Термосопротивление принцип работы – назначение, сопротивление и характеристики, маркировка, принцип работы, как проверить и подключить

Содержание

назначение, сопротивление и характеристики, маркировка, принцип работы, как проверить и подключить

Люди, далекие от радиоэлектроники, смутно представляют назначение и принцип действия терморезистора. Какие функции выполняет этот элемент? Для его он предусмотрен? Как маркируется? О каких тонкостях проверки и подключения необходимо знать? Какие бывают виды, и в чем их особенности? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

СОДЕРЖАНИЕ (нажмите на кнопку справа):

Что такое терморезистор, общие положения

Терморезистор — полупроводниковый элемент с меняющимися характеристиками (по сопротивлению) в зависимости от температуры. Изделие изобрели в 1930 году, а его создателем считается известный ученый Самуэль Рубен.

С момента появления терморезистор получил широкое распространение в радиоэлектронике и успешно применяется во многих смежных сферах.

Деталь изготавливается с применением материалов, имеющих высокий температурный коэффициент (ТК). В основе лежат специальные полупроводники, по характеристикам превосходящие наиболее чистые металлы и их сплавы.

При получении главного резистивного элемента применяются оксиды некоторых металлов, галогениды и халькогениды. Для изготовления используется медь, никель, марганец, кобальт, германий, кремний и другие вещества.

В процессе производства полупроводнику придется разная форма. В продаже можно найти терморезисторы в виде тонких трубок, крупных шайб, тонких пластинок или небольших круглых элементов.  Некоторые детали имеют габариты, исчисляемые несколькими микронами.

Основные виды терморезисторов — термисторы и позисторы (с отрицательным и положительным ТКС (температурный коэффициент сопротивления) соответственно. В термисторах с ростом температуры сопротивление падает, а позисторах, наоборот, увеличивается.

Где используется (сфера применения)

Терморезисторы активно применяются в разных сферах, тесно связанных с электроникой. Они особенно важных при реализации процессов, зависящих от правильности настройки температурного режима.

Такой подход актуален для компьютерных технологий, устройств передачи информации, высокоточного промышленного оборудования и т. д.

Распространенный способ применения терморезисторов — ограничение токов, возникающих в процессе пуска аппаратов.

При подаче напряжения к БП конденсатор быстро набирает емкость, что приводит к протеканию повышенного тока. Если не ограничить этот параметр, высок риск повреждения (пробоя) диодного моста.

Для защиты дорогостоящего узла применяется термистор — элемент, ограничивающий ток в случае резкого нагрева. После нормализации режима температура снижается до безопасного уровня, и сопротивление термистора возвращается до первоначального уровня.

Устройство и виды

Терморезистор — полупроводниковый элемент, который в зависимости от вида меняет сопротивление при росте/снижении температуры. Сегодня выделяется два вида изделий:

  1. Термисторы — детали с негативным температурным коэффициентом (NTC). Их особенность состоит в падении сопротивления при росте температуры.
  2. Позисторы — элементы, имеющие «плюсовой» температурный коэффициент (PTC). В отличие от прошлого вида, при повышении T сопротивление, наоборот, растет.

В зависимости от типа полупроводника при его производстве применяются разные элементы. Как отмечалось, при создании резистивных элементов используются оксиды, халькогениды и галогениды различных металлов, а конструктивное исполнение может меняться в зависимости от сферы назначения.

Типы по принципу действия

Терморезисторы различаются по принципу действия. Выделяется два типа:

  1. КОНТАКТНЫЕ. К этой категории относятся термопары, термодатчики, заполненные термометры и термометры биметаллического типа.
  2. БЕСКОНТАКТНЫЕ. В эту группу входят терморезисторы, построенные на инфракрасном принципе действия. Они активно применяются в оборонной сфере, благодаря способности выявлять тепловое излучение ИК и оптических лучей (выделяются газами и жидкостями).

Классификация по температурному срабатыванию

Терморезисторы отличаются по температуре, на которую они реагируют при срабатывании. С этой позиции выделяются следующие типы деталей:

  1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Такие элементы срабатывают при температуре ниже 170 Кельвинов (минус 102С). 1 Кельвин = минус 272,15С.
  2. СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Здесь диапазоне работы выше и находится между 170 и 510 Кельвинами.
  3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Терморезисторы такого класса работают при температурах от 570 Кельвинов.
  4. ОТДЕЛЬНЫЙ КЛАСС. Выделятся также индивидуальная группа высокотемпературных термических резисторов, работающих в диапазоне от 900 до 1300 К.

Вне зависимости от вида (позисторы, термисторы) терморезисторы могут работать в разных температурных режимах и внешних условиях. При эксплуатации в условиях частых изменений температур первоначальные параметры детали могут меняться.

Речь идет о двух параметрах — сопротивлении детали в условиях комнатной температуры и коэффициенте сопротивления.

По виду нагрева

По способу нагревания терморезисторы делятся на два типа:

  1. ПРЯМОГО НАГРЕВА. Подразумевается изменение температуры детали под действием окружающего воздуха или тока, протекающего через деталь. Устройства с прямым нагревом чаще всего применяются для решения двух задач — изменения температуры или восстановления нормального режима. Такие терморезисторы применяются в градусниках, ЗУ, термостатах и других устройствах.
  2. КОСВЕННОГО НАГРЕВА. В отличие от прошлого типа здесь нагрев происходит из-за элементов, находящихся в непосредственной близости от резистора. Узлы никак не взаимосвязаны. При таком подходе сопротивление полупроводника обуславливается изменением тока, который проходит через близлежащий элементы. Терморезисторы, работающие на косвенном принципе, нашли применение в мультиметрах (комбинированных приборах).

Главные параметры терморезисторов

При выборе детали важно ориентироваться на ее показатели и характеристики, меняющиеся в зависимости от типа, производителя, исходного материала и других показателей.

При выборе изделия нужно выяснить главные параметры и определить, подходят они для решения поставленной задачи или нет.

Параметры терморезисторов:

  1. ГАБАРИТЫ. При покупке нужно быть уверенным, что деталь подходит по размеру и поместится на плате (в схеме).
  2. СОПРОТИВЛЕНИЯ RT и RT. Параметры измеряются в Омах и указываются применительно к текущей температуре в градусах Цельсия или Кельвинах. Если деталь рассчитана на работу при температурах от -100 до +200 градусов Цельсия, температурный режим для окружающей среды принимается на уровне 20-25 градусов Цельсия.
  3. ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ Τ (СЕК). Параметр отражает тепловую инерционность. При расчете учитывается время, которое необходимо для изменения температуры термического резистора на 63% от разницы t детали и окружающего воздуха. В большинстве случаев этот параметр принимается равным 100 градусов Цельсия.
  4. ТКС (в % на один градус Цельсия). Как правило, этот показатель прописывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление. В такой ситуации при обозначении используются другие цифры — at.
  5. Мощность рассеивания Pmax (предельно допустимый параметр), Вт. По этому показателю можно судить о пределе, до достижения которого в полупроводнике не происходит необратимых изменений (параметры остаются прежними). При этом превышение температуры tmax при достижении Pmax исключено.
  6. Температура tmax — максимально допустимый параметр, при котором характеристики терморезистора длительное время остаются без изменений (на установленном производителем уровне).
  7. Коэффициент энергетической чувствительности (измеряется в Вт/проценты*R). Обозначение — G. Показатель отражает мощность, которую необходимо рассеять на детали для снижения параметра R на один процент.
  8. Коэффициент рассевания (измеряется в Вт на один градус Цельсия). Условное обозначение — H. Параметр отражает мощность, которая рассеивается на термическом резисторе при разнице в температурных режимах детали и окружающего воздуха на один градус.

Рассмотренные выше коэффициенты (G и H) зависят от характеристик применяемого полупроводника и особенностей обмена тепла между изделием и окружающей его средой. Параметры связаны друг с другом через специальную формулу — G=H/100а.

  1. Теплоемкость (измеряется в Джоулях на один градус Цельсия). Условное обозначение — C. Показатель отражает объем тепла (энергии), необходимой для нагрева терморезистора на один градус.

Некоторые рассмотренные параметры связаны друг с другом. В частности, постоянная времени τ равна отношению между теплоемкостью и коэффициентом рассеивания.

При покупке позитрона, кроме указанных выше параметров, нужно учесть интервал позитивного температурного сопротивления и кратность изменения R в секторе положительного ТКС.

Базовые характеристики терморезисторов

При оценке терморезисторов нужно учесть и проанализировать их характеристики:

  1. Вольтамперная характеристика — кривая на графике, показывающая зависимость напряжения на образце от проходящего через терморезистор тока. График рисуется с учетом теплового равновесия с окружающей природой. Для позисторов и термисторов графики различаются.
  2. Температурная характеристика. При построении графика снимается зависимость сопротивления от температуры в определенном режиме. По оси R выставляется параметр по принципу десятикратного увеличения (10Х), а по оси времени пропускается участок в диапазоне от нуля до 223 Кельвинов.
  3. Подогревная характеристика. С помощью графика можно увидеть параметры термических резисторов, работающих на косвенном принципе. Иными словами, кривая отражает зависимость сопротивления детали от подаваемой к нему мощности. При указании графика масштаб по сопротивлению берется с учетом 10Х.

Общий принцип действия

Терморезисторы делаются максимально чувствительными к изменению температурного режима, ведь на этом принципе они и работают. При отсутствии нагрева атомы, входящие в состав детали, находятся в правильном порядке и формируют длинные ряды.

В случае нагрева количество активных «переносчиков» заряда растет. Чем больше таких единиц, тем выше проводимость материала.

При изучении кривой зависимости сопротивления от температуры можно увидеть характеристику нелинейного типа. При этом лучшие характеристики терморезистор показывает в диапазоне от -90 до +130 градусов.

Важно учесть, что принцип действия таких деталей строится на корреляции между температурным режимом и металлами в составе детали.

Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других). Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре.

Создаваемое электрическое поле подталкивает электрон, который перемещается до момента удара об атом. По этой причине движение электрона затормаживается.

При росте температуры атомы двигаются активнее. При таких обстоятельствах исходный актом быстрее столкнется с другим элементом. В результате возникает дополнительное сопротивление.

После снижения рабочей температуры электроны «падают» в нижние валентные уровни и переходят в невозбужденное состояние. Иными словами, они меньше перемещаются и не создают такого сопротивления.

В случае повышения температуры растет и показатель R. Но здесь нужно учесть тип терморезистора, от которого зависит принцип повышения и роста сопротивления при изменении температурного режима.

NTC

Терморезисторы NTC — изделия, имеющие отрицательный температурный коэффициент. Их особенность — повышенная чувствительность, высокий температурный коэффициент (на один или два порядка выше, чем у металла), небольшие габариты и широкий температурный диапазон.

Полупроводники NTC удобны в применении, стабильны в работе и способны выдерживать большую перегрузку.

Особенность NTC в том, что их сопротивление увеличивается при снижении температуры. И наоборот, если t снижается, параметр R растет. При изготовлении таких деталей применяются полупроводники.

Принцип действия прост. При повышении температуры число носителей заряда резко растет, и электроны направляются в зону проводимости. При изготовлении детали, кроме полупроводников, могут применяться и переходные металлы.

При анализе NTC нужно учесть бета-коэффициент. Он важен в случае, если изделие применяется при измерении температуры, для усреднения графика и вычислений с помощью микроконтроллеров.

Как правило, термисторы NTC применяются в температурном диапазоне от 25 до 200 градусов. Следовательно, их можно использовать для измерений в указанном пределе.

Отдельного нужно рассмотреть сфера их использования. Такие детали имеют небольшую цену и полезны для ограничения пусковых токов при старте электрических двигателей, для защиты Li аккумуляторов, снижения зарядных токов блока питания.

Терморезистор NTC также используется в автомобиле — датчик, применяемый для определения точки отключения и включения климат-контроля в машине.

Еще один способ применения — контроль температуры двигателя. В случае превышения безопасного предела, подается команда на реле, а дальше двигатель глушится.

Не менее важный элемент — датчик пожара, определяющий рост температуры и запускающий сигнализацию.

Терморезисторы NTC обозначаются буквами или имеют цветную маркировку в виде полос, колец или других обозначений. Варианты маркировки зависят от производителя, типа изделия и других параметров.

Пример обозначения 5D-20, где первая цифра показывает сопротивление терморезистора при 25 градусах Цельсия, а расположенная рядом с ней цифра (20) — диаметр.

Чем выше этот параметр, тем большую мощность рассеивания имеет изделие. Чтобы не ошибиться в маркировке, рекомендуется использовать официальную документацию.

PTC

В отличие от рассмотренных выше терморезисторов, PTC — термисторы, имеющие положительный коэффициент сопротивления. Это означает, что в случае нагрева детали увеличивается и ее сопротивление. Такие изделия активно применялись в старых телевизорах, оборудованных цветными телескопами.

Сегодня выделяется два типа PTC-терморезисторов (от числа выводов) — с двумя и тремя отпайками. Отличие трехвыводных изделий заключается в том, что в их состав входит два позитрона, имеющих вид «таблеток», устанавливаемых в одном корпусе.

Внешне может показаться, что эти элементы идентичны, но на практике это не так. Одна из «таблеток» имеет меньший размер. Отличается и сопротивление — от 1,3 до 3,6 кОм в первом случае, и от 18 до 24 Ом для второй такой таблетки.

Двухвыводные терморезисторы производятся с применением полупроводникового материала (чаще всего Si — кремний). Внешне изделие имеет вид небольшой пластинки с двумя выводами на разных концах.

Терморезисторы PTC применяются в разных сферах. Чаще всего их используют для защиты силового оборудования от перегруза или перегрева, а также поддержания температуры в безопасном режиме.

Главные направления применения:

  1. Защита электрических двигателей. Задача изделия состоит в защите обмотки от перегорания при клине ротора или в случае поломки системы охлаждения. Позистор играет роль датчика, подключаемого к управляющему прибору с исполняющим реле, контакторами и пускателями. При появлении форс-мажорной ситуации сопротивление растет, а сигнал направляется к управляющему элементу, дающему команду на отключение мотора.
  2. Защита трансформаторных обмоток от перегрева или перегруза. В такой схеме позистор устанавливается в цепи первичной обмотки.
  3. Нагревательный узел в пистолетах для приклеивания.
  4. В машинах для нагрева тракта впуска.
  5. Размагничивание ЭЛТ-кинескопов и т. д.

Как проверить с помощью мультиметра

Важный вопрос при эксплуатации термисторов — знание принципов их проверки. При оценке исправности нужно понимать, что термисторы бывают двух видов — с положительными и отрицательным температурным коэффициентом (об этом упоминалось выше). Следовательно, сопротивление детали снижается или уменьшается с ростом температуры.

С учетом этого факта для проверки термистора потребуется всего два элемента — паяльник для нагрева и мультиметр.

Алгоритм действий:

  1. Перевод прибора в режим замера сопротивления.
  2. Подключение щупов к клеммам терморезистора (расположение не имеет значения).
  3. Фиксация сопротивления на бумаге и поднесение нагретого паяльника к детали.
  4. Контроль сопротивления (оно растет или падает в зависимости от вида терморезистора).
  5. Если сопротивление снижается или увеличивается, полупроводник работает правильно.

Для примера можно использовать термистор NTC типа MF 72. В нормальном режиме он показывает сопротивление 6,9 Ом при обычной температуре.

После поднесения паяльника к изделию ситуация изменилась — сопротивление пошло в сторону снижения и остановилось на уровне двух Ом. По этой проверке можно сделать вывод, что терморезистор исправен.

Если сопротивление меняется резко или вообще не двигается, можно говорить о выходе детали из строя.

Стоит учесть, что такая проверка очень грубая. Для точного контроля нужно проверить температуру и сопротивление термистора, а после сравнить данные с официальными параметрами.

Как подключить

Принцип подключения термисторов прост (на примере Arduino). Для этого потребуется монтажная плата, деталь и резистор на 10 кОм. Так как изделие имеет высокое сопротивление, этот параметр для проводников не влияет на конечный результат.

Один контакт сопротивления подключается к контакту 5В, а второй — к контакту термистора.

Вторую отпайку терморезистора необходимо посадить на «землю». Центр двух резисторов подключается к контакту «Аналог 0).

<

Где находится на схеме

Отображение терморезистора на схеме может различаться. Изделие легко найти по обозначениям t и t0. Внешне оно отражается как сопротивление, через которое проходит полоска по диагонали с «подставкой» под t0 снизу. Главные обозначения — R1, Th2 или RK1.

Если возникают сомнения в сфере применения, терморезистор можно нагреть и посмотреть на его поведение. Если сопротивление будет меняться, это нужный элемент.

Терморезисторы используются почти везде — в плате зарядного устройства, в автомобильных усилителях, блоках питания ПК, в Li-Ion аккумуляторах и других устройства. Найти их на схеме не трудно.

SMD и встроенные терморезисторы

Существует также еще два вида терморезисторов, которым стоит уделить внимание:

  1. SMD — детали с особым типом монтажа (для внешнего крепления). Внешне они не сильно отличаются от конденсаторов SMD, изготовленных из керамики. Габариты соответствуют стандартному ряду — 1206, 0805, 0603 и т. д. По виду отличить такие изделия от терморезисторов SMD почти невозможно.
  2. Встроенные. Применяются в паяльных станциях (для контроля температуры жала), в том числе термовоздушного типа.

В дополнение стоит сказать, что в электронике вместе с терморезисторами используются термореле и термические предохранители, которые работают на похожем принципе и также устанавливаются в электронных приборах.

<

5 (100%) 1 голос[ов]

elektrikexpert.ru

устройство, принцип работы, назначение, виды

При ремонте бытовой техники приходится сталкиваться с большим разнообразием деталей и компонентов. Часто новички не знают, что такое терморезистор и какими они бывают. Это полупроводниковые компоненты, сопротивление которых изменяется под воздействием температуры. Благодаря этим свойствам они нашли широкий диапазон применений. Начиная от термометров, заканчивая ограничителями пускового тока. В этой статье мы ответим на все интересующие вас вопросы простыми словами.

Устройство и виды

Терморезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от его температуры. В зависимости от типа элемента сопротивление может повышаться или падать при нагреве. Различают два вида терморезисторов:

  • NTC (Negative Temperature Coefficient) – с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Часто их называют «Термисторы».
  • PTC (Positive Temperature Coefficient) – с положительным ТКС. Их также называют «Позисторы».

Важно! Температурный коэффициент электрического сопротивления – это зависимость сопротивления от температуры. Описывает, на сколько Ом или процентов от номинальной величины изменяется сопротивление элемента при повышении его температуры на 1 градус Цельсия. Например, у обычных резисторов положительный ТКС (при нагреве сопротивление проводников повышается).

Терморезисторы бывают низкотемпературными (до 170К), среднетемпературными (170-510К) и высокотемпературными (900-1300К). Корпус элемента может быть выполнен из пластика, стекла, металла или керамики.

Условное графическое обозначение терморезисторов на схеме напоминает обычные резисторы, а отличием является лишь то, что они перечеркнуты полосой и рядом указывается буква t.

Кстати, так обозначаются любые резисторы, сопротивление которых изменяется под воздействием окружающей среды, а род воздействующих величин и указывается буквой, t – температура.

Основные характеристики:

  • Номинальное сопротивление при 25 градусах Цельсия.
  • Максимальный ток или мощность рассеяния.
  • Интервал рабочих температур.
  • ТКС.

Интересный факт: Терморезистор изобретен в 1930 году ученым Самюэлем Рубеном.

Давайте подробнее рассмотрим, как устроен и для чего нужен каждый из них.

NTC

Основные сведения

Сопротивление NTC-терморезисторов уменьшается при нагреве, их ТКС отрицательный. Зависимость сопротивления от температуры изображена на графике ниже.

Здесь вы можете убедиться, что при нагреве сопротивление NTC-терморезистора уменьшается.

Такие термисторы изготавливают из полупроводников. Принцип действия заключается в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация носителей зарядов, электроны переходят в зону проводимости. Кроме полупроводников используются оксиды переходных металлов.

Обратите внимание на такой параметр как бета-коэффициент. Учитывается при использовании терморезистора для измерения температуры, для усреднения графика сопротивления от температуры и проведения расчетов с помощью микроконтроллеров. Бета-уравнение для приближения кривой изменения сопротивления термистора вы видите ниже.

Интересно: в большинстве случаев термисторы используют в диапазоне температур 25-200 градусов Цельсия. Соответственно могут использоваться для измерений в этих диапазонах, в то время как термопары работают и при 600 градусах Цельсия.

Где используется

Терморезисторы с отрицательным ТКС часто используют для ограничения пусковых токов электродвигателей, пусковых реле, для защиты от перегрева литиевых аккумуляторов и в блоках питания для уменьшения зарядных токов входного фильтра (емкостного).

На схеме выше приведен пример использования термистора в блоке питания. Такое применение называется прямым нагревом (когда элемент сам разогревается при протекании тока через него). На плате блока питания NTC-резистор выглядит следующим образом.

На рисунке ниже вы видите, как выглядит NTC-терморезистор. Он может отличаться размерам, формой, а реже и цветом, самый распространенный – это зелёный, синий и черный.

Ограничение пускового тока электродвигателей с помощью NTC-термистора получило широкое распространение в бытовой технике благодаря простоте реализации. Известно, что при пуске двигателя он может потреблять ток в разы и десятки раз превышающий его номинальное потребление, особенно если двигатель пускается не в холостую, а под нагрузкой.

Принцип работы такой схемы:

Когда термистор холодный его сопротивление велико, мы включаем двигатель и ток в цепи ограничивается активным сопротивлением термистора. Постепенно происходит разогрев этого элемента и его сопротивление падает, а двигатель выходит на рабочий режим. Термистор подбирается таким образом, чтобы в горячем состоянии сопротивление было приближено к нулю. На фото ниже вы видите сгоревший терморезистор на плате мясорубки Zelmer, где и используется такое решение.

Недостаток этой конструкции состоит в том, что при повторном пуске, когда термистор еще не остыл – ограничения тока не происходит.

Есть не совсем привычное любительское применение терморезистора для защиты ламп накаливания. На схеме ниже изображен вариант ограничения всплеска тока при включении таких лампочек.

Если терморезистор используется для измерения температуры – такой режим работы называют косвенным нагревом, т.е. он нагревается от внешнего источника тепла.

Интересно: у терморезисторов нет полярности, так что их можно использовать как в цепях постоянного, так и переменного тока не опасаясь переполюсовки.

Маркировка

Терморезисторы могут маркироваться как буквенным способом, так и содержать цветовую маркировку в виде кругов, колец или полос. При этом различают множество способов буквенной маркировки – это зависит от производителя и типа конкретного элемента. Один из вариантов:

На практике, если он применяется для ограничения пускового тока чаще всего встречаются дисковые термисторы, которые маркируются так:

5D-20

Где первая цифра обозначает сопротивление при 25 градусах Цельсия – 5 Ом, а «20» — диаметр, чем он больше – тем большую мощность он может рассеять. Пример такого вы видите на рисунке ниже:

Для расшифровки цветовой маркировки можно воспользоваться таблицей, изображенной ниже.

Из-за обилия вариантов маркировки можно ошибиться в расшифровке, поэтому для точности расшифровки лучше искать техническую документацию к конкретному компоненту на сайте производителя.

PTC

Основные сведения

Позисторы, как было сказано, имеют положительный ТКС, то есть их сопротивление повышается при нагреве. Их изготавливают на основе титаната бария (BaTiO3). У позистора такой график температуры и сопротивления:

Кроме этого нужно обратить внимание на его вольтамперную характеристику:

Рабочий режим зависит от выбора рабочей точки позистора на ВАХ, например:

  • Линейный участок используется для измерения температуры;
  • Нисходящий участок используется в пусковых реле, реле времени, измерения мощности ЭМИ на СВЧ, противопожарной сигнализации и прочего.

На видео ниже рассказывается, что такое позисторы:

Где применяется

Сфера применения позисторов достаточно широка. В основном они используются в схемах защиты оборудования и устройств от перегрева или перегрузки, реже для измерения температуры, а также в качестве автостабилизирующих нагревательного элемента. Кратко перечислим примеры использования:

  1. Защиты электродвигателей. Устанавливаются в лобовой части каждой обмотки электродвигателя (для односкоростных трёхфазных 3, для двухскоростных 6 и т.д.), PTC-терморезистор предотвращает перегорание обмотки в случае заклинивания ротора или при выходе из строя системы принудительного охлаждения. Как работает эта схема? Позистор используется в качестве датчика, подключенного к управляющему устройству с исполнительными реле, пускателями и контакторами. В случае нештатной ситуации его сопротивление повышается и этот сигнал передаётся на управляющий орган, двигатель отключается.
  2. Защиты обмоток трансформатора от перегрева и (или) перегрузки, тогда позистор устанавливается последовательно с первичной обмоткой.
  3. Система размагничивания кинескопов ЭЛТ-телевизоров и мониторов. Кстати эта деталь часто выходит из строя и с этим случаем приходится сталкиваться при ремонте, характерен при этом выход из строя предохранителя.
  4. Нагревательный элемент в клеевых пистолетах. В автомобилях для прогрева впускного тракта, на пример на фото ниже изображен подогреватель канала ХХ карбюратора Pierburg.

Терморезисторы – это группа устройств, способных преобразовать температуру в электрический сигнал, который считывают посредством измерения падения напряжения или силы тока в цепи, где он установлен. Или же они сами по себе могут являться регулирующим органом, если это позволяют сделать его параметры. Простота и доступность этих устройств позволяет их широко использовать как для профессионального конструирования приборов, так и для радиолюбительской практики.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором подробно рассказывается, что такое терморезистор, как он работает и где применяется:

Наверняка вы не знаете:

samelectrik.ru

Теория / ЭФО corporate blog / Habr

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.

(они же — термосопротивления или RTD)


Сначала имеет смысл разобраться с терминологией. Если вы хорошо знакомы с вопросом, то смело переходите ко второй части статьи. А может быть и сразу к третьей.

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.


Если коротко, характеристики термосопротивлений можно разбить на три группы:

  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

На мой взгляд, пояснений требует только первый пункт.

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

Автомобильному стандарту Pt 3770 ppm/K, американскому Pt 3750 ppm/K или японскому Pt 3916 ppm/K будут соответствовать другие наборы коэффициентов.

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.








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|)

Приведенные в таблице допуски соответствуют большинству действующих стандартов для платиновых датчиков 3850 ppm/K, включая ГОСТ и европейский DIN 60751 (IEC-751), который с большой натяжкой можно назвать общепринятым. Однако и здесь есть исключенияНапример, в американском стандарте ASTM E1137 классы допуска платиновых датчиков именуются Grade и определяются иначе:



Grade A±(0.25 + 0.0042 |T|)
Grade B±(0.13 + 0.0017 |T|)

Если же говорить о платине с другими температурными коэффициентами или о никелевых и медных датчиках, то можно обнаружить и другие определения допусков.

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.

На картинке — кассы допуска для платиновых датчиков с температурным коэффициентом 3850 по стандарту DIN 60751 (IEC-751).

Определения классов допуска для тонкопленочных и намоточных платиновых датчиков Pt 3850 ppm/K








Тонкопленочный датчик Pt 3850 ppm/KНамоточный датчик Pt 3850 ppm/K
Класс допускаДиапазон температурКласс допускаДиапазон температур
DIN 60751 (IEC-751) / ГОСТDIN 60751 (IEC-751)ГОСТ
Класс АА

(F 0.1)
0… +150°СКласс АА

(W 0.1)
-100… +350°С-50… +250°С
Класс А

(F 0.15)
-30… +300°СКласс А

(W 0.15)
-100… +450°С
Класс B

(F 0.3)
-50… +500°СКласс B

(W 0.3)
-196… +600°С-196… +660°С
Класс С

(F 0.6)
-50… +600°СКласс С

(W 0.6)
-196… +600°С-196… +660°С

К слову, если в документации на термосопротивление указан диапазон измеряемых температур, который шире диапазона, предусмотренного указанным классом допуска, то заявленный класс допуска не будет действовать на всём рабочем диапазоне. Например, если датчик Pt1000 класса A предназначен для измерения температур от -200 до +600°C, то он будет иметь точность ±(0.15+0.002|T|) только при температурах до +300°C, а дальше скорее всего будет обеспечиваться класс В.

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.


Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.

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.

У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.


В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

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

Принцип работы терморезистора и что такое термосопротивление

Большинство промышленных сфер требует измерения множества параметров на производстве. Чем сложнее технологические процессы, тем точнее должны быть показания. Один из самых требовательных к точности параметров – температура. Для ее точных замеров используют специальный прибор – терморезистор.

Пример терморезисторов

Виды

Простой принцип работы позволяет создавать термопреобразователи сопротивления (научное название устройства) различных габаритов и форм. В зависимости от области применения и материала, датчики могут иметь различную форму и соответствующий тип: стержневой, трубчатый, дисковой или бусинковый. Особых ограничений нет, поэтому на каждой отрасли существуют свои стандарты датчиков.

Принцип действия

Терморезисторы – это датчики, работа которых зависит от двух показателей: температуры и сопротивления. Второй параметр меняется в зависимости от значений первого, при достижении необходимой отметки происходит срабатывание. Существует четыре разновидности терморезисторов:

  • низкотемпературные – для работы при значениях менее 170 К;
  • для средних температур – от 170 до 510 К;
  • для высоких – работают в диапазоне от 510 до 900 К;
  • особый класс – до 1300 К.

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

принцип действия, схемы и т.д.

Термометры сопротивления — электрический температурный датчик, использующий изменения сопротивления, которое противодействует протеканию тока, который является основой для измерений температуры. В английском языке термометр сопротивления обозначается тремя буквами RTD.

Стандартный термометр сопротивления

Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Основным электрическим компонентом термометра сопротивления является резистор, который часто представляет собой провод, обмотанный вокруг керамического изолятора в виде стержня Резистор и является температурным чувствительным элементом термометра сопротивления. Для защиты чувствительного элемента от физического воздействия и изоляции электрической цепи от технологической жидкости во избежание короткого замыкания резистор обычно заключается в корпус из нержавеющей стали. Два провода подсоединяются к электрической цепи внутри корпуса посредством герметичного уплотнения.

Схема термометра сопротивления

Принцип действия термометра сопротивления

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.

kipiavp.ru

Принцип работы датчиков температуры

Принцип работы

Термометры сопротивления (терморезисторы, термосопротивления)

Термометр сопротивления (Resistance Thermometer) — датчик для измерения температуры, принцип действия которого
основан на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Термосопротивления могут быть металлические (платина, никель, медь) или полупроводниковые.

Для большинства металлов температурный коэффициент сопротивления положителен — их сопротивление растёт с ростом температуры.
Для полупроводников без примесей он отрицателен — их сопротивление с ростом температуры падает.

Термисторы

Термисторы – это полупроводниковые термосопротивления с большим температурным коэффициентом.

  • PTC-термисторы (Positive Temperature Coefficient), обладают свойством резко
    увеличивать свое сопротивление, когда достигнута заданная температура – широко используются для защиты двигателей
  • NTC-термисторы (Negative Temperature Coefficient), обладают свойством резко
    уменьшать свое сопротивление при достижении заданной температуры
PT100, PT1000

Платиновые термометры сопротивления (Platinum Resistance Thermometers) обладают высокой стойкостью к
окислению и большой точностью измерения.

KTY

Кремниевые терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления, отличаются высокой линейностью характеристики,
высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Схемы включения термосопротивления в измерительную цепь

  • 2-х проводная схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление присоединительных
    проводов суммируется с измеренным сопротивлением, что приводит к появлению дополнительной погрешности
  • 3-х проводная схема обеспечивает значительно более точные измерения, т.к. появляется возможность измерить
    сопротивление подводящих проводов и вычесть его из суммарного измеренного сопротивления
  • 4-х проводная схема — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов
Сравнение термометров сопротивления с термопарами

Преимущества:

  • выше точность и стабильность
  • можно исключить влияние сопротивления присоединительных проводов на результат измерения при использовании 3-х или
    4-х проводной схемы измерений
  • практически линейная характеристика
  • не требуется компенсация холодного спая

Недостатки:

  • малый диапазон измерений
  • не могут измерять высокую температуру.

Термопары

Термопара (Thermocouple) — это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения
температуры называется — рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем.
Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС),
пропорциональное разности температур.

Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения,
свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из
тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного
контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке
измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара.
При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного
термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Типы термопар
  • K: хромель-алюмель
  • J: железо-константан
  • S, R: платина-платина/родий и др.

Термопары отличаются диапазоном измеряемых температур и погрешностью измерений.

Преимущества термопар
  • Большой температурный диапазон измерения
  • Измерение высоких температур.
Недостатки
  • Невысокая точность
  • Необходимость вносить поправку на температуру холодного конца.

Термостаты

Термостат (Thermostat) – это регулятор, который поддерживает постоянную температуру воздуха или жидкости в
системах отопления, кондиционирования и охлаждения.

www.maxplant.ru

Термопреобразователь сопротивлений: типы и принцип работы

Термопреобразователь сопротивлений: типы и принцип работы



15.02.2019 00:31

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