Вы можете увидеть, как сопротивление термистора уменьшается с увеличением температуры. Если бы это была диаграмма для резистора, «кривая» на самом деле была бы вертикальной линией; значение сопротивления не изменится независимо от температуры. Резисторы отлично подходят для использования в электронике, например, из-за этой стабильной характеристики. Резистор 10 кОм всегда ограничивает 10 000 Ом электрического тока.Однако термистор 10 кОм ограничивает только 10 000 Ом тока при 25 ℃. Если температура выше, скажем, 50 ℃, термистор ограничит сопротивление всего 3900 Ом. Эта изменчивость с изменением температуры может сделать термистор ужасным для использования в электронике, но, безусловно, делает его отличным термометром.

Существует много разных типов термисторов, но все они работают по одному и тому же принципу: переменное сопротивление в зависимости от температуры.В основном есть две категории термисторов, к которым относятся все типы; NTC и PTC. В зависимости от вашего конкретного применения вы можете предпочесть один термистор другому. Давайте сначала исследуем эти две большие разницы.

Термисторы NTC являются наиболее распространенным типом, доступным для использования. Определяющей характеристикой этого термистора является то, что его сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Эти датчики широко распространены в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, производстве продукции, транспорте, бытовой технике и многих других секторах.Сопротивляясь току, термистор создает побочный продукт остаточного тепла. Если известно, что термистор NTC работает при температурах, вызывающих значительное нагревание, к измеренным значениям можно применить поправку для поддержания точности. Кроме того, с термисторами NTC этот эффект самонагрева будет происходить при низких температурах, когда он может гораздо легче рассеиваться в окружающем процессе.

Термисторы PTC действуют противоположно термистору NTC.Положительный температурный коэффициент означает, что с увеличением температуры сопротивление термистора также увеличивается. Эта категория термисторов встречается нечасто, но они выполняют определенную нишевую функцию; предохранитель. В некоторых процессах наличие чрезмерного тепла означает возникновение нежелательной ситуации. Если в цепи присутствует термистор PTC, он может действовать как своего рода дроссель. Увеличение сопротивления, которое происходит с увеличением тепла, похоже на естественный предохранительный клапан, и сверхактивный контур достигает своего рода верхнего предела.На приведенном ниже графике показаны противоположные кривые термисторов PTC и NTC.

Помимо двух различных категорий NTC и PTC, типы термисторов различаются по кривой и диапазону. В целом, их обычно идентифицируют по их резистивной способности при 25 ℃. Мы уже вкратце упомянули, например, обычный термистор 10K.Он выдерживает ток 10 000 Ом при температуре окружающей среды 25 ℃. Есть термисторы 3К, термисторы 12К, термисторы 100К; и этот список можно продолжать и продолжать. Термистор 10K может быть обычным стандартом, но существует бесчисленное множество других термисторов, которые более точны для использования для других специализированных задач. Давайте взглянем на график нескольких различных термисторов NTC-типа и обсудим несколько важных моментов.

По этим построенным кривым вы можете определить оптимальный диапазон термистора.Взгляните на область ниже 0 ℃. Здесь вы можете увидеть большое изменение сопротивления, но небольшое изменение температуры. Это означает, что каждое крошечное повышение температуры можно точно измерить, потому что изменение сопротивления велико и легко измеряется. Термисторы не работают автоматически лучше, чем холоднее; есть нижний предел их полезности. При температурах ниже -50 ℃ резистивная способность большинства термисторов слишком велика без специального контроля и схем.

Давайте посмотрим на другой конец диаграммы; кривые выше 50 ℃.В этом разделе есть небольшое изменение сопротивления, но большие изменения температуры. Кривая относительно пологая. Это означает, что легко получить неточные показания температуры, поскольку результирующие изменения сопротивления очень малы. Вам понадобится очень точный прибор для измерения мельчайших изменений сопротивления, иначе будет казаться, что ваша температура сильно колеблется. Только специализированные термисторы могут точно работать при температуре выше 100 ℃.

Хотите узнать немного больше о практической стороне термисторов? Перейдите к разделу «Для чего используются термисторы?» и мы обсудим несколько реальных примеров нишевого рынка датчиков температуры, на котором работают термисторы.

Измерение температуры является широко распространенным требованием во многих отраслях промышленности, и термисторы являются подходящим вариантом для некоторых из этих потребностей. В целом, существует тройка доступных приборов для измерения температуры для управления технологическим процессом, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Не забудьте прочитать о РДТ и термопарах; вместе с термистором они являются ключом к нашим современным процессам измерения температуры.Продолжайте получать знания и ознакомьтесь с разделами «Что такое термопара» и «Как работают датчики температуры RTD?» для получения дополнительной информации о других типах датчиков температуры.

Датчики температуры выхлопных газов

Стефан Карстенс

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Реферат

Введение

В современных двигателях внутреннего сгорания информация о температуре выхлопных газов (EGT) необходима для управления и диагностики системы нейтрализации выхлопных газов, а также для защиты компонентов, которые могут быть чувствительны к тепловым перегрузкам.

В дизельном двигателе компоненты доочистки, которые часто активно регулируются в зависимости от температуры выхлопных газов, включают дизельные сажевые фильтры (DPF) и катализаторы восстановления NOx, такие как катализаторы SCR и катализаторы-адсорберы NOx (NAC / LNT). В стехиометрических бензиновых двигателях стратегия управления двигателем зависит от температуры трехкомпонентного катализатора (TWC). Примеры компонентов, которым может потребоваться защита от тепловой перегрузки, включают турбокомпрессоры, компоненты системы рециркуляции выхлопных газов, а также катализаторы контроля выбросов.

Классификация. В двигателях используются два основных метода измерения для определения температуры выхлопных газов

• Датчики температуры сопротивления
• Термопары

В резистивных датчиках температуры создается электрическое сопротивление, которое коррелирует с температурой датчика. Здесь мы различаем положительные и отрицательные температурные коэффициенты. В случае отрицательных температурных коэффициентов омические сопротивления уменьшаются с повышением температуры.Поэтому эти датчики называют NTC (отрицательный температурный коэффициент). Из-за того, что в диапазоне высоких температур их сопротивление падает до доли сопротивления холоду, их также называют «горячими проводниками». Другое альтернативное обозначение — «термистор», портмоне «терморезистор».

В отличие от этого, существуют датчики температуры с увеличивающимся значением сопротивления при одновременном повышении температуры [3393] . Некоторые из них представляют собой так называемые терморезисторы PTC (положительный температурный коэффициент), в основном на основе полупроводников, поликристаллической керамики (например.g., титанат бария), которые при превышении предельной температуры резко увеличивают свое сопротивление и поэтому идеально подходят для использования в качестве ограничителей пускового тока и ограничителей температуры отключения. Их также часто называют термисторами. В остальных датчиках температуры этой категории используются платиновые элементы. В промышленной измерительной технике они известны как платиновые резистивные датчики температуры (PRTD), обозначенные как Pt100 — Pt1000 в стандарте DIN EC 60751.

KTY — это торговое название резисторов для измерения температуры PTC на основе полупроводников.Эти терморезисторы на основе кремния имеют характеристическую кривую, сравнимую с характеристикой платиновых элементов. Температурный диапазон их применения достигает 300 ° C, поэтому эти элементы конструкции не представляют интереса для использования в потоках выхлопных газов и в дальнейшем не рассматриваются. То же самое относится к термисторам PTC, которые можно использовать только при температуре около 150 ° C.

В термопарах, другом основном классе датчиков EGT, измерение температуры основано на эффекте Зеебака, когда напряжение генерируется на стыке двух проводников из разных металлов при наличии градиента температуры.Существуют различные типы термопар в зависимости от комбинации используемых металлов.

Классификация резистивных датчиков температуры и датчиков температуры на основе термопар обобщена в таблице 1. Как видно из таблицы, технологии датчиков, подходящие для применения в выхлопных газах, включают термисторы NTC, датчики сопротивления Pt и термопары типа N.

###

Калибровка термисторных датчиков

Калибровка термисторов

обладают преимуществом очень высокой чувствительности. к перепадам температуры, но недостаток агрессивно нелинейная характеристика.Вот характеристическая кривая, показывающая сопротивление типичного устройство термистора с отрицательным температурным коэффициентом над диапазон температур от 0 до 100 градусов С.

Рисунок 1 — Типовая кривая термистора

Как видите, значение изменяется от более 15 кОм до менее 100 Ом. Изменение происходит наиболее быстро при низких температурах, что дает отличный разрешение для определения соответствующих значений температуры там. На другом конце диапазона уровни сопротивления меняются. относительно меньше по температуре и разрешающей способности измерения. относительно бедно.

Доступны формы кривых, описывающих нелинейную форму характеристика термистора неплохая. Наиболее часто используемая форма — это Уравнение Стейнхарта-Харта . Измерение сопротивления термистор не нормирован, поэтому просто используйте измеренное значение Rt в Ом. Производители могут предоставить типовые значения коэффициенты ka, kb, и kc , или вы можно откалибровать эти значения для большей точности.

Уравнение Стейнхарта-Харта

Кривые линеаризации термистора

Относительно легко откалибровать собственные кривые отклика, если у вас есть точный эталон измерения температуры. Преобразовать значения температуры в градусах Кельвина и инвертировать. Возьмите соответствующий измеренные значения сопротивления и вычислить натуральный логарифм. Теперь, соответствовать коэффициентам полинома третьего порядка в значениях логарифмического сопротивления, чтобы наилучшим образом соответствовать значениям обратной температуры.

В следующем примере выбраны три точки: две близко к краям рабочего диапазона и одна около центра. Мы знаем, что измерения не будут полностью точными, поэтому в данные были вставлены искусственные ошибки, что привело к температурным ошибкам величиной 0,1 градуса Цельсия с чередованием знака в трех измеренных точках.

Добавлены данные с искусственной погрешностью 0,1 градуса

Силы логарифмической устойчивости собраны в матрицу, а инверсии температуры в Кельвинах собраны в вектор. Коэффициенты модели ка, кб, и kc получаются решением следующей матрицы уравнение.

Обе эти формулы дают кривые, которые практически неотличим от Рисунок 1. Следующие шоу различия — ошибки калибровки — что возникли в результате ошибок в данных, намеренно включенных в 3-точечная посадка.

Рисунок 2 — Погрешность установки в градусах

Появляются отклонения на 0,1 градуса, как мы знаем, они должны, где они были введены в места измерения точек используется для подгонки. В промежуточных местах ошибка подгонки хорошо вел себя. Мы можем сделать вывод, что посадка примерно такая же, как у ошибки измерения, которые пошли на его создание — но не экстраполируйте намного больше, чем вы измеряете.Уменьшить чувствительность к шуму во время калибровки попробуйте выполнить следующие действия.

1. Калибровка в диапазоне чуть шире диапазон, который вы собираетесь использовать.
2. Выберите точки, очень близкие к пределам диапазон, который вы собираетесь использовать.
3. Выполните несколько измерений в каждой точке и усредните для уменьшения случайного шума.
4. Рассмотрите возможность использования более трех точек и определения коэффициенты наилучшего соответствия с использованием метода наименьших квадратов.

Разрешение измерения балансировки

Линеаризация решает проблему интерпретации очень нелинейный отклик, но не проблема неравномерного разрешение измерения.

Если диапазон не слишком большой, вы можете сбалансировать разрешение значительно, измеряя в конфигурации делителя напряжения. Власть термистор от стабилизированного источника напряжения, подключите другой конец к земле через точно измеренное сопротивление нагрузки, и наблюдайте за выходным напряжением в месте соединения термистора и нагрузочного резистора.

Рисунок 3 — Сеть делителя напряжения

Цель состоит в том, чтобы получить относительно однородную взаимосвязь между температурой и измеренным напряжением. Кривые линеаризации обо всем остальном позаботимся. Ниже показаны отношения между температурой и измеряемым напряжением с помощью нагрузочного резистора это примерно половина номинального сопротивления при комнатной температуре.

Рисунок 4 — Сглаженный отклик термистора в сети делителя

Наклон не сильно меняется в рабочем диапазоне.Это сильно отличается от резкого нелинейного поведения. вы видите в Рисунок 1. Как это работает? Делитель напряжения имеет насыщающую характеристику, которая меньше реагирует как термистор сопротивление растет. Эффекты роста и насыщения приблизительно остаток средств.

Измерьте температуру с помощью термисторного устройства в конфигурации делителя напряжения, выполнив следующие действия.

1. Рассчитать ток, протекающий по измеренному напряжению. и точно известное сопротивление нагрузки.
2. Определить сопротивление термистора по напряжению по нему и известному течению.
3. Примените уравнение Стейнхарта-Харта, либо с номинальным значения, предоставленные производителем, или с установленными значения, определенные при калибровке, чтобы получить чтение температуры.
4. Дополнительно: преобразование единиц температуры из Кельвина. в градусы C или F.

Вы можете использовать команду DIVIDER , доступную на этом сайте, для вычисления значения сопротивления с учетом измеренного напряжения. уровень в конфигурации делителя напряжения.Вы можете использовать команду THERMISTOR , также доступную на этом сайте, для расчета кривых Стейнхарта-Харта с использованием типовых или откалиброванных коэффициенты.

и точность измерения температуры RTD — Примечание по применению

Термисторы и RTD — это устройства, используемые для измерения температуры в современных системах отопления, вентиляции, кондиционирования и охлаждения (HVAC / R). Электрическое сопротивление обоих устройств определяется их температурой.Измерение сопротивления каждого устройства позволяет определить температуру окружающей среды любого датчика. С каждым устройством есть компромиссы, давайте посмотрим, что они собой представляют.

Что такое RTD, как он определяется и какова его идеальная точность?

Уже несколько сотен лет известно, что сопротивление металлов увеличивается с повышением температуры. Температурные датчики сопротивления (RTD) — это датчики температуры на металлической основе, которые используют это изменение сопротивления. RTD могут быть изготовлены из многих различных металлов (см. Таблицу 1).

Температурный коэффициент сопротивления определяется как сопротивление RTD при 100 ° C минус сопротивление при 0 ° C, деленное на 100. Затем результат делится на сопротивление при 0 ° C. Температурный коэффициент сопротивления — это среднее изменение сопротивления от 0 ° C до 100 ° C, фактическое изменение на каждый градус от 0 ° C до 100 ° C очень близко, но не идентично ему.

Медь имеет наиболее линейное изменение сопротивления при заданном изменении температуры.Низкое сопротивление меди затрудняет измерение небольших изменений температуры. Никель имеет большое изменение сопротивления при изменении температуры. Никель — не очень стабильный материал; его стойкость значительно варьируется от партии к партии. Хотя никель намного дешевле платины, дополнительные процессы, необходимые для стабилизации никеля, делают датчики из никеля более дорогими, чем платина.

Platinum фактически стала эталоном прецизионной термометрии. Он имеет достаточно высокое сопротивление, хороший температурный коэффициент, не реагирует с большинством загрязняющих газов в воздухе и чрезвычайно стабилен от партии к партии.

В 1871 году Вернер фон Сименс изобрел платиновый резистивный датчик температуры и представил трехчленную формулу интерполяции. RTD Сименс быстро потерял популярность из-за нестабильности показаний температуры.

Хью Лонгборн Каллендар разработал первый коммерчески успешный платиновый RTD в 1885 году. Каллендар обнаружил, что изолятор, который использовал Сименс, охрупчивает платину, вызывая внутренние напряжения, которые вызывают температурную нестабильность. Каллендар изменил материал изолятора и отожг RTD при температурах выше наивысшей желаемой температуры измерения.

В 1886 году Каллендар написал статью, в которой обсуждался его RTD, и представил уравнение третьего порядка, которое определяло сопротивление RTD для диапазона температур от 0 до 550 ° C. В 1925 году Милтон С. Ван Дузен, исследователь из Национального бюро стандартов (ныне NIST), расширил формулу до -200 ° C, исследуя методы испытаний изоляции холодильного оборудования.

Уравнение Каллендара-Ван Дюзена существует уже 100 лет, хотя оно не совсем подходит для платиновых ТДС.Каллендар и Ван Дюзен выполняли свою работу задолго до появления современных цифровых компьютеров. Они не могли использовать нечто большее, чем уравнение третьего порядка, поскольку им приходилось решать уравнение вручную. Они использовали уравнение, которое было достаточно точным и могло быть решено при жизни человека.

В 1968 году Международная электротехническая комиссия, признавая недостатки уравнения Каллендара-Ван Дюзена, определила 20-членное полиномиальное уравнение для зависимости сопротивления от температуры для платиновых термометров сопротивления 100 Ом (для резистивных датчиков сопротивления 1000 Ом просто умножьте на десять.). Во времена Каллендара и Ван Дюзена для решения 20-членного полинома для каждой температурной точки потребовалось бы несколько дней. С появлением цифрового компьютера решение такого уравнения стало тривиальным.

IEC 751 — это стандарт Международной электротехнической комиссии, который определяет зависимость температуры от сопротивления для платиновых термометров сопротивления 100 Ом, 0,00385 Ом / Ом / ° C. Платиновые термометры сопротивления 1000 Ом, 0,00385 Ом / Ом / ° C в десять раз превышают требования IEC 751. IEC 751 определяет два класса RTD; класс A и класс B.ТС класса A работают в диапазоне температур от -200 ° C до 650 ° C. ТС класса B работают в диапазоне температур от -200 ° C до 850 ° C. У RTD класса B погрешность примерно в два раза выше, чем у RTD класса A. См. Рис. 1.

Уравнения неопределенности для РДТ класса A и класса B:
Допустимая погрешность — класс A ° C = ± (0,15 + 0,002T)
Допустимая погрешность — класс B ° C = ± (0,3 + 0,005T)
Где T = требуемая температура в градусах Цельсия.

Передаточная функция RTD может варьироваться в любом месте между граничными линиями на рис.1.Передаточная функция RTD не является абсолютно линейной. Тщательное изучение таблицы зависимости сопротивления от температуры показывает небольшой «изгиб» около 0,45 ° C на каждые 100 ° C. На рис. 2 синей линией показана зависимость сопротивления резистивного датчика сопротивления 1 кОм 0,00385 от температуры, а красной линией показан идеальный прямой отклик.

Что такое термистор, как он определяется и какова его идеальная точность?

Термистор — это электрическое устройство, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры (термистор — это сокращение от термистор).Изменение сопротивления с температурой следует классической логарифмической кривой (см. Рис. 3).

Термисторы изготавливаются из смесей порошковых оксидов металлов; рецепты — это тщательно охраняемые секреты различных производителей термисторов. Порошковые оксиды металлов тщательно перемешиваются и принимают форму, необходимую для процесса изготовления термистора. Образовавшиеся оксиды металлов нагревают до тех пор, пока оксиды металлов не расплавятся и не превратятся в керамику.Большинство термисторов сделаны из тонких листов керамики, разрезанных на отдельные датчики. Термисторы заканчивают, надев на них провода и окунув их в эпоксидную смолу или заключив в стекло.

Самуэль Рубен изобрел термистор в 1930 году. Г-н Рубен работал в Vega Manufacturing Corporation. Vega производила гитары, банджо и записывающие устройства. Г-н Рубен работал над звукоснимателями со стилусом для электронной записи, когда заметил, что конфигурация звукоснимателей, над которой он работал, имела довольно большой отрицательный температурный коэффициент.

Термисторы прошли долгий путь за последние 80 лет. По словам исследователя из Национального института стандартов и технологий (NIST), термисторы в стеклянной капсуле более стабильны, чем термометры сопротивления. Термисторы со стеклянным или эпоксидным покрытием могут поддерживать температуру ± 0,2 ° C в больших температурных интервалах. Термисторы Extra Precision (XP) поддерживают температуру ± 0,1 ° C.

К 1960-м термисторы были основными датчиками потока. Стейнхарт и Харт, два исследователя из Океанографического института Вудс-Хоул, опубликовали статью, в которой определяли формулу зависимости температуры от сопротивления для термисторов.Уравнение Стейнхарта-Харта стало стандартным в отрасли уравнением для термисторов.

Классическое уравнение Стейнхарта и Харта имеет вид:
1 / T = A0 + A1 (lnR) + A3 (lnR) 3
Где: T = Температура в Кельвинах (Кельвин = Цельсия + 273,15)
A0, A1, A3 = Константы, полученные на основе измерений термистора
R = Сопротивление термистора в Ом
ln = Натуральный логарифм (логарифм в основе Напьера 2,718281828…)

На практике выполняется три измерения сопротивления термистора при трех заданных температурах.Эти температуры обычно являются двумя конечными точками и центральной точкой интересующего температурного диапазона. Уравнение напрямую попадает в эти три точки и имеет небольшую ошибку во всем диапазоне. BAPI может предоставить коэффициенты Стейнхарта-Харта для диапазона температур от 0 ° C до 70 ° C с погрешностью 0,01 ° C или меньше.

Для термисторов нет отраслевых или государственных стандартов. Существует как минимум 5 различных кривых зависимости температуры от сопротивления для термисторов 10K в мире HVAC / R.Все термисторы имеют сопротивление 10000 Ом при 77 ° F или 25 ° C, но они сильно различаются по мере удаления от 77 ° F. Оба термистора BAPI 10K-2 и 10K-3 имеют сопротивление 10 000 Ом при 77 ° F. При 32 ° F (0 ° C) термистор 10K-2 имеет сопротивление 32650 Ом, а сопротивление 10K-3 — 29490 Ом. Если термистор 10K-3 заменить на 10K-2, у вас может быть погрешность измерения 6 ° F при 32 ° F.

Термисторы имеют очень большое изменение сопротивления в зависимости от температуры. Отличить одну степень от другой относительно легко.Это большое изменение сопротивления ограничивает диапазон температур, который может быть разрешен, до доли того, что может разрешить RTD.

Как соотносятся точность и температурные диапазоны RTD и термисторов?

обычно более точны, чем RTD класса B в диапазоне рабочих температур термисторов и аналогичны RTD класса A.

Существуют ли другие пределы применения для резистивных датчиков температуры и термисторов?

Проводка, используемая для подключения датчика температуры к измерительному прибору, увеличивает сопротивление и погрешность измерения.

Обычно для подключения датчиков к их измерительным приборам используется медный провод 18 калибра. При 20 ° C (43 ° F) провод калибра 18 имеет сопротивление 6,4 Ом на каждые 1000 футов провода. При 140 ° F (70 ° C) провод калибра 18 имеет 7,7 Ом на каждые 1000 футов провода. В таблице 2 показано, сколько проводов можно использовать, если вы хотите, чтобы погрешность проводки не превышала ° F или ниже.

Ошибки подключения в таблице 2 иллюстрируют, почему датчики температуры используются с RTD. Разумная длина проводки допустима только с преобразователями.Датчики изменяют сопротивление RTD на токовый сигнал от 4 до 20 мА, пропорциональный температуре RTD. Необходимо установить температурный диапазон; выход 4 мА соответствует минимальной температуре, а 20 мА соответствует максимальной температуре. Любая промежуточная температура является линейной пропорцией от 4 мА до 20 мА. Передатчики должны находиться в пределах 10 футов от RTD. Передатчики могут находиться на расстоянии до 77 000 футов от измерительного устройства.

могут иметь диапазон значений от 16.От 6 ° C (30 ° F) до 555 ° C (1000 ° F) и низких температур, 4 мА, от -150 ° C (-238 ° F) до 482 ° C (900 ° F). За дополнительную плату RTD и преобразователи могут быть согласованы с погрешностью измерения 0,05 ° C (0,1 ° F) по всему диапазону.

Так какой датчик лучше, RTD или термистор?

Это зависит от обстоятельств. Термисторы
стоят меньше, чем термометры сопротивления. Термисторы
измеряют температуру с такой же или большей точностью, чем термометры сопротивления. Термисторы
не требуют дополнительных затрат на преобразователи. Термометры сопротивления
имеют гораздо больший диапазон измерения температуры, чем термисторы.Преобразователи
добавляют как минимум 100 долларов к стоимости RTD.

Если у вас возникнут вопросы, позвоните вашему представителю BAPI.

Версия этого документа в формате pdf для печати

Обзор датчиков температуры — NI

Используйте следующие характеристики, чтобы определить возможности и производительность вашего датчика температуры. Они применимы ко всем типам датчиков температуры, но с некоторыми оговорками и угловыми случаями. Выбирая датчик, осознайте влияние каждой характеристики на ваши измерения и обязательно выберите датчик, который точно соответствует требованиям вашего проекта.

Диапазон температур

Температурный диапазон датчика определяет температуры, при которых датчик рассчитан на безопасную работу и обеспечивает точные измерения. Каждый тип термопары имеет определенный температурный диапазон, основанный на свойствах металлов, используемых при создании этой термопары. ТС предлагают меньший температурный диапазон в обмен на лучшую линейность и точность, а термисторы обеспечивают самые низкие диапазоны температур, но превосходную чувствительность. Понимание всего диапазона температур, в которых вы можете подвергать датчик, может помочь предотвратить повреждение датчика и обеспечить более точные измерения.

Линейность

Идеальный датчик должен иметь абсолютно линейный отклик: единичное изменение температуры приведет к единичному изменению выходного напряжения во всем температурном диапазоне сенсора. В действительности, однако, ни один датчик не является идеально линейным. Рисунок 1 дает представление о зависимости температуры от напряжения трех датчиков, исследуемых в этом техническом документе.

Рисунок 1: Отклик датчиков температуры и выходного сигнала

Чувствительность

Чувствительность данного датчика показывает процентное изменение измеряемого выходного сигнала при заданном изменении температуры.Более чувствительный датчик, такой как термистор, может легче обнаруживать небольшие изменения температуры, чем менее чувствительный датчик, такой как термопара. Однако эта чувствительность достигается за счет линейности. Это может быть важным фактором при выборе идеального датчика для измеряемых температур. Если вы намереваетесь фиксировать изменения долей градуса в небольшом диапазоне температур, более идеальным вариантом будет термистор или RTD. Для регистрации более значительных изменений температуры в более широком диапазоне температур может быть достаточно термопары.Рисунок 2 дает относительное представление о напряжении.

Рисунок 2: Чувствительность различных типов датчиков температуры.

Время отклика

Время отклика — это время, необходимое датчику для реакции на изменение температуры. Многие факторы могут вызвать увеличение или уменьшение времени отклика. Например, более крупный RTD или термистор имеет более медленное время отклика, чем меньший. В обмен на этот недостаток и более низкое тепловое шунтирование, более крупный резистивный датчик температуры или термистор менее подвержен ошибкам самонагрева.Точно так же незаземленные переходы термопар обеспечивают более медленное время отклика в обмен на электрическую изоляцию. На рисунке 3 показана относительная разница во времени отклика для незаземленных и заземленных термопар.

Рисунок 3: Время отклика заземленных и незаземленных термопар

Устойчивость

Стабильность датчика температуры является показателем его способности поддерживать постоянный выходной сигнал при заданной температуре.Материал играет ключевую роль в стабильности данного датчика. По этой причине RTD часто изготавливают из платины, а также для обеспечения низкой реактивности. Однако подложка, к которой прикреплена платина, может деформироваться при длительном воздействии высоких температур, что может вызвать дополнительную и неожиданную деформацию, которая приведет к изменению измеренного сопротивления.

Точность

Как и в случае с любым другим измерительным приложением, понимание требований к точности имеет решающее значение для обеспечения надежных результатов.Выбор вашего датчика и измерительного оборудования играет важную роль в абсолютной точности измерения, но более мелкие детали, такие как кабели, относительная близость к другому оборудованию, экранирование, заземление и т. Д., Также могут влиять на точность. При выборе датчика обратите внимание на указанные допуски и любые факторы, которые могут повлиять на эти характеристики (например, длительное воздействие высоких температур). Также будьте осторожны, выбирая датчик и измерительное устройство с аналогичной точностью. ТС с жестким допуском обходится дороже, но вы не сможете добиться дополнительной точности, если используете низкокачественное измерительное устройство.

Прочность

Чтобы ваши датчики температуры оставались работоспособными на протяжении всего приложения, вам необходимо понимать среду, в которой вы их развертываете. Некоторые датчики (например, термопары) более долговечны из-за своей конструкции. Однако металлы, выбранные для конкретной термопары, обладают разной устойчивостью к коррозии. Кроме того, датчик, заключенный в изолирующий минерал и защитную металлическую оболочку, более устойчив к износу и коррозии с течением времени, но он стоит дороже и обеспечивает меньшую чувствительность.Следует также отметить, что различные конфигурации датчиков могут иметь особые требования к монтажу для обеспечения надежного физического и теплового соединения.

Стоимость

Как и в любом другом аспекте проекта, стоимость может быть ключевым ограничивающим фактором. Например, в приложениях с большим количеством каналов преимущества линейности RTD могут быть перевешены относительным увеличением стоимости по сравнению с термопарами. Вы также должны учитывать добавленную стоимость проводки, монтажа и кондиционирования сигнала при рассмотрении общей стоимости системы.

Требования к условию сигнала

Для каждого типа датчика температуры требуется определенный уровень обработки сигнала для адекватного сбора и оцифровки измеренного сигнала для обработки. Выбранное вами измерительное оборудование может быть столь же важным для обеспечения точных измерений, как и датчик, и может смягчить или усугубить недостатки каждого типа датчика. Эти функции преобразования сигнала включают следующее:

• Усиление
• Компенсация холодного спая (только термопары)
• Фильтрация
• Возбуждение (только RTD и термисторы)
• Корректировка ошибки смещения
• Масштабирование до единиц температуры
• Коррекция сопротивления свинца
• Межканальная изоляция
• Обнаружение обрыва термопары (только термопары)

Типы датчиков температуры | DigiKey

Мы ежедневно используем датчики температуры для контроля температуры в зданиях, регулирования температуры воды и для управления холодильниками.Датчики температуры также жизненно важны во многих других приложениях, таких как бытовая, медицинская и промышленная электроника.

В каждом приложении могут быть разные потребности в измерении температуры. Различия включают в себя то, что измеряется (воздух, масса или жидкость), где это измеряется (внутри или снаружи), и диапазон измеряемой температуры. Существует четыре типа датчиков температуры, которые чаще всего используются в современной электронике: термопары, RTD (резистивные датчики температуры), термисторы и интегральные схемы на основе полупроводников (IC).

В этом блоге рассматриваются эти четыре основных типа датчиков температуры, особенности каждого типа, преимущества и недостатки.

Термопары

Термопары — наиболее часто используемый тип датчика температуры. Они используются в промышленных, автомобильных и бытовых приложениях. Термопары имеют автономное питание, не требуют возбуждения, могут работать в широком диапазоне температур и имеют быстрое время отклика.

Термопары изготавливаются путем соединения двух разнородных металлических проводов.Это вызывает эффект Зеебека. Эффект Зеебека — это явление, при котором разница температур двух разнородных проводников создает разницу напряжений между двумя веществами. ¹ Именно эту разность напряжений можно измерить и использовать для расчета температуры.

Существует несколько типов термопар, которые изготавливаются из различных материалов, что позволяет использовать их в разных температурных диапазонах и с разной чувствительностью. Различные типы различаются обозначенными буквами.Чаще всего используется тип К. В таблице 1 приведены характеристики нескольких распространенных типов термопар.

Таблица 1. Типы и характеристики термопар (адаптировано из «Учебного пособия 6500 Учебное пособие по датчику температуры») ²

Некоторые недостатки термопар включают тот факт, что измерение температуры может быть затруднено из-за их небольшого выходного напряжения, которое требует точного усиления, восприимчивости к внешним шумам из-за длинных проводов и холодного спая.Холодный спай — это место, где провода термопары встречаются с медными дорожками сигнальной цепи. Это создает еще один эффект Зеебека, который необходимо компенсировать так называемой компенсацией холодного спая.

Maxim Integrated предлагает термопары с цифровым выходом, такие как MAX31855 и MAX31856. Эти устройства помогают в формировании сигнала за счет включения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с высоким разрешением, прецизионного каскада усиления с низким уровнем шума и датчика компенсации холодного спая. Эти устройства помогают разработчикам схем термопар, предлагая точные решения для преобразования сигналов в небольшом корпусе.Они работают со многими популярными типами термопар.

RTD (датчик температуры сопротивления)

При изменении температуры изменяется и сопротивление любого металла. Эта разница в сопротивлении — это то, на чем основаны датчики температуры RTD. RTD — это резистор с четко определенными характеристиками зависимости сопротивления от температуры. Платина — наиболее распространенный и точный материал, используемый для изготовления термометров сопротивления.

Рис. 1. Двух, трех и четырехпроводные РДТ ²

Platinum RTD также называют PRTD.Они часто доступны с сопротивлением 100 Ом и 1000 Ом при 0 ° C. Они обозначаются как PT100 и PT1000 соответственно.

используются потому, что они обеспечивают почти линейный отклик на изменения температуры, они стабильны и точны, они обеспечивают повторяемые отклики и имеют широкий температурный диапазон. RTD часто используются в точных приложениях из-за их точности и повторяемости.

обычно имеют более высокую тепловую массу и поэтому медленнее реагируют на изменения температуры, чем термопары.Согласование сигналов важно в RTD. Они также требуют, чтобы ток возбуждения проходил через RTD. Если этот ток известен, можно рассчитать сопротивление.

Конфигурации включают двух-, трех- и четырехпроводные варианты. Двухпроводной вариант полезен, когда длина выводов достаточно мала и сопротивление не оказывает существенного влияния на точность измерения. Трехпроводная схема добавляет датчик RTD, по которому течет ток возбуждения. Это позволяет снизить сопротивление провода. Четырехпроводная схема является наиболее точной, поскольку отдельные силовые и измерительные провода устраняют влияние сопротивления проводов.На рисунке 1 показаны примеры двух-, трех- и четырехпроводных конфигураций RTD. MAX31865 предлагает специальную схему преобразования сигнала RTD для каждой конфигурации с 15-битным разрешением и предлагает решение для ускорения разработки как PT100, так и PT1000 RTD.

Рис. 2. Типичный интерфейс термистора ²

Термисторы

похожи на термометры сопротивления в том, что изменения температуры вызывают измеримые изменения сопротивления. Термисторы обычно изготавливают из полимерного или керамического материала.В большинстве случаев термисторы дешевле, но они менее точны, чем термометры сопротивления. Большинство термисторов доступны в двухпроводной конфигурации.

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) является наиболее часто используемым термистором для измерения температуры. Сопротивление термистора NTC уменьшается с увеличением температуры. Термисторы имеют нелинейную зависимость температурного сопротивления. Это требует значительной коррекции для правильной интерпретации данных. Обычный подход к использованию термистора, показанный на рисунке 2, заключается в том, что термистор и резистор фиксированного значения образуют делитель напряжения с выходом, который оцифровывается АЦП.

ИС на основе полупроводников

Микросхемы датчиков температуры на основе полупроводников бывают двух разных типов: локальный датчик температуры и удаленный цифровой датчик температуры. Локальные датчики температуры — это ИС, которые измеряют температуру собственного кристалла, используя физические свойства транзистора. Дистанционные цифровые датчики температуры измеряют температуру внешнего транзистора.

Локальные датчики температуры могут использовать аналоговые или цифровые выходы. Аналоговые выходы могут иметь напряжение или ток, в то время как цифровые выходы могут отображаться в нескольких форматах, таких как I²C, SMBus, 1-Wire® и последовательный периферийный интерфейс (SPI).Местные датчики температуры измеряют температуру на печатных платах или окружающем воздухе вокруг них. MAX31875 — это чрезвычайно маленький локальный датчик температуры, который можно использовать в нескольких приложениях, включая приложения с батарейным питанием.

Выносные цифровые датчики температуры работают как местные датчики температуры, используя физические свойства транзистора. Разница в том, что транзистор расположен подальше от сенсорной микросхемы. Некоторые микропроцессоры и ПЛИС включают биполярный чувствительный транзистор для измерения температуры кристалла целевой ИС.

Сводка

Термопары, RTD, термисторы и ИС на основе полупроводников являются основными типами датчиков температуры, используемых сегодня. Термопары недороги, долговечны и могут измерять широкий диапазон температур. RTD предлагают широкий диапазон измерений температуры (хотя и меньше, чем термопары) и обеспечивают точные и повторяемые измерения, но они медленнее, требуют тока возбуждения и требуют согласования сигнала. Термисторы прочные и маленькие, но они менее точны, чем термометры сопротивления, и требуют дополнительных корректировок данных для интерпретации температуры.ИС на основе полупроводников легко поддаются имплантации и могут поставляться в очень маленьких корпусах, но имеют ограниченный температурный диапазон.

Хотя доступны и другие варианты датчиков температуры, четыре варианта, обсуждаемые в этом блоге, дадут возможность большинству дизайнеров найти решение, которое будет работать для их приложения.

Артикул:

1 — «Что такое эффект Зеебека? — Определение с сайта WhatIs.com ». SearchNetworking , TechTarget, поисковая сеть.techtarget.com/definition/Seebeck-effect.

2 — Р. Николетти, «Учебное пособие. Учебное пособие по датчику температуры 6500», Maxim Integrated. https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/Temp-Sensor-Tutorial.pdf

Об авторе

ntc% 2010k% 20 температура% 20 паспорт датчика и примечания по применению

alexxlab