Введение в температурные датчики: термисторы, термопары, RTD и микросхемы термометров

Температурные датчики

Температурные датчики относятся к числу наиболее часто используемых датчиков. Температурные датчики используются всеми типами оборудования, начиная от компьютеров, автомобилей, кухонной техники, кондиционеров и (конечно) домашних термостатов. Пять наиболее распространенных типов температурных датчиков включают в себя:

• термисторы;
• термопары;
• RTD (резистивные датчики температуры);
• цифровые микросхемы термометров;
• аналоговые микросхемы термометров.

Данная статья предоставит вам краткое введение по каждому из перечисленных типов датчиков.

Термистор

Как следует из названия, термистор (т.е., терморезистор) представляет собой датчик температуры, сопротивление которого зависит от температуры.

Термисторы выпускаются двух типов: PTC (с положительным температурным коэффициентом) и NTC (с отрицательным температурным коэффициентом). Сопротивление PTC термистора с ростом температуры увеличивается. А сопротивление NTC термистора, наоборот, с увеличением температуры уменьшается, и этот тип, по-видимому, является наиболее часто используемым типом термисторов. Смотрите рисунок 1 ниже.

Важно понимать, что связь между сопротивлением термистора и его температурой очень нелинейна. Смотрите рисунок 2 ниже.

Стандартная формула сопротивления NTC термистора в зависимости от температуры определяется следующим образом:

\[R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\right]\right\}}\]

где

• R25C – номинальное сопротивление термистора при комнатной температуре (25°C). Данное значение, как правило, приводится в техническом описании;
• β (бета) – постоянная материала термистора в Кельвинах. Это значение обычно указывается в техническом описании;
• T – реальная температура термистора в Цельсиях.

Тем не менее, существует два простых метода, используемых для линеаризации поведения термистора, а именно режим сопротивления и режим напряжения.

Режим линеаризации сопротивления

В режиме линеаризации сопротивления параллельно термистору помещается обычный резистор. Если значение резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 3 ниже.

Режим линеаризации напряжения

В режиме линеаризации напряжения термистор ставится последовательно с обычным резистором, образуя при этом делитель напряжения. Этот делитель напряжения должен быть подключен к известному, фиксированному, стабилизированному источнику опорного напряжения VREF.

Эта конфигурация приводите к созданию выходного напряжения, которое относительно линейно зависит от температуры. И, как и в режиме линеаризации температуры, если сопротивление резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, то область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 4 ниже.

Реле термисторной защиты

Реле термисторной защиты обеспечивает прямое измерение температуры обмотки двигателя, некоторые модели имеют функцию контроля исправности датчиков (обрыв и короткое замыкания).

Рассмотрим работу термисторного реле на примере устройства Siemens 3RN1012-1CK00.

Для индикации работы встроены два светодиода (READY/TRIPPED), сигнализирующие соответственно о рабочем состоянии реле и его срабатывании. Данный тип реле имеет возможность ручного, автоматического и дистанционного сброса в исходное состояние. По умолчанию осуществляется автоматический сброс. Ручной сброс производится кнопкой TEST/RESET на передней панели реле. При нажатии кнопки TEST/RESET более 2 секунд вызывается функция тестирования и происходит симуляция расцепления. Для дистанционного сброса необходимо подключить внешний выключатель на клеммы Y1 и Y2.

В нормальном режиме работы, пока сопротивление подключенных датчиков не достигает порога срабатывания, исполнительное реле включено и через NO контакты сигнал приходит на контактор. При превышении температурного порога, хотя бы одного из датчиков, реле выключается. Возврат в исходное рабочее состояние происходит автоматически после охлаждения термисторов.

Число включаемых последовательно температурных датчиков зависит от суммарного сопротивления в холодном состоянии и не должно превышать 1,5 кОм — Rобщ = R1+R2…+Rn <=1.5 kОм.

Температура срабатывания составляет от 60 до 180°C, в зависимости от установленного датчика. Точность срабатывания реле примерно 6°C.

Термопара

Термопары обычно используются для измерения более высоких температур и более широких температурных диапазонов.

Чтобы резюмировать, как работают термопары: любой проводник, подвергнутый температурному градиенту, будет генерировать небольшое напряжение. Это явление известно как эффект Зеебека. Величина генерируемого напряжения зависит от типа металла. Практические применения эффекта Зеебека используют два разнородных металла, которые соединены на одном конце и разделены на другом. Температуру соединения можно определить по напряжению на разомкнутых концах проводов.

Существуют различные типы термопар. Определенные комбинации стали популярными, и выбор комбинации зависит от различных факторов, включающих в себя стоимость, доступность, химические свойства и стабильность. Для разных применений лучше всего подходят разные типы, и их обычно выбирают на основе требуемого диапазона температур и чувствительности.

Графики характеристик термопар смотрите на рисунке 5 ниже.

Виды и устройство терморезисторов

Терморезисторы можно разделить на две большие группы по реакции на изменение температуры:

Тип термистора определяется свойствами материалов, из которых изготовлены терморезисторы. Металлы при нагреве увеличивают сопротивление, поэтому на их основе (точнее, на базе оксидов металлов) выпускают термосопротивления с положительным ТКС. У полупроводников зависимость обратная, поэтому из них делают NTC-элементы. Термозависимые элементы с отрицательным ТКС теоретически можно делать и на основе электролитов, но этот вариант на практике крайне неудобен. Его ниша – лабораторные исследования.

Резистивные датчики температуры (RTD)

Резистивные датчики температуры, также известные как резистивные термометры, являются, пожалуй, самыми простыми для понимания датчиками температуры. RTD похожи на термисторы, поскольку их сопротивление изменяется с изменением температуры. Однако вместо использования специального материала, чувствительного к изменениям температуры (как в термисторах), RTD используют катушку из проволоки, накрученную вокруг сердечника из керамики или стекла.

Провод в RTD выполнен из чистого материала, как правило, из платины, никеля или меди, и этот материал обладает точной зависимостью сопротивления от температуры, которая используется для определения измеряемой температуры.

Какие типы и формы термистора доступны на рынке

Термисторы бывают разных форм — дисковые, микросхемы, шариковые или стержневые и могут монтироваться на поверхности или встраиваться в систему. Они могут быть заключены в эпоксидную смолу, стекло, обожжены в феноле или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, от твердого вещества, жидкости или газа. Например, терморезистор с бусинками идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей.

Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, соединение с контролируемым устройством должно быть выполнено с использованием теплопроводящей пасты или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводящими.

Аналоговые микросхемы термометров

Вместо использования термистора с постоянным резистором в делителе напряжения, альтернативным решением может стать аналоговый низкотемпературный датчик, такой как TMP36 от Analog Devices. В отличие от термистора, эта аналоговая микросхема обеспечивает выходное напряжение, которое почти линейно; наклон составляет 10 мВ/°C в температурном диапазоне от -40 до +125°C, а его точность равна ±2°C. Смотрите рисунок 6 ниже.

Хотя эти устройства и крайне просты в использовании, но они значительно дороже комбинации термистор-плюс-резистор.

Проверка исправности детали

Для начала нужно перевести мультиметр в режим, который позволит провести замер сопротивления. После этого подключить щупы к ножкам радиоэлемента. Зафиксировать сопротивление и поднести паяльник к элементу. Записывать показатели сопротивления лучше на бумаге. Паяльник нужно заранее разогреть. Провести контрольные измерения. Если сопротивление будет падать, значит, термистор работает правильно. Если это позистор, то сопротивление должно расти.

Например, при проверке термистора NTC MF 72 сопротивление равно 6.9 Ом, но при изменении температуры с помощью паяльника снижается до 2 Ом. Результат тестирования — исправен.

Когда сопротивление остается прежним или резко меняется, можно полагать, что термистор NTC вышел из строя. Хотелось бы дополнительно заметить, что подобные проверки крайне не рекомендованы, поскольку являются грубыми. Если стоит цель точно проконтролировать термистор, нужно проверить его температуру, затем — сопротивление. Данные нужно сравнить с параметрами, которые указывает производитель в характеристиках.

Цифровые микросхемы термометров

Цифровые температурные датчики сложнее, но они могут быть очень точными. Кроме того, они могут упростить всю разработку, поскольку аналого-цифровое преобразование происходит внутри микросхемы термометра, а не в отдельном устройстве, таком как микроконтроллер. Например, DS18B20 от Maxim Integrated имеет точность ±0.5°C и диапазон температур от -55°C до +125°C.

Кроме того, некоторые цифровые микросхемы могут быть настроены на питание от линии данных, что позволяет подключать их только двумя проводами (то есть, данные/питание и земля). Более подробно об «однопроводном» интерфейсе можно почитать здесь.

Условно-графическое обозначение

На схемах УГО термистора могут незначительно отличаться, но главный признак термосопротивления – символ t рядом с прямоугольником, символизирующим резистор. Без этого символа не определить, от чего зависит сопротивление – схожее УГО имеют, например, варисторы (сопротивление определяется приложенным напряжением) и другие элементы.

Иногда на УГО наносят дополнительное обозначение, определяющее категорию терморезистора:

Эту характеристику иногда обозначают стрелками:

Литерное обозначение может быть различным – R, RK, TH и т.п.

Сравнение типов температурных датчиков

В приведенной ниже таблице показано сравнение разных типов температурных датчиков, описанных в данной статье. Однако имейте в виду, что эту информацию следует воспринимать как обобщение. Таблица предназначена в первую очередь для тех, у кого нет большого опыта и/или знаний о датчиках температуры.
Таблица 1. Краткое сравнение температурных датчиков

Оригинал статьи:

• Nick Davis. Introduction to Temperature Sensors: Thermistors, Thermocouples, RTDs, and Thermometer ICs

Обозначения и расшифровка маркировки

Бывает несколько типов маркировки. Например, из букв или разных цветов, нанесенных полосок или других изображений на поверхность термистора. Все зависит от производителя, конкретного вида элементов. Примерная система обозначений представлена на картинке ниже. Вариантов настолько много, что расшифровать их даже опытному мастеру не всегда удается правильно. В таком случае лучше полагаться на технические данные, которые есть на сайте производителя термистора в описании конкретного элемента.

Разберем пример — термистор NTC с маркировкой 10 D-9. Первая цифра «10» говорит о том, что 10 Ом при 25 градусах Цельсия составляет сопротивление датчика. Его диаметр равен 9 мм. Чем больше будет это значение, тем выше мощность, которую он рассеивает. Чтобы лучше разобраться с маркировкой цветом, следует пользоваться таблицей или смотреть описание характеристик в справочнике. Все производители уточняют эту информацию для линейки своей продукции.

Форма полупроводника может быть разной: тонкие трубы, крупные шайбы, пластины разной толщины и небольшие элементы разных видов. Есть даже детали, габариты которых исчисляются несколькими микронами. На картинке ниже представлен ассортимент полупроводников, встречающихся чаще других на современном рынке.