Temperature sebagai Sensor dan Transducer

Panas adalah bentuk energi, dan suhu adalah tingkatan panas; hubungan suhu panas adalah sama dengan tegangan menjadi energi listrik.    Panas suatu benda tidak dapat diukur dengan cara yang sederhana, tapi perubahan dalam kandungan panas sebanding dengan perubahan suhu. Sensor suhu beroperasi dengan menggunakan bahan-bahan yang karakteristiknya dipengaruhi oleh suhu.    Thermocouple (Gambar 1a) merupakan salah satu metode lama dalam mengukur suhu secara elektrik, dan proses tergantung pada potensi kontak yang selalu ada ketika dua logam berbeda bergabung. Kemungkinan kontak ini tidak dapat diukur secara langsung untuk satu titik, karena dalam setiap sirkuit setidaknya dua titik harus ada. 
   Ketika dua titik tersebut pada temperatur yang berbeda, namun perbedaan potensial (tegangan) dapat diukur, dan nilainya tergantung pada ukuran dari perbedaan suhu. Hubungan antara perbedaan suhu dan tegangan keluaran tidak linear (Gambar 1b) meskipun sebagian kecil dari kurva dapat diasumsikan linear.

Gambar 1 (a) Bagian thermocouople dan 
(b) grafik khas output diplot terhadap suhu

Sebagian kombinasi logam menunjukkan jenis karakteristik yang digambarkan, di mana puncak tegangan output pada titik yang disebut transition temperature, dan thermocouople tersebut biasanya digunakan di bawah titik ini.    Keuntungan yang luar biasa dari pemakaian termokopel adalah bahwa elemen penginderaan bisa sangat kecil, dan bahwa kisaran suhu dengan range tingkat tinggi. Data suhu / EMF untuk tiga jenis termokopel tradisional dicatat dalam Tabel 1, dengan asumsi bahwa sambungan dingin akan berada pada suhu 0 ◦ C.

Tabel 1 Perilaku thermoelectric logam

Catatan: Suhu (◦ C) / EMF (mV) Data berasumsi bahwa sambungan dingin akan berada pada suhu 0 ◦ C. Hanya rentang berguna ditampilkan.

Termokopel komersial biasanya digunakan pada sirkuit cold junction compensation yang memperbaiki tegangan yang diukur untuk memungkinkan suhu titik dingin berada di suhu udara. Ketika sistem ini digunakan kita tidak harus mengubah sambungan termokopel dengan cara apapun.    Logam termometer resistansi (Metal resistance thermometers) memanfaatkan perubahan resistivitas logam sebagai perubahan suhu. Untuk kebanyakan logam, koefisien temperatur resistivitas positif, sehingga meningkatkan daya tahan dengan naiknya suhu, dan nilai-nilai koefisien suhu sekitar 4 × 10-3. Bentuk standar resistensi termometer menggunakan platinum sebagai logam penginderaan dalam kisaran suhu -270 ◦ C sampai 660 ◦ C. 

    Perubahan resistansi diukur dengan menggunakan rangkaian jembatan, dan untuk pekerjaan yang tepat satu set lead dummy digunakan secara seri dengan resistor keseimbangan (Gambar 2) untuk mengimbangi pengaruh suhu pada mengarah ke unsur platinum - set lead boneka berjalan sejajar dengan mengarah ke unsur platinum dan tunduk pada perubahan suhu yang sama. Sebuah angka sensitivitas khas adalah 0,4 W perubahan hambatan per derajat Celcius dari suhu.

Gambar 2 Bentuk jembatan mengukur 
sirkuit yang digunakan untuk termometer 
resistensi platinum, menunjukkan bagaimana 
lead boneka yang terhubung.

Semikonduktor memiliki koefisien temperatur yang jauh lebih besar dari tahanan, dan bahannya sudah langka. Bahan-bahan ini digunakan untuk membentuk termistor, sekarang metode ini yang paling umum untuk mengukur suhu dengan cara listrik. Karakteristik resistensi / suhu yang khas diilustrasikan pada Gambar 3, menunjukkan bentuk non-linear dan karakteristik negatif (resistensi menurun dengan meningkatnya suhu). 

   Termistor biasanya digunakan dalam sirkuit seperti yang dari Gambar 4 - jika bagian dari seri resistor dibuat variabel dapat digunakan sebagai pengaturan jangkauan.

Gambar 3 Karakteristik thermistor khas 
dengan koefisien temperatur 
negatif dan bentuk non-linear.

Gambar 4 Menggunakan penguat operasional dalam 
rangkaian suhu termistor sensing. Sensitivitas dapat disesuaikan dengan mengubah rasio umpan balik.

 Film pyroelectric tidak begitu terkenal sebagai sensor suhu, tetapi saat ini sudah banyak tersedia karena kepekaannya terhadap radiasi panas (inframerah), dengan hasil bahwa komponen ini yang banyak digunakan dalam PIR (infra-merah pasif) sistem alarm. 

    Bahan yang paling disukai pada saat menulis adalah tantalit lithium, meskipun beberapa jenis plastik juga akan memberikan efek piroelektrik.    Sebuah detektor piroelektrik khas dibuat seperti sebuah kapasitor dengan satu pelat logam dan satu lempeng dari bahan piroelektrik yang telah metalisasi di satu sisi. Tegangan DC antara pelat akan mengubah sesuai dengan jumlah radiasi infra-merah mencolok bahan piroelektrik. Karena impedansi sumber sangat tinggi, output dari kapasitor piroelektrik harus untuk MOSFET, dan sel-sel piroelektrik tersedia paling komersial menggabungkan mosfet bersama dengan sel.    Gambar 5 menunjukkan sirkuit khas di mana MOSFET internal digunakan dalam rangkaian sumber-pengikut. Hal ini diikuti oleh dua tahap amplifikasi dan output yang digunakan dalam rangkaian threshold (IC3, IC4), yang pada gilirannya akan memicu transistor. LED ini biasanya digunakan untuk menunjukkan bahwa unit beroperasi dengan benar, dan output akan digunakan dalam rangkaian alarm yang dapat diaktifkan atau dinonaktifkan sesuai kebutuhan.

Gambar 5 Typical circuitry for a pyroelectric burglar alarm.

SUMBER