Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой
R(T) = A exp(b/T)
где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.
Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта
1/T = a+b(lnR)+c(lnR)3
где T – температура в К;
R – сопротивление в Ом;
a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 С.
Стеклянный термистор.
Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 С близкие к следующим значениям:
Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 С в диапазоне от 0 до 70 С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.
Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром.
В диапазоне от 0 до 100 С сличение проводится в точках с интервалом 20 С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 –5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:
1/T = a+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3
Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 С), точка плавления галлия (29,7646 С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.
Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток
При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК)
Для начала определимся с таким типом радиодеталей, как термисторы (или, как их еще называют – терморезисторы). Они представляют собой полупроводниковый элемент, у которого меняется сопротивление в зависимости от температуры. Эта зависимость может быть:
Терморезисторы часто разделят по диапазонам рабочих температур:
Обозначение термистора указано на рисунке ниже.
Устройство термистора.
Для того, чтобы узнать значение сопротивления его надо измерить. Сделать это можно с помощью включения его в измерительную цепь. Для этого используют 3 типа схем, которые отличаются между собой количеством проводов и достигаемой точностью измерений:
Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь:
Схема подключения терморезистора по двухпроводной схеме.
В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема используется там, где не требуется высокой точности измерения. Точность измерения снижается за счёт сопротивления соединительных проводов, суммирующегося с собственным сопротивлением термометра и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров классов А и АА.
Эта схема обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
Является наиболее точной схемой измерения, обеспечивающей полное исключение влияния на результат измерения подводящих проводов. При этом по двум проводникам подается ток на терморезистор, а два других, в которых ток равен нулю, используются для измерения напряжения на нём. Недостаток такого решения — увеличение объёма используемых проводов, стоимости и габаритов изделия. Эту схему Невозможно использовать в четырехплечем мосте Уитстона.
В промышленности наиболее распространенной является трёхпроводная схема. Для точных и эталонных измерений используется только четырёхпроводная схема.
Существует множество радиоэлектронных компонентов, которые изменяют некоторые свои параметры под действием изменения температурного режима. Таким элементом является и термосопротивление, или же как его еще называют – терморезистор. Из названия уже понятно, что деталь увеличивает сопротивление при повышении температуры.
Термосопротивление – это полупроводник, очень зависимый от температурных режимов, именно данный параметр, а также высокий коэффициент сопротивления, позволяет использовать устройство практически во всех отраслях промышленного производства. Термосопротивления (терморезисторы) производят из различных материалов, имеющих разное удельное сопротивление. К основным качественным показателям данного РЭК относят высокий коэффициент температур, химическую стабильность, температуру плавления.
Термосопротивление могут быть различные по конструкции изготовления, но больше всего распространены полупроводниковые стержни, покрытые эмалью. К стержню подводятся выводы и контактные колпачки, использовать их можно только лишь в среде, которая сухая. Множество подобных элементов отлично действуют в определенном температурном промежутке, любой же перегрев их вызывает отрицательное действие и ведет к разрушению терморезистора. Для того, чтобы защитить их от пагубного воздействия от внешнего негативного фактора, конструкцию термосопротивлений помещают в специальные герметичные корпуса. Такие детали можно использовать в любой среде, даже влажной. Если элементы производились из материалов, имеющих плохую проводимость, то изменение температурного режима способно привести к изменениям в сопротивлении в несколько десятков раз. Применение материала изготовления с идеальной проводимостью ведет к соотношению в пределах десяти. Если соблюдать все необходимые нормы, соответствующие техническим характеристиками того или иного типа терморезисторов, можно продлить их эксплуатационный срок до нескольких лет.
Наиболее популярны РЭК, при изготовлении которых используют платину, позволяющую выдерживать широкий диапазон температур: минус 200 – плюс 1200 градусов по Цельсию, иметь высокий температурный коэффициент, стойкость к процессам окисления и технологичность. Также, материалом для производства терморезисторов могут применять никель, медь.
Медные термосопротивления идеальны, когда необходимо продолжительное измерение рабочей температуры, при этом диапазон колеблется в пределах минус 200 – плюс 200 градусов. Достоинства меди, как материала: недорогая, без примесей, технологична, сопротивление линейно зависит от температуры. К недостаткам можно отнести: сопротивление удельное невысоко, сильное окисление. Эти недостатки приводят к ограничениям использования медных термосопротивлений.
Никелевые термосопротивления превосходно подходят, что измерять температуры, находящиеся в пределах минус 100 – плюс 300 градусов. К достоинствам можно отнести невысокую тепловую инерцию, сопротивление номинала идеальное. Недостатки: нелинейные, нестабильные номинальные статические характеристики, невозможность их взаимозаменять, так присутствует значительный разброс сопротивления номинального.
Датчики термосопротивлений подключаются по нескольким схемотипам: двухпроводная, трехпроводная, четырехпроводная. Двухпроводная не является распространенной, так как сопротивление соединительных проводов дает значительные погрешности при измерении. Более популярны именно трехпроводные схемы, так как именно такая схема применяется для подключения датчиков к различному виду контроллеров. Схему четырехпроводную применяют для подключения датчиков термосопротивлений к техническим и коммерческим устройствам, чтобы получать наиболее точные данные при потреблении энергоресурсов. Четырехпроводная схема позволяет обеспечить полную компенсацию сопротивления соединительных проводов и высочайшую точность в показаниях.
Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллендара-Ван Дьюзена (en), с известными коэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы в стандарте DIN EN 60751-2009 (ГОСТ 6651-2009):
Поскольку коэффициенты B{\displaystyle B} и C{\displaystyle C} относительно малы, сопротивление растёт практически линейно при увеличении температуры.
Для платиновых термометров повышенной точности и эталонных термометров выполняется индивидуальная градуировка в ряде температурных реперных точек и определяются индивидуальные коэффициенты вышеприведенной зависимости.
Основная статья: Терморезистор
Терморезистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от температуры.
Для терморезисторов характерны большой температурный коэффициент сопротивления, простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Они могут иметь весьма малые размеры, что существенно для измерений температуры малых объектов и снижения инерционности измерения. Обычно терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, в отличие от большинства металлов и металлических сплавов. Позисторы – имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть при увеличении температуры, сопротивление также возрастает.
Производители применяют различные инженерные решения при выпуске продукции этой категории. Для уточнения на стадии сравнения можно изучить официальную сопроводительную документацию либо запросить необходимые данные на сайте компании.
Типовые конструкции ТС
| № | Наименование | Основные данные | Особенности |
|---|---|---|---|
| 1 | Strain-free | Основной элемент освобожден от нагрузок порошковой засыпкой из оксида алюминия | Разным цветом глазури, герметизирующей торцевую часть, обозначают соответствие определенному температурному диапазону |
| 2 | Hollow nnulus | Рабочий проводник наматывается на полый цилиндр | Материалы конструкции подбирают с учетом коэффициентов теплового расширения |
| 3 | Thin-film | Из металла формируют тонкий слой на изоляторе (керамической основе) | Эта модель отличается быстродействием, высокой чувствительностью |
| 4 | Проволока в стеклянной оболочке | В такой конструкции обеспечиваются идеальная герметизация проводника, надежная защита от внешних воздействий | Подобные решения используют для изготовления дорогих серий датчиков, которые рассчитаны на сложные условия эксплуатации |
Представляет собой резистор, изготовленный из металлической проволоки или металлической плёнки на диэлектрической подложке и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры.
Наиболее точный и распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это обусловлено тем, что платина имеет стабильную и хорошо изученную зависимость сопротивления от температуры и не окисляется в воздушной среде, что обеспечивает их высокую точность и воспроизводимость. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом 0,003925 1/К при 0 °C.
В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры сопротивления. Технические требования к рабочим термометрам сопротивления изложены в стандарте ГОСТ 6651-2009 (Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы номинальных статических характеристик (НСХ) и стандартные зависимости сопротивление-температура. ГОСТ 6651-2009 соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В этих стандартах, в отличие от ранее действующих стандартов не нормированы номинальные сопротивления при нормальных условиях. Начальное сопротивление изготовленного термосопротивления может быть произвольным с некоторым допуском.
Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев считаются имеющими стандартную зависимость сопротивление-температура (НСХ), что обеспечивает погрешность не более 0,1 °C (класс термосопротивлений АА при 0 °C).
Термометры сопротивления изготовленные в виде напыленной на подложку металлической плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном рабочих температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов, составляет 660 °C (класс С), для плёночных — 600 °C (класс С).
Датчик подключают в цепь со стабилизированным источником питания и подходящим по классу точности прибором (вольтметром, амперметром). С помощью этой простой схемы будет определяться измеряемый параметр по регистрации соответствующих электрических величин. Принцип работы обусловлен зависимостью сопротивления проводника от температуры проводника при нагреве или охлаждении.
В металлах движению свободных электронов создают препятствия примеси. На прохождение заряженных частиц оказывает влияние состояние кристаллической решетки. По мере снижения температуры амплитуда колебаний молекул уменьшается. При достижении определенного уровня возникает сверхпроводимость, когда сопротивление становится пренебрежительно малой величиной. Нагрев провоцирует обратные реакции компонентов молекулярной решетки. Соответствующим образом ухудшается проводимость.
Несмотря на сравнительно высокую стоимость, достаточно часто производители применяют именно этот материал. Почему выбирают это решение, понятно из перечня следующих преимуществ:
Упомянутый в списке температурный коэффициент (Тк) рассчитывают по формуле:
Тк = (Rи – Rб)/((Ти – Тб) * 1/Rб),
где:
Из выражения понятно, что уменьшение коэффициента сопровождается увеличением точности. Базовое электрическое сопротивление определяют при T=0°C.
Термометры сопротивления могут использоваться для измерения температуры электрическим путем, так как существует прямо пропорциональная зависимость между изменениями сопротивления и изменением температуры.
Другими словами, при повышении температуры величина сопротивления возрастает прямо пропорционально, а при понижении температуры сопротивление пропорционально уменьшается. Подобный принцип используется в термометрах сопротивления, так как сопротивление термометра уменьшается или увеличивается пропорционально температуре процесса, который он измеряет. Любое изменение сопротивления может быть зарегистрировано и преобразовано в температурные показания с помощью таблицы, или отображено на шкале, которая откалибрована в единицах измерения температуры.
Как и термопара или любой другой температурный датчик термометр сопротивления (RTD) функционален при измерении температуре только, если он подсоединен к электрической цепи. Обычно с термометрами сопротивления применяются мостовые схемы, так как такие схемы позволяют добиться высокой точности. Вместе с мостовой схемой используется батарея, которая служит в качестве источника питания. Цепи термометров сопротивления должны иметь внешний источник питания, так как они не способны генерировать напряжение сами.
Мостовая схема термометра сопротивления с батареей
Мостовая схема, изображенная на рисунке выше состоит из пяти резисторов: Р1, R2, R3, R4, R5; и точек соединения: А, В, С, D.
В данном случае давайте предположим, что каждый резистор в мостовой схеме обладает одинаковым сопротивлением. Так как ток протекает от минуса к плюсу в данном контуре, то протекание начинается с минусовой клеммы батареи и ток достигает точки А. В точке А ток расщепляется на равные части: одна половина протекает через сопротивление R1 в точку В, а другая половина протекает через R2 к точке С. Так как сопротивление всех резисторов одинаковое, то между точками В и С нет разницы в величине напряжения, поэтому ток через R5 не протекает.
Когда ток через средний резистор не протекает, то мост, как говорится «уравновешен». В данном примере ток протекает от точки В, через R3 в точку D. Ток также протекает от точки С через R4 в точку D. Ток от точки D возвращается на положительную клемму батареи, завершая цепь.
Протекание тока через уравновешенный мост
Мостовая схема, изображенная на рисунке выше похожа на предыдущую схему за исключением того, что резистор R3 заменен термометром сопротивления. В данной конфигурации ток по-прежнему протекает от минусовой клеммы батареи на точки В и С. Однако, если сопротивление термометра сопротивления (RTD) отличается по величине от сопротивления резистора R4, то между точками В и С появится напряжение. Это означает, что мост неуравновешен и ток будет протекать через резистор R5.
Мостовая схема с термометром сопротивления
Ток, протекающий через мост, может быть измерен, если мы заменим R5 измерительным прибором, который и будет определять температуру, измеряя ток. Так схема обеспечивает высокую точность, то она часто используется вместе с термометрами сопротивления для измерения температуры.
Мостовая схема с термометром сопротивления и измерительным прибором
Когда для измерения температуры используются термометры сопротивления, то они включаются в схему, подобно той, что показана на рисунке выше. Во многих случаях термометры сопротивления расположены на удалении от остальных элементов цепи, так как они подвержены воздействию температуры технологического процесса. По мере того, как температура вокруг термометра меняется, то пропорционально меняется величина сопротивления термометра. Когда сопротивление термометра меняется, то мост становится неуравновешенным и определенный ток протекает через измерительный прибор. Этот ток пропорционален изменениям температуры. Температура процесса затем может быть определена по показаниям шкалы прибора. В некоторых случаях шкалы откалиброваны на показания величины сопротивления, а не температуры. В таких случаях надо воспользоваться переводной таблицей для перевода ом в градусы.
Терморезистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от температуры.
Для терморезисторов характерны большой температурный коэффициент сопротивления, простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Они могут иметь весьма малые размеры, что существенно для измерений температуры малых объектов и снижения инерционности измерения. Обычно терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, в отличие от большинства металлов и металлических сплавов.
Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что
Опыт показывает, что при не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами:
где ρ, ρt — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при 0 °С и t °C; R, Rt — сопротивления проводника при 0 °С и t °С, α — температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К-1). Для металлических проводников эти формулы применимы начиная с температуры 140 К и выше.
Температурный коэффициент сопротивления вещества характеризует зависимость изменения сопротивления при нагревании от рода вещества. Он численно равен относительному изменению сопротивления (удельного сопротивления) проводника при нагревании на 1 К.
где \(~\mathcal h \alpha \mathcal i\) — среднее значение температурного коэффициента сопротивления в интервале ΔΤ.
Для всех металлических проводников α > 0 и слабо изменяется с изменением температуры. У чистых металлов α = 1/273 К-1. У металлов концентрация свободных носителей зарядов (электронов) n = const и увеличение ρ происходит благодаря росту интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки.
Для растворов электролитов α α = -0,02 К-1. Сопротивление электролитов с ростом температуры уменьшается, так как увеличение числа свободных ионов из-за диссоциации молекул превышает рост рассеивания ионов при столкновениях с молекулами растворителя.
Формулы зависимости ρ и R от температуры для электролитов аналогичны приведенным выше формулам для металлических проводников. Необходимо отметить, что эта линейная зависимость сохраняется лишь в небольшом диапазоне изменения температур, в котором α = const. При больших же интервалах изменения температур зависимость сопротивления электролитов от температуры становится нелинейной.
Графически зависимости сопротивления металлических проводников и электролитов от температуры изображены на рисунках 1, а, б.
При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С), сопротивление многих металлов скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Металл переходит в сверхпроводящее состояние.
Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве термометрического тела такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры достаточно изучена.
Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры непригодны.
•
uuuulala
•
#312898
•
Хабрахабр
•
•
7200
Промышленное программирование, Разработка робототехники, Разработка для интернета вещей, Блог компании ЭФО
Недавно мне повезло побывать на производстве датчиков температуры, а точнее на швейцарском предприятии IST-AG, где делают платиновые и никелевые термосопротивления (RTD).
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.
Номинальная статическая характеристика (НСХ)2ГОСТ 6651-2009-1R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2)R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x (T-100) x T3)
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x T3 + D x T4 + E x T5 + F x T6)Точность датчика
| Другие названия | Допуск, °С | |
| Класс АA | Class Y 1/3 DIN 1/3 B F 0.1 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.1 (если речь о намоточном датчике) | ±(0.1 + 0.0017 |T|) |
| Класс A | 1/2 DIN 1/2 B F 0.15 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.15 (если речь о намоточном датчике) | ±(0.15 + 0.002 |T|) |
| Класс B | DIN F 0.3 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.3 (если речь о намоточном датчике) | ±(0.3 + 0.005 |T|) |
| Класс C | Class 2B Class BB F 0.6 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.6 (если речь о намоточном датчике) | ±(0.6 + 0.01 |T|) |
| — | Class K 1/10 DIN | ±(0.03 + 0.0005 |T|) |
| — | Class K 1/5 DIN | ±(0.06 + 0.001 |T|) |
для платиновых датчиков 3850 ppm/K
UPD:опубликована
При организации электропроводки и крепления кабелей все чаще применяются специальные средства, которые позволяют улучшить качество и…
В чём преимущества стальных сгонов и как они применяются Стальные сгоны — это один из…
Железобетонные изделия — это основа, на которой держатся современные здания и мосты, жилые кварталы и…
Модульные офисы продаж — это находка для компаний, которые ценят скорость и удобство. Компактные, мобильные…
Погрузочные рампы играют ключевую роль в бизнесе, связанном с логистикой, складами и транспортировкой товаров. Это…
Модульные здания с каждым годом привлекают все больше внимания благодаря своим преимуществам. Одним из главных…
This website uses cookies.