलिंग सिस्टम की स्थिति की निगरानी कर सकती हैं, तापमान असामान्य होने पर औद्योगिक उपकरण अलार्म दे सकते हैं - इन सभी कार्यों का एक सामान्य आधार है: पहले "तापमान को समझें", और फिर इसे प्रसंस्करण के लिए नियंत्रण प्रणाली को सौंप दें।

I. वास्तव में तापमान सेंसर क्या है?

इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से, तापमान सेंसर एक ऐसा उपकरण है जो तापमान की भौतिक मात्रा को मापने योग्य, पारगम्य और संसाधित करने योग्य संकेतों में परिवर्तित करता है। इसका मूल "संख्या प्रदर्शित करना" नहीं है, बल्कि "तापमान" और मापने योग्य भौतिक मात्रा के बीच एक स्थिर और दोहराने योग्य पत्राचार स्थापित करना है।

यह मापने योग्य भौतिक मात्रा प्रतिरोध, वोल्टेज, करंट, या एकीकृत सर्किट द्वारा संसाधित एनालॉग या डिजिटल सिग्नल हो सकती है। विभिन्न तकनीकी मार्गों में अंतर अनिवार्य रूप से इस बात में निहित है: तापमान को "समझने" के लिए किस भौतिक प्रभाव का उपयोग किया जाता है, और इस परिवर्तन को सटीक रूप से कैसे मापा जाए।

द्वितीय. यह "तापमान" को एक संख्या में कैसे परिवर्तित करता है?

तापमान सेंसर को समझने में यह सबसे महत्वपूर्ण कदम है। कड़ाई से बोलते हुए, सेंसर सीधे "25.3℃ नहीं पढ़ता"। 25.3℃ संपूर्ण माप श्रृंखला के रूपांतरण और गणना के बाद प्राप्त परिणाम है। वास्तव में सबसे आगे क्या होता है: तापमान एक निश्चित सामग्री या संरचना के भौतिक गुणों को बदल देता है।

तापमान परिवर्तन → संवेदन संपत्ति परिवर्तन → विद्युत संकेत → अधिग्रहण और रूपांतरण → एल्गोरिदम गणना → तापमान मूल्य

विशिष्ट तापमान माप श्रृंखला: "भौतिक दुनिया" से "डिजिटल दुनिया" तक

चरण 1: तापमान सबसे पहले संवेदनशील सामग्री पर कार्य करता है

जब मापी गई वस्तु का तापमान बदलता है, तो संवेदनशील तत्व के अंदर एक निश्चित भौतिक संपत्ति तदनुसार बदल जाएगी। प्लैटिनम प्रतिरोध के लिए, यह मुख्य रूप से प्रतिरोध मूल्य में परिवर्तन के रूप में प्रकट होता है; थर्मोकपल के लिए, यह थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता में परिवर्तन है; एनटीसी थर्मिस्टर्स के लिए, यह प्रतिरोध मान में परिवर्तन है जो तापमान के साथ बदलता रहता है, और इस परिवर्तन में आमतौर पर एक महत्वपूर्ण गैर-रैखिकता होती है।

यहां एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण अवधारणा है: तापमान सेंसर जो मापता है वह "स्वयं तापमान" नहीं है, बल्कि "तापमान के कारण मापने योग्य परिवर्तन" है। फिर, पहले से ही कैलिब्रेटेड रिश्ते का उपयोग करके, तापमान प्राप्त करने के लिए इस परिवर्तन की विपरीत गणना की जाती है।

चरण 2: परिवर्तन को विद्युत संकेत में परिवर्तित करें

उदाहरण के तौर पर प्लैटिनम प्रतिरोध को लें, जब तापमान बढ़ता है, तो प्लैटिनम का प्रतिरोध मान उसके प्रतिरोध-तापमान विशेषता के अनुसार बदल जाएगा। माप सर्किट प्लैटिनम प्रतिरोध के लिए एक उपयुक्त उत्तेजना लागू करता है, ताकि प्रतिरोध मूल्य में परिवर्तन को मापने योग्य वोल्टेज, वर्तमान या ब्रिज आउटपुट के रूप में प्रतिबिंबित किया जा सके।

यही कारण है कि एक प्लैटिनम प्रतिरोध तत्व जिसका आकार केवल कुछ मिलीमीटर है, वास्तव में संपूर्ण तापमान माप श्रृंखला में सबसे फ्रंट-एंड और महत्वपूर्ण "तापमान → विद्युत मात्रा" रूपांतरण कर सकता है। तत्व स्वयं केवल प्रतिरोध मान में परिवर्तन का उत्पादन कर सकता है, लेकिन रूपांतरण को पूरा करने के लिए "℃" को बाद के सर्किट की आवश्यकता होती है।

चरण 3: अधिग्रहण सर्किट छोटे बदलावों को "पढ़ता है"।

सेंसर का आउटपुट अक्सर स्वाभाविक रूप से उपयुक्त मानक संख्या नहीं होता है। उदाहरण के लिए, आरटीडी एक प्रतिरोध मान का उत्पादन करता है, और थर्मोकपल मिलिवोल्ट-स्तरीय थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता का उत्पादन करता है। माप सर्किट को पर्याप्त रूप से स्थिर और प्रयोग करने योग्य डेटा प्राप्त करने के लिए बाद के एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर को सक्षम करने के लिए इन संकेतों को उत्तेजित, नमूना, प्रवर्धित, फ़िल्टर या क्षतिपूर्ति करने की आवश्यकता होती है।

आरटीडी के लिए, यदि उत्तेजना धारा बहुत बड़ी है, तो यह स्व-हीटिंग उत्पन्न करेगी, जिससे संवेदनशील तत्व का स्वयं का तापमान बढ़ जाएगा, जिससे अतिरिक्त त्रुटियां उत्पन्न होंगी। इसलिए, "कैसे मापें" स्वयं तापमान माप सटीकता का हिस्सा है, सेंसर चयन का अंत नहीं।

चरण 4: एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण, निरंतर परिवर्तनों को डिजिटल मात्रा में परिवर्तित करना

यदि सिस्टम एक डिजिटल नियंत्रक का उपयोग करता है, तो अधिग्रहण सर्किट को आमतौर पर एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) के माध्यम से एनालॉग वोल्टेज या करंट को डिजिटल कोड में परिवर्तित करने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, प्रतिरोध परिवर्तन के अनुरूप एनालॉग वोल्टेज को एडीसी द्वारा नमूना किए जाने के बाद, नियंत्रक को "25℃" जैसे भौतिक तापमान के बजाय अंकों की एक श्रृंखला प्राप्त होती है।

इस बिंदु पर, सिस्टम "विद्युत संकेतों को मापने" से "गणना चरण" में स्थानांतरित हो गया है।

चरण 5: अंशांकन संबंध के आधार पर तापमान की गणना करें

अंत में, नियंत्रक सेंसर के अनुरूप प्रतिरोध-तापमान या वोल्टेज-तापमान संबंध के अनुसार डिजिटल मात्रा को तापमान मान में परिवर्तित करता है। यह प्रक्रिया तालिका लुकअप, सूत्र गणना या अंशांकन गुणांक का उपयोग कर सकती है। मानक प्लैटिनम प्रतिरोधों के लिए, इसे संबंधित मानक सूत्र और सटीकता ग्रेड के संयोजन में भी परिवर्तित किया जाएगा।

तो आप जो "25.3℃" देख रहे हैं वह वास्तव में सेंसर के एक घटक द्वारा उत्पादित प्रत्यक्ष डिजिटल मान के बजाय संपूर्ण माप श्रृंखला के संयुक्त कार्य का परिणाम है।

जो वास्तव में याद रखने योग्य है वह है: तापमान सेंसर "समझने" के लिए जिम्मेदार है, माप सर्किट "पढ़ने" के लिए जिम्मेदार है, और एल्गोरिदम और नियंत्रण प्रणाली "समझने" के लिए जिम्मेदार है।

तृतीय. अंतिम विचार: तापमान सेंसर वास्तव में "संवेदना" को "डेटा" में बदल देता है

लेख की शुरुआत में प्रश्न पर लौटते हुए: वास्तव में तापमान सेंसर क्या है?

एक वाक्य में: यह सीधे तौर पर तापमान को "देखता" नहीं है, बल्कि तापमान के कारण होने वाले भौतिक परिवर्तनों को महसूस करता है, फिर अधिग्रहण, रूपांतरण, अंशांकन और गणना के माध्यम से इन परिवर्तनों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है, और अंत में हमारे द्वारा देखे जाने वाले तापमान मान को प्राप्त करता है।

इसे समझने से, बाद के कई प्रश्न आसान हो जाएंगे: आरटीडी प्रतिरोध-तापमान संबंध पर ध्यान क्यों केंद्रित करता है? थर्मोकपल को कोल्ड जंक्शन मुआवजे की आवश्यकता क्यों है? एनटीसी बी मूल्य पर जोर क्यों देता है? करंट मापने से आरटीडी पर प्रभाव क्यों पड़ता है? सेंसर स्थापना विधि परिणाम को प्रभावित क्यों करती है? उच्च-विश्वसनीयता वाले उत्पादों को पर्यावरणीय और यांत्रिक परीक्षणों से गुजरने की आवश्यकता क्यों है?

क्योंकि वे सभी अनिवार्य रूप से एक ही प्रश्न का उत्तर दे रहे हैं: "तापमान परिवर्तन" को "विश्वसनीय डेटा" में स्थिर, सटीक और दोहराने योग्य कैसे बनाया जाए।

——एक सहकर्मी-समीक्षित सार्वजनिक खाते से निकाला गया