Устройство и назначение термосопротивлений – виды, типы конструкции, классы допуска

Обратите внимание! Для обозначения температуры в рабочем диапазоне терморезистора используют Кельвин, а не градус Цельсия. Это связано с уравнением Стейнхарта-Харта, где в расчетах по формуле учитываются абсолютная температура и сопротивление.

Пример и изображение терморезистора в схеме

Наиболее точные терморезисторы могут использоваться в качестве эталонов – точность реагирования у них доходит до долей градуса. Помимо температурного режима, приборы отличаются по способу нагрева.

Прямой и косвенный нагрев

Существует два типа устройств:

1. Прямого нагрева – реагируют на температуру окружающей среды либо на проходящий через деталь ток. Их большинство, применяются они повсеместно.
2. Косвенного нагрева – комбинированные приборы. Представляют собой терморезистор, температуру которого задает отдельный изолированный нагревательный элемент. Ток в этом случае проходит через него, а не через сам датчик.

Дальнейшее разделение основано на различиях в конструкции и материалах изготовления.

Особенности конструкций

Классификация основывается на ключевом параметре – температурном коэффициенте сопротивления (ТКС), который есть у любого проводника или полупроводника. Он указывает, на какую величину изменяется Ом за каждый градус. В зависимости от материала изготовления ТКС может быть положительным или отрицательным.

Позисторы

Позистор – что это такое, объясняет параметр ТКС. Резистор с положительным значением называется позистором (PTC). Основой для изготовления служит металл. Самыми высокими показателями термосопротивления при инертности к внешним воздействиям обладают медь и платина.

Пример позисторов

Особенности:

1. Медные терморезисторы стоят дешевле, но применяются только при работе с температурами до 180 градусов. У них низкая устойчивость к агрессивной среде и быстрая окисляемость.
2. Платиновые – работают до 1100 градусов, однако наиболее точные результаты показывают при верхней границе в 650. Недостаток – дороговизна.

Часто можно встретить вопрос: что такое позисторы ТСМ и ТСП. Ответом служит последняя буква, указывающая на основу: медь либо платину.

Основное назначение позистора – предохранитель для защиты элементов цепи. Используется последовательное подключение. Область их применения ограничена из-за малой скорости быстродействия.

Термисторы

Гораздо чаще применят более чувствительные и недорогие приборы  – термисторы. У терморезистора NTC отрицательный ТКС (с ростом температуры сопротивление уменьшается). При создании применяют полупроводниковые составы на основе окислов марганца, меди и кобальта. По сравнению с позисторами, такие устройства более долговечны, надежны, имеют стабильную линейность при работе до 200 градусов.

Термисторы со стандартной маркировкой

Недостаток – невозможность массового изготовления терморезисторов с идентичными характеристиками. Параметры могут отличаться даже у приборов из одной партии, из-за чего приходится повторно регулировать оборудование. Схема монтажа термисторов – мостовая.

Технические характеристики

Каждое устройство обладает набором параметров, на которые нужно обращать внимание при выборе:

1. Номинальное сопротивление. Это значение, полученное при фиксированной температуре (стандарт – 20 градусов).
2. ТКС – обратимое изменение сопротивления на каждый градус.
3. Максимальная мощность рассеяния. Иногда называют просто мощностью резистора. Показывает предельное значение, которое рассеивает ТР без необратимых последствий. Показатель актуален только в условиях соблюдения температурного режима.
4. Температурная чувствительность. Определяется в определенном диапазоне и зависит от свойств полупроводникового материала.

Эти значения нужно учитывать для приборов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Отрицательный коэффициент ТКС

Дело в том, что зависимость сопротивления от температуры у термисторов экспоненциальная. При этом номинальное сопротивление отдельного ТР может изменяться в больших пределах. Расчеты параметров полупроводниковых приборов сложнее – у позисторов принцип работы основан на линейной зависимости.

Область применения

Использование устройств зависит от их стоимости и точности измерений. Более дорогие позисторы применяют в сложных производствах, а также в качестве предохранителей. Например, их подключают к исполнительному реле, в случае нагрева схема отключается. Термисторы гораздо доступнее, что позволяет находить им широкое применение в быту.

Термодатчик воздуха

При правильной калибровке NTC резистор может использоваться для проверки нагрева окружающей воздушной среды. В этом случае точность измерений, как на производстве, не требуется – достаточно регулировки с шагом в 1 градус Цельсия.

Самодельный датчик температуры воздуха

Автомобильный термодатчик

Популярный способ применения – защита двигателя авто от перегрева. ТР соединяют с реле, которое отключает двигатель при угрозе перегрева. При достаточных знаниях можно подключить устройство к бортовому компьютеру для отображения температуры на дисплее.

Датчик пожара

Из терморезистора и биметаллических элементов пускателя можно создать конструкцию, аналогичную пожарной сигнализации. Для этого подойдут простые бусинковые ТР. Также датчик может работать, если нужно исключить срабатывания на дым, например, сигаретный.

Термистор как регулятор пускового тока

Есть ряд приборов, которые подвержены чрезмерным токам при первом запуске: лампы, двигатели и трансформаторы. Для их ограничения в цепь встраивается термистор. Вместо резких скачков осуществляется регулировка тока по нагрузке, по мере нагревания термистора и уменьшения сопротивления.

Алмаз и родственные материалы – особые терморезисторы

На рынке терморезисторов есть особый класс устройств – на основе монокристаллов алмаза, композитов и углеродных пленок. Они обладают сразу несколькими преимуществами:

• работоспособность при температурах до 1000 градусов;
• чрезвычайно высокая устойчивость к агрессивным воздействиям;
• высокая твердость при низкой инерционности.

У таких приборов есть особая маркировка – ТРА. Выпускают их без корпуса либо в стеклянной оболочке.

Чем можно заменить

Менять терморезистор лучше всего на аналогичный, сверяясь со справочником или технической документацией. Однако при наличии опыта и знаний об устройстве того или иного аппарата можно заменить ТР на обычный проволочный резистор. Следует проверить:

• условия срабатывания реле – по времени или напряжению;
• изменение времени выхода на рабочий режим;
• необходимость последовательного соединения сразу нескольких резисторов.

Важно понимать, какие функции выполнял ТР. В некоторых случаях замена окажется нецелесообразной либо невозможной.

Терморезисторы – необходимый элемент для функционирования современной электротехники. Это точный и эффективный датчик, позволяющий контролировать работу устройств во многих сферах. Его применяют уже более 90 лет, заменить его в ближайшее время удастся с малой вероятностью.

Видео

amperof.ru

Термистор: принцип работы

Содержание:

1. Термисторы: устройство и принцип работы
2. Применение термисторов
3. Видео: что такое термистор / терморезистор / термосопротивление

Термисторы являются разновидностью терморезисторов и относятся к категории приборов на основе полупроводников. Данные устройства получили широкое применение в электротехнике. Они изготавливаются из специальных полупроводниковых материалов с высоким отрицательным температурным коэффициентом. Во многих приборах используется термистор принцип работы которого основан на зависимости электрического сопротивления от температуры. Качество любого прибора, прежде всего, зависит от физических свойств полупроводника, а также от форм и размеров самого терморезистора.

Термисторы: устройство и принцип работы

Термистор представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Эти устройства изготавливаются в виде полупроводниковых стержней и покрываются защитным слоем эмалевой краски.

Соединение с другими деталями осуществляется с помощью контактных колпачков и выводов, для которых подходит только сухая среда. Для размещения некоторых моделей термисторов используется металлический герметичный корпус. В этом случае они становятся устойчивыми к любым агрессивным воздействиям и могут эксплуатироваться даже при высокой влажности в помещении.

Для того чтобы конструкция устройства была герметичной, применяется стекло и олово. Рабочие качества термисторов улучшаются, когда для оборачивания стержней применяется металлическая фольга. Токоотводы изготавливаются из никелевой проволоки. Номинальные значения сопротивления в различных устройствах находятся в пределах 1-200 кОм, а диапазон температур составляет от -100 до +1290С.

Работа термисторов основана на свойствах отдельных видов проводников, изменять показатели сопротивления под действием различных температур. Основными проводниками, используемыми в этих приборах, является медь и платина в чистом виде. Следует отметить, что значение отрицательного температурного коэффициента термисторов значительно превышает такие же параметры, свойственные обычным металлам.

Применение термисторов

Терморезисторы применяемые в качестве датчиков, могут работать в двух режимах. В первом случае температурный режим зависит лишь от температуры окружающей среды. Значение тока, проходящего через термистор, очень мало и нагревания устройства практически не происходит. Второй режим предполагает нагревание термистора электрическим током, проходящим внутри него. В данном случае значение температуры будет зависеть от различных изменяющихся условий тепловой отдачи. Это может быть плотность газовой среды, окружающей прибор, интенсивность обдува и другие факторы.

Каждый термистор, принцип работы которого основан на снижении сопротивления при повышении температуры, используется в определенных сферах электротехники. Они применяются для измерения и компенсации температуры, в крупных бытовых электроприборах — холодильниках и морозильных камерах, посудомоечных машинах и другой технике. Эти устройства нашли широкое применение в автомобильной электронике. С их помощью измеряется температура охлаждающей жидкости или масла, а также температурные показатели других элементов автомобиля.

В кондиционере термисторы устанавливаются в тепловом распределителе. Кроме того, они используются в качестве датчика слежения за температурой в комнате. С помощью термисторов осуществляется блокировка дверей нагревательных приборов, они устанавливаются в нагреватели теплых полов и в газовые котлы. Терморезисторы применяются, когда нужно определить уровень нестандартных жидкостей, например, жидкого азота. В целом, они получили самое широкое распространение в промышленной электронике.

electric-220.ru

Теория / ЭФО corporate blog / Habr

По этому поводу публикую две статьи, в которых читатель найдет довольно подробное описание этого типа датчиков, путеводитель по основным этапам производственного процесса и обзор возможностей, которые появляются при использовании тонкопленочных технологий.

В первой статье разбираемся с теоретической базой. Не слишком увлекательно, но весьма полезно.

Итак, под определение «датчик температуры» попадают тысячи самых разных изделий. Под датчиком можно понимать и готовое измерительное устройство, где на дисплее отображается значение температуры в градусах, и интегральную микросхему с цифровым сигналом на выходе, и просто чувствительный элемент, на базе которого строятся все остальные решения. Сегодня мы говорим только о чувствительных элементах, которые, впрочем, тоже будем называть словом «датчик».

Термометры сопротивления, которые также известны как термосопротивления и RTD (Resistance Temperature Detector) — это чувствительные элементы, принцип работы которого хорошо понятен из названия — электрическое сопротивление элемента растет с увеличением температуры окружающей среды и наоборот. Вероятно вы слышали о термосопротивлениях как о платиновых датчиках температуры типа Pt100, Pt500 и Pt1000 или как о датчиках 50М, 50П, 100М или 100П.

Иногда термосопротивления путают с термисторами или термопарами. Все эти датчики используются в похожих задачах, но, даже несмотря на то что термисторы тоже являются преобразователями температура-сопротивление, нельзя путать термосопротивления, термисторы и термопары между собой. О разнице в строении и назначении этих элементов написана уже тысяча статьей, так что я, пожалуй, не буду повторяться.

Отмечу главное: средний термометр сопротивления стоит в разы дороже, чем средний термистор и термопара, но только термосопротивления имеют линейную выходную характеристику. Линейность характеристики, а также гораздо более высокие показатели по точности и повторяемости результатов измерений, делают термосопротивления востребованными несмотря на разницу в цене.

1. Номинальная статическая характеристика (НСХ) и точность
2. Диапазон температур, на котором определяется НСХ и обеспечивается заявленная точность
3. Корпус датчика, тип и длина выводов

Номинальная статическая характеристика (НСХ)

НСХ — это функция (на практике чаще таблица значений), которая определяет зависимость сопротивление-температура.

Зависимость R(T), конечно, не является абсолютно линейной — на самом деле выходная характеристика термосопротивления описывается полиномом с известными коэффициентами. В простейшем случае это полином второй степени R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²), где R0 — номинальное сопротивление датчика, то есть значение сопротивления при 0°C.

Вид полинома и его коэффициенты описываются в различных национальных и международных стандартах. Действующий российский стандарт — ГОСТ 6651-2009. В Европе чаще используют DIN 60751 (он же IEC-751), однако одновременно с ним действует DIN 43760, в Северной Америке популярен стандарт ASTM E1137 и так далее. Несмотря на то что некоторые стандарты согласованы между собой, в целом картина довольно печальная и единого индустриального стандарта по факту не существует.

Наиболее популярные типы термосопротивлений — это платиновые датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 и др.), никелевые (Ni 6180, Ni 6720 и др.) и медные термосопротивления, например Cu 4280. Каждому типу датчиков соответствует свой полином R(T).

Приведенные наименования содержат название металла, который используется при изготовлении датчика, и коэффициент, который описывает отношение сопротивления датчика при 0 к сопротивлению при 100°C. Этот коэффициент, вместе со значением R0, определяет наклон функции R(T).

В разношерстных стандартах и, как следствие, в спецификациях на конкретные датчики, этот коэффициент может выражаться по-разному. Например, для платинового датчика может быть указан коэффициент альфа равный 0.00385 °C^-1, или температурный коэффициент 0.385%/°C, или TCR = 3850 ppm/K, однако во всех трех случаях подразумевается одна и та же зависимость R(T).

Используемый металл однозначно определяет степень полинома R(T), а коэффициенты полинома определяются температурным коэффициентом металла.

Например, для всех платиновых датчиков функция R(T) имеет следующий вид:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²) при T > 0
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x (T-100) x T³) при T < 0
где коэффициенты выбираются в зависимости от типа платины:

• Pt 3850 ppm/K (наиболее распространенная характеристика современных термосопротивлений)
  A = 3.9083 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.775 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.183 x 10^-12°C^-4
• Pt 3911 ppm/K (характеристика остается востребованной в РФ, т.к. в прошлом только она была внесена в ГОСТ)
  A = 3.9692 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.829 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.3303 x 10^-12°C^-4
  

Та же логика действует для меди и никеля. Например, НСХ всех никелевых датчиков описывается полиномом шестой степени:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x T³ + D x T⁴ + E x T⁵ + F x T⁶)
где коэффициенты определяются температурным коэффициентом никеля (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K и т.д.).

Осталось сказать о последнем параметре НСХ термометров сопротивления — о номинальном сопротивлении R0. Чаще всего используются датчики со стандартным R0 — 50, 100, 500 или 1000 Ом, однако иногда требуются тремосопротивления с R0 = 2000 и даже 10000 Ом, а также датчики с «не кратным» номинальным сопротивлением.

То есть каждому типу термосопротивления может соответствовать несколько НСХ с разными номинальными сопротивлениями R0. Для наиболее распространенных в РФ характеристик используют стандартные обозначения: Pt100 и Pt1000 соответствуют платине с температурным коэффициентом 3850 ppm/K и R0 = 100 и 1000 Ом соответственно. Унаследованные из советских справочников обозначения 50П и 100П — это датчики из платины с коэффициентом 3911 ppm/K и R0 = 50 и 100 Ом, а датчики известные как 50М и 100М — это медь 4280 ppm/K с номинальным сопротивлением 50 и 100 Ом.

Точность датчика
Точность термосопротивления — это то, насколько зависимость R(T) реального датчика может отклониться от идеальной НСХ. Для обозначения точности термосопротивлений используют понятие класса допуска (от же класс точности).

Класс допуска определяет максимальное допустимое отклонение от номинальной характеристики, причем задается это отклонение как функция температуры — при нуле градусов фиксируется наименьшее допустимое отклонение, а при уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Когда дело касается классов допуска, бардак в действующих стандартах только усугубляется — даже названия классов в разных источниках могут отличаться.

Класс допуска описывает не только максимальную величину допуска, но и диапазон температур, на котором этот допуск гарантируется. Вы, наверное, уже догадались, что в разных стандартах эти диапазоны могут существенно отличаться. Это действительно так, причем диапазон температур зависит не только от класса допуска и типа датчика, но и от технологии, по которой выполнен датчик — у намоточных датчиков диапазон всегда шире.

О том, что такое намоточные и тонкопленочные датчики — чуть ниже.

Я привожу все эти подробности о терминологии и разночтениях в стандартах чтобы донести одну простую мысль: выбирая термосопротивление легко запутаться и неверно истолковать характеристики элемента. Важно понимать какие именно требования вы предъявляете к элементу (в абсолютных цифрах, а не в классах) и сравнивать их с абсолютными цифрами из документации на конкретный датчик.

Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.

При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.

Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.

На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.

В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:

1. Высокие номинальные сопротивления. Тонкопленочная технология позволяет производить датчики с R0=1000 Ом той же ценой, что и датчики с номинальным сопротивлением 50, 100 или 500 Ом. К тому же, изготавливаются датчики и с более высоким номинальным сопротивлением, например 2000 и 10000 Ом.
2. Малый размер. Тонкопленочный датчик можно сделать гораздо более миниатюрным по сравнению с намоточным. Стандартный датчик Pt1000, например, может иметь габариты всего 1.6 x 1.2 мм.
3. Прямоугольная форма и миниатюрный размер пленочных датчиков позволяют выпускать не только выводные термосопротивления, но и SMD-компоненты стандартных размеров — 1206, 0805 и так далее.

upd #1: Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.

upd #2: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru

habr.com

Электрические термометры сопротивления. Устройство. Принцип действия. Требования к установке.

Термометр сопротивления – это средство измерения температуры, действие которого основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры.

Термометр сопротивления состоит из термопреобразователя сопротивления, вторичного прибора (уравновешенного, неуравновешенного моста или логометра), соединительной линии, прокладываемой изолированными проводами или кабелями с медными жилами.

Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры по электрическому сопротивлению металлов основывается на зависимости их сопротивления от температуры. Для изготовления проволочных термопреобразователей применяют медь, платину, никель, железо. Лучшим материалом, несмотря на дороговизну, является платина. Она инертна и длительное время сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур от —260 до 1100°С.

Недостатком меди является невысокое удельное сопротивление и интенсивное окисление ее в воздухе при температурах >200°С.

Никель устойчив против окисления на воздухе до 400°С, однако применяется для измерения температур лишь до + 180°С из-за значительной нелинейности характеристики при более высоких температурах.

Термопреобразователи изготавливаются из металла одинаковой чистоты, что проверяется измерением соотношения R₀ и R₁₀₀ (сопротивлений при температуре 0 и 100 °С соответственно). При поверке термопреобразователей сопротивлений достаточно измерить эти два сопротивления, чтобы быть уверенным в правильности их градуировки (номинальной статической характеристики) на всем рабочем диапазоне температур.

Определение температуры по сопротивлению производится с помощью градуировочных таблиц (приложение 5).

Поверка термопреобразователей сопротивления, находящихся в эксплуатации, производится в соответствии с ГОСТ 8.461-82 (СТ СЭВ 1058-78). Порядок поверки следующий:

• внешний осмотр, выявление видимых повреждений защитной арматуры и чувствительного элемента, удаленного из защитной арматуры;

• измерение сопротивления изоляции при помощи мегометра на 500 В;

• поверка отношения путем сравнения показаний поверяемого термопреобразователя с контрольным.

35. Требования, предъявляемые к материалам термометров сопротивления.

1. Стабильность статической хар-ки

2. Чистота металла при 0 °С и при 100°С

3. Высокий температурный коэффициент

4. Химическая инертность

5. Большое удельное сопротивление

36. Полупроводниковые термометры сопротивления (терморезисторы).

Терморези́стор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от еготемпературы^[1].

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году^[2].

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидовнекоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1—10 микрометров до нескольких сантиметров.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

Конструкция и разновидности терморезисторов

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (термисторы или NTC-термисторы, от слов «Negative temperature coefficient») и положительным (позисторы или PTC-термисторы, от слов «Positive temperature coefficient»)температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление; для термисторов — увеличении температуры приводит к падению их сопротивления.

Терморезисторы с ТКС (термисторы) изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoOx, NiO и CuO), полупроводников типа A^III B^V, стеклообразных, легированных полупроводников (Ge и Si), и других материалов. Представляют интерес терморезисторы изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO₃, имеющие положительный ТКС.

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор сгальванически изолированным нагревательным элементом, задающего температуру терморезистора, и, соответственно, его сопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого напряжением, приложенным к нагревательному элементу такого терморезистора.

Режим работы терморезисторов и их применение

Вольт-амперная характеристика позистора

Зависимость сопротивления терморезистора от температуры: 1 — ТКС < 0; 2 — ТКС > 0

Режим работы терморезисторов зависит от выбранной рабочей точки на вольт-амперной характеристики (или ВАХ) такого прибора. В свою очередь ВАХ зависит от приложенной к прибору температуры и конструктивных особенностей терморезистора.

Терморезисторы с рабочей точкой выставленной на линейном участке ВАХ используются для контроля за изменением температуры и компенсации параметров (электрическое напряжение или электрический ток) электрических цепей, возникших в следствии изменения температуры. Терморезисторы с рабочей точкой выставленной на нисходящем участке ВАХ (с «отрицательным сопротивлением») применяются в качестве пусковых реле, реле времени, в системах измерения и контроля мощности электро­магнит­ного излучения насверхвысоких частотах (или СВЧ), системах системы теплового контроля и пожарной сигнализации, в установках регулирования расхода жидких и сыпучих сред.

Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы (с температурным ТКС от −2,4 до −8,4 %/К), работающие в широком диапазоне сопротивлений (от 1 до 10⁶ Ом).

Так же существуют терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС) (от 0,5 до 0,7 %/К) выполненные на основе кремния, сопротивление которых изменяется по закону близкому к линейному. Такие терморезисторы находят применение в системах охлаждения и температурной стабилизации режимов работы транзисторов в различныхрадиоэлектронных системах.

studfiles.net

1. Назначение. Типы терморезисторов

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они применяются для измерения температуры в широком диапазоне от -270 до 1600 °С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой находится терморезистор, от скорости перемещения терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5) 10^-3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора увеличивается на 0,4—0,65 %. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применяются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляются и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окисляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры приходится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики, несколько отличающиеся от образца к образцу.

Широкое применение в автоматике получили полупроводниковые терморезисторы, которые для краткости называют термисторами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов марганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными примесями и др.

По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры в большие значения номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до -6 10^-2 1/ºС). Но этот коэффициент — отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими — непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термистор имеет нелинейную характеристику. При массовом производстве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

2. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

(1)

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника; α — температурный коэффициент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в градусах Цельсия соотношением Т К= 273 + Т°С.

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при начальной температуре Т₀ и имел сопротивление . При нагреве до температурыT его сопротивление . Возьмем отношение R_T и R₀:

(2)

Известно, что функцию вида e^x можно разложить в степенной ряд:

Для нашего случая . Так как величина α для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150 °С может быть принята постоянной α = 4,3 10^-3 1/ºС, то и произведение в этом диапазоне температур меньше единицы. Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше:

(3)

Выразим сопротивление при температуре T через начальное сопротивление при T₀

(4)

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные) с соответствующей градуировкой: гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при 0 ºC; гр. 24 имеет сопротивление 100,00 Ом при 0 ºC. Медные терморезисторы выполняются из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изоляции эмалью.

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в более широком диапазоне температур, чем медные, следует учитывать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции e^x.

В диапазоне температур от -50 до 700 °С достаточно точной является формула

(5)

где для платины α = 3,94 10^-3 1/ºС, β = 5,8 10^-7 (1/ºС)².

Платиновые терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСП (термосопротивления платиновые) с соответствующей градуировкой; гр. 20 имеет сопротивление 10,00 Ом при 0 °С, гр. 21 — 46,00 Ом; гр. 22 — 100,00 Ом. Платина применяется в виде неизолированной проволоки диаметром 0,05—0,07 мм.

В табл. 1 приведены зависимости сопротивления металлических терморезисторов от температуры; они называются стандартными градуировочными таблицами.

Таблица 1. Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры

На рис. 1 показано устройство платинового термометра сопротивления. Сам терморезистор выполнен из платиновой проволоки 1, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой. Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Серебряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление помещается в металлический защитный чехол 7.

Рис. 1. Платиновый термометр сопротивления

studfiles.net

Термопреобразователь сопротивлений: типы и принцип работы

Термопреобразователь сопротивлений: типы и принцип работы

От DA

Термопреобразователи сопротивления, также называемые резистивными датчиками температуры (RTD), являются устройствами, используемыми для измерения температуры. Многие RTD-элементы состоят из тонкой проволоки, обернутой вокруг керамического или стеклянного сердечника, но также используются и другие конструкции.

Провод RTD — это чистый материал, обычно платина, никель или медь. Металл имеет точное соотношение сопротивления и температуры, которое используется для индикации температуры. Поскольку элементы RTD являются хрупкими, они часто размещаются в защитных датчиках.

RTD, которые имеют более высокую точность и повторяемость, медленно заменяют термопары в промышленных применениях при температуре ниже 600 ° C.

Конструкция

Обычные чувствительные элементы RTD, изготовленные из платины, меди или никеля, имеют повторяемое соотношение сопротивления к температуре (R против T) и диапазон рабочих температур. Отношение Rs к T определяется как величина изменения сопротивления датчика на градус преобразования температуры. Относительное изменение сопротивления (температурный коэффициент сопротивления) изменяется незначительно в пределах полезного диапазона датчика.

Платина была предложена сэром Уильямом Сименсом в качестве элемента для резистивного температурного детектора на лекции Бейкера в 1871 году: это благородный металл и имеет наиболее стабильное соотношение сопротивление-температура в наибольшем диапазоне температур.

Никелевые элементы имеют ограниченный температурный диапазон, потому что величина изменения сопротивления на градус преобразования температуры становится очень нелинейной при температурах выше 300 ° C (572 ° F). Медь имеет очень линейное отношение сопротивления к температуре, однако она окисляется при умеренных температурах и не может использоваться при нагреве выше 150 ° C (302 ° F).

Характеристики соединений

Чистая платина имеет α = 0,003925 Ω / (Ω · ° C) в диапазоне от 0 до 100 °C и используется при создании RTD лабораторного уровня. И, наоборот, два широко признанных стандарта для промышленных термопреобразователей сопротивления IEC 60751 и ASTM E-1137 определяют α = 0,00385 Ом / (Ом · °C). До того как эти стандарты получили широкое распространение, использовалось несколько различных значений. Еще можно найти более старые датчики, изготовленные из платины, которые имеют α = 0,003916 Ом / (Ом · °C) и 0,003902 Ом / (Ом · °C).

Эти различные значения α для платины достигаются легированием: в основном, осторожно вводя примеси в платину. Последние, добавленные во время этого процесса, внедряются в решетчатую структуру платины и приводят к другой кривой R относительно T и, следовательно, к значению α.

Принцип работы

Чтобы охарактеризовать зависимость R от T для любого RTD в диапазоне температур, который представляет собой запланированный диапазон использования, калибровка должна выполняться при градусах, отличных от 0 °C и 100 °C. Это необходимо для удовлетворения требований настройки.

Хотя RTD считаются линейными в работе, необходимо доказать, что они точны в отношении температур, при которых они будут фактически использоваться (см. «Подробности» в опции калибровки сравнения). Два распространенных метода калибровки — это с фиксированной запятой и сравнения.

Калибровки

Настройка с фиксированной точкой используется для получения наивысшей точности национальными метрологическими лабораториями. Он использует тройную точку, температуру замерзания или плавления чистых веществ, таких как вода, цинк, олово и аргон, для создания известной и повторяемой температуры.

Эти ячейки позволяют пользователю воспроизводить фактические условия температурной шкалы ITS-90. Калибровка с фиксированной точкой обеспечивает чрезвычайно точную настройку (в пределах ± 0,001 °C). Распространенным методом калибровки с фиксированной точкой для промышленных датчиков является ледяная баня. Оборудование недорогое, простое в использовании и может вместить несколько датчиков одновременно. Точка льда обозначена как вторичный стандарт, поскольку ее точность составляет ± 0,005 °C (± 0,009 °F) по сравнению с ± 0,001 °C (± 0,0018 °F) для основных фиксированных точек.

Сравнительные калибровки обычно используются со вторичными SPRT и промышленными RTD. Откалиброванные термометры сравниваются с настроенными термопреобразователями сопротивления с помощью ванны, температура которой равномерно стабильна.

В отличие от калибровки с фиксированной точкой, сравнение может быть выполнено при любой температуре от −100 °C до 500 °C (от –148 °F до 932 °F). Этот метод может быть более экономичным, так как несколько датчиков способны калиброваться одновременно с помощью автоматического оборудования. В этих ваннах с электрическим подогревом и хорошо перемешиваемой водой используются силиконовые масла и расплавленные соли в качестве среды для различных настроек температур.

Типы термопреобразователей сопротивления

Три основные категории датчиков RTD — это тонкопленочные, проволочные и спиральные элементы. В то время как эти типы являются наиболее широко используемыми в промышленности, применяются другие более экзотические формы: например, углеродные резисторы используются при сверхнизких температурах (от -173 °C до -273 °C).

Углеродные резисторные элементы дешевы и широко распространены. Они имеют очень воспроизводимые результаты при низких температурах. Также являются наиболее надежной формой при экстремально низких температурах. Как правило, они не страдают от значительного гистерезиса или тензометрических эффектов.

В элементах без натяжения используется проволочная катушка, минимально поддерживаемая в герметичном корпусе, заполненном инертным газом. Эти датчики работают до 961,78 °C и используются в SPRT, которые определяют ITS-90. Они состоят из платиновой проволоки, без натяжения намотанной на опорную конструкцию, поэтому элемент может свободно расширяться и сжиматься в зависимости от температуры. Они очень чувствительны к ударам и вибрации, так как петли платины могут раскачиваться взад и вперед, вызывая деформацию. Типичный пример — термопреобразователь сопротивления pt100.

Тонкая пленка

Тонкопленочные элементы имеют чувствительный фрагмент, который формируется путем нанесения очень тонкого слоя резистивного материала, обычно платинового, на керамическую подложку (покрытие). Этот слой обычно имеет толщину от 10 до 100 нг (от 1 до 10 нанометров).

Эта пленка затем покрывается эпоксидной смолой или стеклом, которое помогает защитить ее, а также действует, как средство от натяжения для внешних подводящих проводов. Недостатки этого типа заключаются в том, что они не так стабильны, как их проволочные или спиральные аналоги.

Они также могут быть использованы только в ограниченном температурном диапазоне из-за разных скоростей расширения подложки и осаждения с сопротивлением, что дает эффект «тензометрического датчика», который можно увидеть в коэффициенте удельной температуры. Эти элементы работают при температурах до 300 °C (572 °F) без дополнительной упаковки, но могут выдерживать до 600 °C (1112 °F), когда они надлежащим образом заключены в стекло или керамику. Специальные высокотемпературные термопреобразователи сопротивления могут использоваться при температуре до 900 °C (1652 °F) с правильной герметизацией.

Проволочная обмотка

Элементы с проволочной обмоткой могут иметь большую точность, особенно для широкого диапазона температур. Диаметр катушки обеспечивает компромисс между механической стабильностью и возможностью расширения проволоки для минимизации деформации и последующего дрейфа. Чувствительный провод наматывается на изолирующую оправку или сердечник. Последний может быть круглым или плоским, но должен быть электрическим изолятором.

Коэффициент теплового расширения материала сердечника обмотки согласован с чувствительным проводом, чтобы минимизировать любую механическую нагрузку. Эта деформация на элементном проводе приведет к погрешности измерения температуры. Чувствительный элемент соединен с более крупным проводом. Он выбирается так, чтобы создавалась совместимость с чувствительным проводом, а их комбинация не производила ЭДС, которая исказила бы тепловые измерения. Эти элементы работают с температурой до 660 °С.

Спирали

Подобные элементы в значительной степени заменили проволочные в промышленности. Это особенно заметно в случае с 50 М термопреобразователями сопротивления. Эта конструкция имеет проволочную катушку, которая может свободно расширяться, в зависимости от температуры, и удерживаться на месте некоторой механической опорой, которая позволяет катушке сохранять свою форму.

Такая конструкция без натяжения позволяет чувствительному проводу расширяться и сжиматься без воздействия других материалов: в этом отношении он аналогичен SPRT, первичному стандарту, на котором основан ITS-90, обеспечивая при этом долговечность, необходимую для промышленного использования.

Основой чувствительного элемента является небольшая катушка из платиновой проволоки. Эта катушка напоминает нить в лампе накаливания. Корпус или оправка представляет собой твердо обожженную керамическую оксидную трубку с одинаково расположенными отверстиями, проходящими поперек осей. Катушка вставляется в отверстия оправки и затем упаковывается очень тонко измельченным керамическим порошком. Это позволяет сенсорному проводу двигаться, оставаясь при этом в хорошем тепловом контакте с процессом. Эти элементы работают при температуре до 850 °С.

Стандарты и нормы

В настоящее время международным стандартом, который устанавливает допуск и отношение температуры к электрическому сопротивлению для платиновых термопреобразователей сопротивления ТСП, является IEC 60751: 2008; ASTM E1137 также используется в США.

Безусловно, наиболее распространенные устройства, используемые в промышленности, имеют номинальное сопротивление 100 Ом при 0 °C и называются датчиками Pt100 («Pt» — символ для платины, «100» для сопротивления в Ом при 0 °C). Также можно получить датчики Pt1000, где 1000 — это сопротивление в омах при 0 °C. Чувствительность стандартного датчика 100 Ом составляет номинальную 0,385 Ом / °C. Также доступны RTD с чувствительностью 0,375 и 0,392 Ом / °C, а также множество других.

Термопреобразователи сопротивления ТСМ конструируются в нескольких формах и в ряде случаев обеспечивают большую стабильность, точность и повторяемость, чем пары. В то время как термопары используют эффект Зеебека для генерации напряжения, вышеупомянутые приборы используют электрическое сопротивление и требуют источника питания для работы. Оно в идеале изменяется почти линейно с температурой в соответствии с уравнением Каллендара – Ван Дюзена. Для его измерения хорошо подходит термопреобразователь сопротивления ДТС.

www.navolne.life