Резистивный детектор температуры

Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления т. е. с увеличением температуры сопротивление проводника растет. Это свойство используется в резистивных детекторах температуры.

Резистивные детекторы температуры (resistance temperature detector -RTD) обычно выполняются из платиновой проволоки. Сопротивление R_T является практически линейной функцией температуры Т (в °С) при опорном значении Т₀ = 0°С. Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллендара-Ван Дьюзена (en), с известными коэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы в международном стандарте МЭК 60751:

и константы (для платинового сопротивления) -

Поскольку коэффициенты B и C относительно малы, сопротивление растёт почти линейно по мере роста температуры.

Рисунок 10.2. Температурная характеристика сопротивления резистивного детектор температуры и термистора

Существуют RTD для набора стандартных сопротивлений. Наиболее часто используемый тип имеет сопротивление 100 Ом при опорной температуре 0°С (273°К), у него есть собственное имя — Pt-100.

Датчики типа RTD имеют весьма низкую чувствительность, и любой ток i, используемый для определения изменения сопротивления, будет нагревать датчик, изменяя его показания на величину, пропорциональную квадрату тока. Выходное сопротивление чаще всего измеряется мостовыми схемами.

Конструктивно терморезистивный детектор температуры выглядит следующим образом.

Р исунок 10.3. конструкция RTD

1 – корпус (металлический);

2 – клеммы (выводы);

3 – катушка в виде тонкой проволоки;

4 – изолятор.

RTD имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), т.е. с ростом температуры растет и сопротивление. Терморезисторы практически не подвержены старению, очень живучие.

Термистор

Термистор (thermistor), т. е. температурно-зависимый резистор, изготавливается из полупроводникового материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент и высокую чувствительность. Его сопротивление нелинейно зависит от температуры:

,

где Т- температура в градусах Кельвина,

R₀ — сопротивление при опорной температуре Т₀

(обычно 298 °К, т. е. 25 °С ),

Р - постоянная (обычно 3000-5000 °К).

Наклон кривой R-Т (рис. 1.2) соответствует температурному коэффициенту а, который, в свою очередь, является функцией температуры

значение коэффициента а обычно лежит в диапазоне от -0.03 до -0.06 К^-1 при 25°С (298К).

Из-за конечного сопротивления термистора при протекании по нему тока выделяется тепло. Энергия, выделяемая в термисторе при 25 °С, имеет обычно порядок 0.002 мВт. При постоянной рассеяния около 1 мВт/°С температура датчика будет повышаться на 1 °С (на воздухе) на каждый милливатт рассеиваемой мощности.

Термистор не является точным датчиком температуры. Однако, благодаря своей чувствительности, он используется для измерений малых отклонений температуры. Это устройство довольно надежно как механически, так и электрически. Нелинейное выходное напряжение термистора должно быть преобразовано в линейную зависимость от температуры. Это можно сделать с помощью аналогового устройства или программным способом. Программными средствами можно непосредственно задать градуировочную таблицу или функцию - обратную характеристике термистора. Линейность характеристики можно получить, присоединив к термистору несложные электронные устройства. Термисторы применяются для измерения температур вплоть до 500-600 °С.

Полупроводниковые детекторы температуры

Н а рисунке показана популярная схема стабилитрона «запрещенной зоны» которая одновременно может служить и датчиком температуры. Т₁, и Т₂-согласованная пара транзисторов, вынужденная благодаря обратной связи по разности напряжений коллекторов работать при отношении токов коллекторов 10:1. Разность напряжений U_БЭ равная (kT/q)ln10, делает ток эмиттера Т₂ пропорциональным температуре (разность напряжений приложена к резистору R1). Но поскольку коллекторный ток T₁ всегда в 10 раз больше этой величины, он также пропорционален Т. Поэтому суммарный эмиттерный ток пропорционален Т и создает на резисторе R₂ падение напряжения, имеющее положительный температурный коэффициент. Это падение напряжения может быть использовано в качестве выходного сигнала температурного датчика. В данной схеме напряжение, снимаемое с резистора R₂, складывается с напряжением U_БЭ транзистора Т₁, для получения стабильного опорного напряжения с нулевым температурным коэффициентом нa базах транзисторов Т₁ и Т₂. «Опорные источники запрещенной зоны» существуют в самых разных вариантах, но для них всех характерно сложение напряжения U_БЭ с напряжением, созданным парой транзисторов, работающих с некоторым заданным отношением плотностей токов. Датчики, такие как LМ35 и LМ335, генерируют на выходе точное напряжение с крутизной +10 мВ/°С.

Эффект теплового расширения.

Принцип действия: основан на зависимости объемного расширения (жидкости, газа) от температуры

а) Стеклянный термометр

Д иапазон: -100 С – 600 С

Достоинства: высокая точность, дешевизна.

Недостатки: хрупкие, не ремонтопригодны, невозможность передавать показания на расстоянии

б) Биметаллический термометр

Д ве спаянные пластинки с различными коэффициентами теплового расширения. Изгибаясь, замыкают контакты. Используются как тепловые реле.

с) Манометрический способ измерения температуры.

Приняты следующие обозначения:

1 – баллон, находящийся в месте измерения;

2 – рабочая легкокипящая жидкость (фреон);

3 – капилляр;

4 – сильфонная камера;

5 – шток;

6 – стрелочный указатель;

7 – преобразователь перемещения в электрический сигнал (потенциометр).

8 – показывающее устройство

В качестве рабочей жидкости применяется фреон, который легко воспламеняется и имеет хороший коэффициент расширения.

Принцип действия:

При повышении температуры баллона внутри него повышается давление. Сильфон изменяет свои размеры, и механическое перемещение через шток 5 передается на стрелочный указатель и преобразователь 7.

Платиновые термосопротивления

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температуры газообразных, жидких и твердых сред в диапазоне -200…+540 °C. Они выпускаются с номинальными значениями сопротивления 100 Ом и 1000 Ом нормированными при т емпературе 0 С. Датчики характеризуются повышенной линейностью характеристики преобразования во всем диапазоне измеряемых температур, высокой точностью и малыми габаритными размерами. Большое разнообразие конструктивных исполнений (керамические выводные и безвыводные корпуса, сверхминиатюрные корпуса, корпуса из медно-никелиевого сплава) позволяет легко подобрать датчик как для монтажа на печатную плату или поверхность, так и для размещения его в исследуемую среду.

Кремниевые термисторы

Э ти датчики предназначены для измерения температуры неагрессивных газов (TD5A) и жидкостей (TD4A) в диапазоне -40…+150 °C. Чувствительным элементом является кристалл кремния с нанесенной на него структурой тонкопленочных резисторов. В процессе производства резисторы проходят процесс лазерной подгонки для обеспечения при температуре 20 С нормированного значения сопротивления 2000 Ом. - TDA4A имеет анодированный алюминиевый герметичный корпус в виде шпильки с резьбой по всей длине, допускающий погружение в жидкие среды. - TDA5A имеет стандартный миниатюрный корпус TO-92 с тремя выводами (средний не используется).

Аналоговые датчики температуры

Аналоговые полупроводниковые датчики температуры предназначены для линейного преобразования значения окружающей температуры или температуры какого-либо объекта в постоянное напряжение. Линейка этих приборов характеризуется большим разнообразием конструктивных исполнений (от миниатюрного MicroSMD корпуса до стандартного TO-220), широким диапазоном рабочих температур (есть модели -55…+150 °C), высокой точностью (до 1,0 °C в рабочем диапазоне), заводской калибровкой, малым током потребления и низкой стоимостью.

Цифровые датчики температуры

Цифровые датчики температуры предназначены для измерения и мониторинга температуры собственного корпуса и температуры удаленного объекта. Во втором случае измерение производится при помощи внешних термодатчиков (кремниевых диодов). Ц ифровые датчики объединяют на кристалле кремниевый термодатчик, АЦП (до 14 бит), регистры верхнего и нижнего значения собственной температуры и температуры удаленных датчиков, регистры конфигурации и гистерезиса, аналоговые компараторы, логику управления и реализации протоколов последовательной передачи данных (SPI, SMBus, I2C) и стабилизатор питания. Цифровые датчики температуры, обладают невысокой стоимостью, компактным исполнением и низким током потребления. Они позволяют просто и эффективно решить задачу отслеживания температуры важных компонентов устройства (силовые ПП модули и транзисторы, процессоры, обмотки двигателей и т. д.) и при возникновении перегрева сформировать сигнал тревоги или прерывания. Основным достоинством этих датчиков является сверхмалое потребление энергии и миниатюрное исполнение. У некоторых ИМС этого семейства имеется схема слежения, формирующая сигнал тревоги, при переходе измеряемой температуры за определенное пользователем пороговое значение. Отдельные атчики имеют возможность выбора пользователем разрядности АЦП, и соответственно времени преобразования.

Для примера приведены параметры датчиков этого класса фирмы Texas Instruments

Наименование	Температур-ный диапазон, °С	Интер-фейс	Точность. ±°C	АЦП, Olli	"пит В	'пир мкА	SHUT DOWN	PROG SET2	Тип корпуса
ТМР100	-55...+125	І2С SMBus	3,0	9...12	2,7... 5,5	I 45	+	+	SOT23-6
ТМРЮО-ЕР	-55...+125	I2C SMBus	3,0	9...12	2,7... 5,5	45	+	+	SOT23-6
ТМР101	-55...+125	I2C SMBus	3,0	9...12	2,7... 5,5	45	+	+	SOT23-6
ТМР121	-40...+125	SPI	2,0	12	2,7.5,5	35		+	SOT23-6
ТМР122	-40...+125	SPI	2,0	9...12	2,7... 5,5	50	+	+	SOT23-6
ТМР123	-55...+125	SPI	2,0	12	2,7... 5,5	35			SOT23-6
ТМР124	-40...+125	SPI	2,0	9...12	2,7... 5,5	50	+	+	SO-8
ТМР125	-40...+125	SPI	2,0	10	2,7... 5,5	50	+	+	SOT23-6
ТМР141	-40...+125	One-wire	3,0	10	2,7... 5,5	110		+	SOT23-6, MSOP-8
ТМР175	-40...+125	I2C SMBus	1.5	9...12	2,7... 5,5	50	+	+	SO-8
ТМР75	-40...+125	I2C SMBus	2,0	9...12	2,7... 5,5	50	+	+	MSOP-8, SO-8

Кремниевые PTC термисторы

К ремниевые PTC термисторы Philips Semiconductors хорошо известны на российском рынке датчиков. Они зарекомендовали себя как надежные и недорогие приборы, имеющие относительно невысокую погрешность преобразования, вполне приемлемую для большинства приложений. Производственная линейка включает несколько семейств, члены которых различаются по конструктивным признакам, электрическим характеристикам и точности.

Термисторы Philips Semiconductors производятся по уникальной технологии "разветвляющихся сопротивлений" и упаковываются в стандартные типы корпусов (SOT-23, SOT-70 и DO-34).

Термопредохранители

Термопредохранители представляют собой электромеханические термовыключатели с фиксированной температурой срабатывания. Также имеет место такое название, как "мотор-протекторы". Применяются для защиты от перегрева и от перегрузки по току обмоток одно и трех фазных электродвигателей переменного, а также постоянного тока. Основные области применения - это бытовая и промышленная техника и автомобилестроение. Это электродвигатели для стиральных машин, центрифуг, пылесосов, холодильных компрессоров, насосов, соковыжималок, миксеров, кухонных комбайнов, фенов, моечных машин, сушилок, газонокосилок, электропил и электроинструмента, тепловентиляторов, автомобильные двигатели приводов стеклоочистителей, воздушной заслонки, стеклоподъемников и дверных замков, различного рода насосов. Также к области применения относятся балласты л юминесцентных ламп и ламп высокого давления (HID), а также силовые трансформаторы, соленоиды, зарядные устройства, нуждающиеся в защите от перегрузки и перегрева.

Термостаты отличаются от термопредохранителей в основном тем, что обеспечивают размыкание либо замыкание контактов только в результате воздействия внешней температуры на биметаллический диск. То есть они не предназначены для того, чтобы производить коммутацию силовой цепи также и по превышению тока, проходящего через термостат. Типичное применение термостатов - газовые и электрические бойлеры, СВЧ печи, электрические маслорадиаторы, тепловые пушки, электронагреватели, системы "NO FROST" современных холодильников.

• широкий диапазон температур срабатывания: от -54°С до +290°С;

• большая номенклатура нагрузочных токов;

• полная изоляция от воздействия окружающей среды;

• большая ударная и вибростойкость;

• соответствие стандартам MIL-PRF-24236, UL, CSA и других международных организаций;

• мгновенное срабатывание (замыкание или размыкание контактов);

• миниатюрные размеры;

• предустановленное значение температуры срабатывания, не подлежащее регулировке в процессе эксплуатации;

• высокая надежность, большое число срабатываний;

• заказные варианты исполнения корпуса и типов крепления.