Полупроводниковые термодатчики: Полупроводниковые датчики температуры | Датчики температуры

Содержание

Полупроводниковые интегральные датчики температуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Все известные полупроводниковые измерители температуры основаны на использовании в качестве преобразователей температуры в электрический сигнал либо полупроводниковых резисторов, либо полупроводниковых диодов и транзисторов.

Полупроводниковые резисторы являются самыми распространенными преобразователями температуры, выпускаемыми промышленностью. По материалу, исполь зуемому при создании полупроводниковых резисторов, они подразделяются на поликристаллические и монокристаллические резисторы. По значению температурного коэффициента сопротивления (ТКС) полупроводниковые резисторы можно разделить на два класса — приборы с отрицательным и положительным ТКС.

Отрицательный ТКС имеют, как правильно, полупроводниковые резисторы, изготовленные на основе медно-марганцевых (типа ММТ) и кобальтомарганцевых (типа КМТ) оксидных полупроводников. Получение необходимых величин сопротивлений и ТКС достигается изменением процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного осаждения щелочью азотно-кислотных соединений марганца, кобальта, меди и прокаливания гидратов окислов. Для получения полупроводниковых резисторов исходный материал в виде порошка с органической связкой обрабатывается выдавливанием через мундштук или прессованием, по технологии, широко используемой в керамическом производстве. Такая технология позволяет обеспечить довольно низкие метрологические характеристики, так например, допустимое отклонение сопротивления от номинала у большинства типов резисторов составляет ±20%, а разброс ТКС для партии одного номинала составляет ±10%. Кроме того, особенностью таких полупроводниковых резисторов является нелинейная температурная характеристика.
Поэтому данные полупроводниковые резисторы редко используются в приборах для измерения температуры и их область применения, как правильно, ограничивается системами терморегулирования и термозащиты.

Полупроводниковые резисторы на основе монокристаллических полупроводников, например, кремния, германия, карбида кремния, фосфира гелия, выполняются как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Кремниевые, например, резисторы могут быть выполнены в виде слоя определенного типа проводимости в исходной кремниевой пластине противоположного типа проводимости, либо в виде узкого канала требуемого типа проводимости в пластине. Омические контакты создаются, например, путем химического осаждения никеля. Полупроводниковые резисторы на основе кремния (отечественные, например, СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-3Б и зарубежные, например, типа KTI-81) имеют более высокий ТКС и значительно меньшие габариты по сравнению с поликристаллическими резисторами и резисторами, выполненными из меди и пластины.

Они обладают почти линейной зависимостью и могут быть изготовлены с высоким номинальным значением сопротивления (десятки кОм). Кремниевые резисторы могут быть выполнены с допускаемым отклонением от номинального сопротивления (1-2) %. Это достигается химическим, электро-

химическим травлением или лазерным выжиганием резисторного слоя на кремниевой пластине. Использование кремниевых резисторов для измерения температуры представляет особый интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других аналогичных преобразователей температуры и имеют большой температурный коэффициент (до 1 %/K). Недостатками кремниевых резисторов по сравнению с их металлическими аналогами (медными, платиновыми резисторами) являются меньший диапазон измеряемых температур и значительная нелинейность температурной характеристики. Однако для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение. Схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTI-81 с положительным ТКС, приведена на рис.

1 [1]

Рис. 1. Типовая измерительная схема, содержащая в качестве термопреобразователя резистор, например, типа KTI-81

Полупроводниковый резистор размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R4… R7. Измерительный мост питается напряжением 2,7 В, стабилизированным с помощью стабилитрона V1. Ток питания моста не превышает 1 мА во избежание возникновения заметных погрешностей из-за перегрева, обусловленного этим током. Чувствительность измерительного моста составляет 4 мВ/°с и повышается усилителем V3 до 50 мВ/°С на выходе. Все элементы схемы измерения температуры (рис. 1) могут быть выполнены с помощью известных методов полупроводниковой технологии в объеме и на поверхности пластинки кремния. Например, таким образом, фирма Analog Devices серийно изготавливает датчики температуры в виде монолитных интегральных схем типа AD22100, упрощенный принцип работы которых приведен на рис.

пр кТ

(1)

пр обр

где k — постоянная Больцмана, ток через р-п переход.

q — заряд электрона, T — температура в Кельвинах, I

обратный

Если напряжение на p-n переходе достаточно велико, т.е.

кТ

ипр »— ,

9

то членом (-1) в экспоненте

можно пренебречь и из уравнения (1) можно получить выражение для ипр

(

пр

обр

(2)

У

Если бы 1т

поддерживался постоянным, а все остальные члены уравнения (2) ратуры, то напряжение на р-п переходе было бы прямо пропорционально члену

не зависели от темпе-

кТ

и следовательно,

температуре Т. , использование специального отбора транзисторов с одинаковыми значениями ипр и коэффициентом усиления по постоянному току [3], что позволяло обеспечивать взаимозаменяемость диодных чувствительных элементов, и других вариантов. Однако наиболее перспективным с точки зрения использования диодных чувствительных элементов и серийного изготовления полупроводниковых интегральных датчиков температуры оказался вариант, предположенный в работе [4]. Если через транзистор V в диодном включении (рис. 3) пропускать поочередно два различных, но постоянных по величине, тока 11 и 12 в прямом направлении по отношению к р-п переходу эмиттер-база (рис. 4), то принимая, что 12> 11>> 1обр, при токе через диод 1Прг и при температуре Т=Тг уравнение (2) можно переписать.

Имп. (“і

генера- V- ♦

тор тока 11пр

1

И 12

II

Рис. 3. Транзистор V в диодном включении в качестве элемента

Рис. 4. Диаграмма протекания токов Iи 1пр2 через диод 1пр, мА

ипр1 1)пр1 1)пр, В

Рис. 5. Вольтамперная характеристика диода и значение напряжений 1прі и 1Пр2, протекающим через диод

Таким образом, уравнение (2) будет выглядеть:

соответствующие прямым токам

тт кТ 1

ир =———-1п

п ч

прі

1 обр

Соответственно, при токе через диод Іпр

и при температуре Т=Т1 уравнение (2) перепишется

тт кТ

ипр 2 =———-!п

ч

Г,

1пр 2

1 обр

(4)

Измерение прямого тока через диод от значения 1пр1 до значения 1пр2 приведет к изменению напряжения на диоде (рис. прТі = (Т2 — Ті у — ■ 1п

4

щр

пр2

1прі

(7)

Уравнение (7) отличается от уравнения (2) тем, что в нем не содержатся члены, зависящие от температуры, и что токовое приращение прямого падения напряжения на диоде прямо пропорционально изменению температуры окружающей среды, не зависит от свойств полупроводникового материала и технологии изготовления транзистора. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) ЛОпр определяется

только электрическим режимом диода, т.е. значением

1п

пр 2 1 прі

а точнее отношением токов Іш

и Іт

Импульсный электрический режим протекания токов через диод, как следует из представленных выше рассуждений, легко заменить на электрический режим постоянных токов.

Достаточно взять два одинаковых транзистора в диодном включении и пропускать одновременно в прямом направлении по отношению к р-п переходу эмиттер-база ток Іпрі через один диод и ток 1пр2 через другой диод, а напряжение АОпр снимать как разность между базами диодов (рис. 6).

Рис. 6. Схема чувствительного к температуре элемента на двух диодах с постоянным режимом про-

текания токов

прі

я

Е

т _____ пит

1 —

пр 2

я

Для схемы (рис. 6) уравнение (7) можно переписать в следующем виде:

ш„ ,{т,-т,(1. 40) %.

Для обеспечения взаимозаменяемости чувствительного к температуре элемента (рис. 6), изготовленного с помощью полупроводниковой технологии, можно использовать лазерную подгонку величин резисторов Я2 и Я2, нанесенных на подложку, причем подложкой может служить и полупроводниковый кристалл, в котором сформированы транзисторные структуры. Следует отметить, что метод лазерной подгонки величин сопротивлений резисторов при изготовлении калиброванных датчиков широко используется как отечественными, так и зарубежными фирмами в настоящее время.

Другой вариант, позволяющий обеспечить приемлемую взаимозаменяемость чувствительного к температуре диодного элемента (рис. 6), определим как достижения полупроводниковой технологии в области обеспечения заданных размеров транзисторных структур с удовлетворительной точностью — это использование в схеме (рис. 6) вместо транзистора А2 многоэмиттерной транзисторной структуры. При этом значения сопротивлений резисторов Я2 и Я2 устанавливаются одинаковыми, хотя по величине эти сопротивления могут колебаться в пределах ±50%, но это изменение не будет отражаться на метрологических характеристиках и взаимозаменяемости чувствительного элемента (рис. 6) и позволяет устранить технологические трудности его изготовления в интегральном виде. Схемотехнические изменения, предлагаемые данным вариантом, не изменяют механизм преобразования, положенный в основу

І

пр2

и

работы чувствительного элемента (рис. 6) и определяемый уравнением (7). Действительно если переписать уравнение (7) для схемы (рис. 6) в виде:

(

AU„p =(Т2 -Т)• -• ln q

Jпр2 • $Э2 } пр 1 • $Э

‘ (Т 2 — Т, )• — • ln

q

J пр2 J прі

(9)

где Sэl и Sэ2 — площади эмиттерных p-n переходов транзисторов VI и V2 соответственно (поскольку транзисторы одинаковые в схеме рис. миттєрную транзисторную структуру, в которой каждый единичный эмиттерный переход по площади равен эмиттерному переходу транзистора VI и

обеспечены условия протекания одинаковых по величине токов 1Щ

и In

то для такой схемы будут

действительны соотношения Ss2=n •Ssi и jnpi=jnp2 и уравнение (9) можно представить в виде:

(10)

AUпр = (Т2 -Т1 )■ -■ lnI | = (Т2 -Т1 у * • ln(n) .

q V S3\ ) q

Предположения по практической реализации данного варианта диодного чувствительного элемента рассмотрены, например, в работе [5]. На рис. 7 приведена принципиальная схема интегрального полупроводникового датчика температуры с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры.

Поскольку температурная чувствительность диодного элемента (рис. 7) порядка 0,2 мВ/град, то желательно его изготавливать и применять совместно с усилительным устройством V3. Схема чувствительного элемента (рис. 7) положена в основу серийно выпускаемого фирмой Texas Instruments датчика температуры типа STP — 35. В таблице 1 приведены параметры интегральных датчиков типа STP.

Рис. 7. Схема диодного чувствительного к температуре элемента с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры, пригодной для использования в виде монолитной интегральной схемы Таблица 1.

Погрешность при 25°С, ЙТ, °С Температурный диапазон, °С Ток, мА Чувствительность, мВ/град Время срабатывания т, сек

STP-35A ±3 -4 0…+ 125 0,4.5 10 13

STP-35B ±2 -4 0. LM60 и LM50 от температуры при напряжении 10 В

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов построения диодных интегральных датчиков наиболее перспективным оказался вариант (с точки зрения промышленного освоения и обеспечения взаимозаменяемости) использования диодного чувствительного элемента с многоэмиттерной транзисторной структурой, на основе которого серийно изготавливается большинство полупроводниковых интегральных датчиков температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва «Мир», 1989 г., 198 с.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М., «Энергия», 1967г.,

614 с.

3. Pat O’Neil, Carl Derrington. Transistors — a hot tip for accurate temperature sensing. Electronics, 1979, №21, pp 137-141.

4. Громов В.С.,Николаевский И. Ф. Использование входного сопротивления транзистора для измерения температуры коллекторного перехода. — В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под

ред. Я.А. Федотова. — М.: Сов. Радио, 1969, с. 251-259.

5. Gerard de Haan Gerard C.M. Meijer. An accurate small-range JC temperature transducer. IEEE Journal of solid-state circuits, vol. sc-15, no.6, desember 1980, pp 1089-1091.

Методы построения полупроводниковых датчиков температуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Громов В.С, Шестимеров С.М., Увайсов С. У.

Московский государственный институт электроники и математики (ТУ),

Россия, г.Москва

Все известные полупроводниковые измерители температуры основаны на использовании в качестве преобразователей температуры в электрический сигнал либо полупроводниковых резисторов, либо полупроводниковых диодов и транзисторов.

Полупроводниковые резисторы являются самыми распространенными преобразователями температуры, выпускаемыми промышленностью. По материалу, используемому при создании полупроводниковых резисторов, они подразделяются на поликристаллические и монокристаллические резисторы. По значению температурного коэффициента сопротивления (ТКС) полупроводниковые резисторы можно разделить на два класса — приборы с отрицательным и приборы с положительным ТКС. Отрицательный ТКС имеют, как правило, полупроводниковые резисторы, изготовленные на основе медномарганцевых (типа ММТ) и кобальто-марганцевых (типа КМТ) оксидных полупроводников. Получение необходимых величин сопротивлений и ТКС достигается изменением процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного осаждения щёлочью азотнокислотных соединений марганца, кобальта, меди и прокаливания гидратов окислов. Для получения полупроводниковых резисторов исходный материал в виде порошка с органической связкой обрабатывается выдавливанием через мундштук или прессованием, по технологии, широко используемой в керамическом производстве. Такая технология позволяет обеспечить довольно низкие метрологические характеристики, так например, допустимое отклонение сопротивления от номинала у большинства типов резисторов составля-

1

ет ±20%, а разброс ТКС для партии одного номинала составляет ±10%. Кроме того, особенностью таких полупроводниковых резисторов является нелинейная температурная характеристика. Поэтому данные полупроводниковые резисторы редко используются в приборах для измерения температуры и их область применения, как правило, ограничивается системами терморегулирования и термозащиты.

Полупроводниковые резисторы на основе монокристаллических полупроводников (кремния, германия, карбида кремния, фосфида галлия) выполняются как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Кремниевые резисторы могут быть выполнены в виде слоя определенного типа проводимости в исходной кремниевой пластине противоположного типа проводимости, либо в виде узкого канала требуемого типа проводимости в пластине. Омические контакты создаются путём химического осаждения никеля. Полупроводниковые резисторы на основе кремния (отечественные, например, СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-3Б и зарубежные, например, типа KTY-81) имеют более высокий ТКС и значительно меньшие габариты по сравнению с поликристаллическими резисторами, а также с аналогичными резисторами, выполненными из меди и платины. Они обладают почти линейной зависимостью и могут быть изготовлены с высоким номинальным значением сопротивления (десятки кОм). Кремниевые резисторы могут быть выполнены с допускаемым отклонением от номинального сопротивления (1-2) %. Это достигается химическим, электрохимическим травлением или лазерным выжиганием резисторного слоя на кремниевой пластине. Использование кремниевых резисторов для измерения температуры в случае массового применения представляет особый интерес, так как они значительно дешевле других аналогичных преобразователей температуры и имеют большой температурный коэффициент (до 1 %/K). Недостатками кремниевых резисторов по сравнению с их металлическими аналогами (медными, платиновыми резисторами) являются

меньший диапазон измеряемых температур и некоторая нелинейность темпе-

2

ратурной характеристики. Однако, для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение. Схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTY-81 с положительным ТКС, приведена на рис. 1 [1]

Рис. 1 Типовая измерительная схема, содержащая в качестве термопреобразователя резистор, например, типа KTY-81.

Полупроводниковый резистор размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R4… R7. Измерительный мост питается напряжением 2,7 В, стабилизированным с помощью стабилитрона Vj. Ток питания моста не превышает 1 мА во избежание возникновения заметных погрешностей из-за перегрева, обусловленного этим током. Чувствительность измерительного моста составляет 4 мВ/°С и повышается усилителем V3 до 50 мВ/°С на выходе. Все элементы схемы измерения температуры (рис. 1) могут быть выполнены с помощью известных методов полупроводниковой технологии в объеме и на поверхности пластинки кремния. Например, таким образом, фирма Analog Devices серийно изготавливает датчики температуры в виде монолитных интегральных схем типа AD22100, упрощённый принцип работы которых приведен на рис. 2.

3

Рис. 2 Упрощённая блок-схема датчика температуры типа AD22100 с

аналоговым выходом.

Этот тип датчиков может работать в диапазоне температуры от минус 50°С до плюс 150°С. Точность измерения температуры не хуже, чем ±2%, и линейность не хуже, чем ±1% во всем измеряемом диапазоне. Температурный коэффициент выходного напряжения ивых равен 22,5 мВ/°С. При напряжении питания Епит = +5 В выходное напряжение изменяется от +0,25 В (при температуре -50°С) до +4,75 В (при температуре +150°С).

Использование кремниевых диодных структур в качестве первичных преобразователей температуры позволяет значительно улучшить линейность температурной характеристики полупроводникового датчика температуры по сравнения с кремниевым резистором. Это объясняется тем, что прямое падение напряжения на диоде более линейно изменяется с изменением температуры, чем электрическое сопротивление кремниевого терморезистора. Действительно, если через диод в прямом направлении пропускается постоянный ток 1пр, то его связь с прямым напряжением ипр на p-n переходе диода задается известным уравнением [2]:

I = I — Є

пр обр

ґq-ипР _ л у kT _ у

(1)

4

где k — постоянная Больцмана, q — заряд электрона, T — температура в

Кельвинах, 1обр — обратный ток через p-n переход.

т-, тт кТ

Если напряжение на p-n переходе достаточно велико, т. 1 обр )

(2)

Параметром, определяющим температурную зависимость напряжения на p-n переходе диода в уравнении (2) является ток 1обр. На основании общей теории p-n перехода в [2] показано, что в ограниченном интервале температур (для кремниевых диодов от -50°С до +120°С) прямое падение напряжения ипр линейно зависит от температуры с температурным коэффициентом

( ТКН

dU пр dT

) порядка -2 мВ/°С в зависимости от типа диода и от плотности

тока в p-n переходе. Причем с ростом прямого тока через p-n переход ТКН уменьшается, а с уменьшением тока 1пр уменьшается интервал температур, в котором ТКН можно считать постоянным.

Поэтому, при использовании диодов в качестве чувствительных элементов в интегральных датчиках температуры, усилия разработчиков были направлены на снижение влияния обратного тока 1обр на зависимость напряжения ипр от температуры, а также улучшения эксплуатационных характеристик датчиков. Например, использование вместо диодов транзисторных структур, но в диодном включении, позволило снизить влияние сопротивления базы диода на температурную зависимость напряжения ипр, использование специального отбора транзисторов с одинаковыми значениями ипр и коэффициентом усиления по постоянному току [3], позволило обеспечить взаимозаменяемость диодных чувствительных элементов, и других вариан-

5

тов. Однако, наиболее перспективным, с точки зрения использования диодных чувствительных элементов и серийного изготовления полупроводниковых интегральных датчиков температуры, оказался вариант, предположенный в работе [4]. Через транзистор V в диодном включении (рис. 3) пропускаются поочередно два различных, но постоянных по величине тока 1пр1 и 1пр2 в прямом направлении по отношению к p-n переходу эмиттер-база, как показано на рис. 4, и при этом обеспечивается, для данных токов, высокий уровень инжекции, т. е. 1пр2 > Іпрі>>Іобр и Unpi>>kT/q, как показано на рис. 5.

Рис. 3 Транзистор V в диодном включении в качестве чувствительного

элемента.

Рис. 4 Диаграмма протекания токов 1пр1 и 1пр2 через диод эмиттер-база.

6

Рис. 5 Вольтамперная характеристика диода и значения напряжений, соответствующие прямым токам 1пр1 и 1пр2, протекающим через диод.

В этом случае (рис. 3), уравнение (2) можно переписать для двух токов (1пр1 и 1пр2) и для двух температур (Tb T2) следующим образом.

При токе через диод 1пр1 и температуре Ti получим:

гг кТ1 1

Unpi = — ■ ІП

q

f ^

пр1

V1 обр J

(3)

Соответственно, при токе через диод 1пр= 1пр2 и при температуре Т=Т1 уравнение (2) перепишется как:

Т

q

г

■ ln

I

\

пр 2

V 1 обр J

(4)

Изменение прямого тока через диод от значения 1пр1 до значения 1пр2 приведет к изменению напряжения на диоде (рис. снимать как разность между базами диодов (рис. 6).

8

Рис. 6 Схема чувствительного к температуре элемента на двух диодах с

постоянным режимом протекания токов I пр1

E E

пит тх т пит

Т и =~г

ч

2

Для схемы (рис. 6) уравнение (7) можно переписать в следующем виде:

DUпР =(Т2 — Ті )•

к {R1

— • ln

q l R2 )

(8)

Для обеспечения такого важного эксплуатационного параметра, как взаимозаменяемость чувствительного к температуре элемента (рис. 6), изготовленного с помощью полупроводниковой технологии, можно использовать лазерную подгонку величин резисторов R1 и R2, нанесенных на подложку, причем подложкой может служить и полупроводниковый кристалл, в котором сформированы транзисторные структуры. Следует отметить, что метод лазерной подгонки величин сопротивлений резисторов при изготовлении калиброванных датчиков широко используется как отечественными, так и зарубежными фирмами в настоящее время.

Другой вариант, позволяющий обеспечить приемлемую взаимозаменяемость чувствительного к температуре диодного элемента — это использование в схеме вместо транзистора V1 многоэмиттерной транзисторной

9

структуры. При этом величины сопротивлений резисторов Rj и R2 должны быть равными.

Предлагаемые данным вариантом схемотехнические решения, не изменяют механизм преобразования, положенный в основу работы чувствительного элемента и определяемый уравнением (7). Действительно, уравнение (7) для схемы (рис. 6) можно переписать в виде:

(

DU„p =(Т2 -Т)• -• ln

q

J пр 2

S

Л

Э 2

V Jпрі • *3і у

= (Т2 — Ті)• — • In

q

f ■ \

J пр 2

V

J прі

у

(9)

где и — площади эмиттерных p-n переходов транзисторов VI и V2 соответственно (поскольку транзисторы одинаковые в схеме рис. и jw2 — плотность тока в эмиттере транзисторов VI и V2 соответственно.

Если в схеме (рис. 6) заменить транзистор VI на n-эмиттерную транзисторную структуру, в которой каждый единичный эмиттерный переход по площади равен эмиттерному переходу транзистора V2 и обеспечить условия протекания одинаковых по величине токов 1пр1 и 1пр2, то для такой схемы будут действительны соотношения S3j=n-S32 и уравнение (9) можно представить в виде:

ДЦ,р = Т — Ті )• — • In

q

S31

V S3 2 у

= {Т2 — Ті )• — • ln(n)

q

(і0)

Предложения по практической реализации данного варианта диодного чувствительного элемента рассмотрены, например, в работе [5]. На рис. 7 приведена принципиальная схема интегрального полупроводникового датчика температуры с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры.

і0

Рис. 7 Схема чувствительного к температуре элемента с многоэмиттер-ной транзисторной структурой.

Поскольку температурная чувствительность диодного элемента (рис. 7) порядка 0,2 мВ/град, то желательно его изготавливать и применять совместно с усилительным устройством V3. Схема чувствительного элемента (рис. 7) положена в основу серийно выпускаемого фирмой Texas Instruments датчика температуры типа STP — 35. В таблице 1 приведены параметры интегральных датчиков типа STP.

Таблица 1.

Погрешность Температур- Чувстви- Время сраба-

при 25°С, АТ, ный диапа- Ток, мА тельность, тывания т,

°С зон, °С мВ/град сек

STP-35A ±3 -40. ..+125 0,4. 5 10 13

STP-35B ±2 -40…+125 0,4. 5 10 13

STP-35C ±1 -40…+125 0,4. 5 10 13

Другими интересными примерами использования диодного чувствительного элемента (рис.7) являются датчики температуры типа LM3911,

LM50, LM60, серийного выпускаемые фирмой National Semiconductor. На

11

рис. 8 приведены температурные характеристики датчиков температуры LM50 и LM60.

-65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155

Температура, С

Рис. 8 Типовая зависимость ивых LM60 и LM50 от температуры при напряжении 10 В.

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов построения диодных интегральных датчиков наиболее перспективным оказался вариант (с точки зрения промышленного освоения и обеспечения взаимозаменяемости) использования диодного чувствительного элемента с многоэмиттерной транзисторной структурой, на основе которого серийно изготавливается большинство полупроводниковых интегральных датчиков температуры.

Выше был рассмотрен пример использования транзисторной структуры в качестве термопреобразователя при построении и серийном изготовлении интегральных датчиков температуры. Однако использование транзисторной структуры только в диодном включении, при котором исключена роль другого p-n перехода и утверждение, что при этом в современных датчиках температуры используются транзисторные термопреобразователи, не является достаточно корректным. В работе [6] предложена схема транзисторного преоб-

12

разователя, в которой оба р-n перехода транзистора (эмиттерный и коллекторный) используются по конкретному назначению. Схема включения транзистора как преобразователя температуры в электрический сигнал, приведена нарис. 9.

Увых

Рис. 9 Схема включения транзистора в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал.

Для того, чтобы транзистор V в схеме (рис. 9) выполнял роль термопреобразователя, необходимо обеспечить следующий электрический режим работы его p-n переходов. Во-первых, прямой ток через p-n переход эмиттер — база должен определяться только внешними элементами схемы и величина этого тока в диапазоне рабочих температур термопреобразователя не должны зависеть от температуры, т.е. необходимо, чтобы обеспечивались соотноше-т _ Еэ

ния 1э _ — и ЯЭ>>ЯЭБ, где ЯЭБ — сопротивление p-n перехода эмиттер — база

прямому току 1Э. Во-вторых, p-n переход коллектор — база транзисторного термопреобразователя должен быть смещён источником напряжения EK в прямом направлении, как и p-n переход эмиттер — база. В третьих, электрический сигнал, пропорциональный изменению температуры окружающей среды (напряжение ивых), снимается с резистора Як, а это означает, что в качестве термочувствительного параметра в данной схеме транзисторного термопреобразователя используется ток коллектора. Работу схемы транзисторного термопреобразователя (рис. 9) удобно рассматривать совместно с выходными вольтамперными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис. 10).

13

Рис. 10 Общий вид выходной вольтамперной характеристики n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Необходимо отметить, что область работы данного термопреобразователя имеет место только при включении транзистора по схеме с общей базой. На рис. 10 показано семейство выходных вольтамперных характеристик n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой, при различных значениях тока 1Э. При 1Э = 0 (обрыв эмиттерной цепи) и обратносмещённом коллекторном p-n переходе ток коллектора представляет собой обратный начальный ток перехода коллектор-база — 1КБ0, который не зависит от напряжения на коллекторе вплоть до момента пробоя перехода коллектор — база. При изменении полярности напряжения на переходе коллектор — база (в данном случае с положительного значения на отрицательное) получим вольтамперную характеристику прямосмещённого p-n перехода (диода) коллектор — база. При этом 1К = ІБ. Задавая определенные значения тока эмиттера (1Э1, 1Э2, 1Эз)

14

получим семейство выходных вольтамперных характеристик (рис. 10). В активной области работы транзистора (UK > 0) вольтамперные характеристики располагаются параллельно друг другу и их наклон и расстояние между ними не зависят ни от величины UK (вплоть до напряжения пробоя перехода коллектор — база), ни от температуры в диапазоне рабочих температур (как это следует из очевидного выражения ІК = ікбо + 1Э а, поскольку 1Э не зависит от температуры, ІКБ0 << 1Э, а коэффициент усиления транзистора в схеме с общей базой а» 1). Поэтому данная область работы транзистора не представляет интереса при создании транзисторных термопреобразователей. Другое дело область на рис. 10, характеризующаяся отрицательными значениями UK, или область работы транзистора с прямосмещёнными p-n переходами эмиттер — база и коллектор — база. Полагая, в общем случае, что токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов (инжектируемого и собираемого), для семейства выходных вольтамперных характеристик транзистора, включённого по схеме с общей базой, можно записать выражение [2]:

qUK

IK ~а’ 1 э — 1 КБ0 ■ (е кТ — 1) . (11)

Рассмотрим на рис. 10 вольтамперную характеристику с параметром 1Э1, полученную, как и все выходные характеристики, при температуре окружающей среды Т0. Точка 1 на характеристике определяется нулевым значением тока коллектора, т.е. ІК = 0. Тогда из уравнения (11) можно определить величину UK, при котором ІК = 0, а именно:

— Uk = — ln

kT

q

г

a• I

\

Э1

V ІКБ 0

+ 1

J

(12)

Величина UK, как следует из уравнения (12), зависит от величины тока ^ и может быть определена экспериментально. = ІБ, а на коллекторном выводе создается

15

потенциал jk , равный по величине Uk. Ориентировочно величину потенциала jk можно определить с помощью вольтметра с высокоомным входом.

Создать условие 1К = 0, в схеме рис. 9, при этом 1Э = hi, можно и по другому, не прибегая к обрыву в цепи коллектора, а путем подачи от коллекторного источника EK напряжения на коллектор (рис. 9), равного по величине

потенциалу j , т.е. если EK =jk, то 1К = 0. Экспериментально это условие легко контролируется путем измерения напряжения на резисторе RK, которое при этом должно быть равно нулю, т.е. иВЫХ = 0 и 1К = 0. Результаты измерения напряжения источника EK в данном случае и расчета UK с использованием уравнения (12) показывают, что соотношение EK =jk = UK при Ik = 0 выполняется с точностью, необходимой для применения данного уравнения при создании транзисторных термопреобразователей. В точке 1 (рис. 10), где выполняется условие 1К = 0 и 1Э1 = 1Б, p-n переход эмиттер — база работает как прямосмещённый и изолированный от коллектора диод. Известно [2], что напряжение на диоде при постоянном прямом токе изменяется от температуры согласно уравнению (2). При установлении температуры окружающей среды Токр = Т0 — АТ, т.е. при уменьшении температуры на АТ, получим отклонение характеристики влево, как показано на рис. 10 пунктирной линией слева от точки 1, на величину AUK = (ТКН) АТ. Аналогичное смещение характеристики, но вправо от точки 1, как показано на рис. 10 пунктирной линией, произойдёт, если окружающую температуру повысить на АТ, т.е. установить Токр = Т0 + АТ. Проведенная через точку 1 в соответствии с величиной резистора RK нагрузочная прямая пересекает рассмотренные выше пунктирные линии в точках 4 и 3. При этом величина выходного напряжения иВЫХ в схеме (рис. 9) будет иметь значение, согласно рис. 10, соответственно:

Ubhx 4 = -AIkRk и Ubhx з = +AIkRk 16

16

Если выполняется условие 1Э1 >> ± ЫК, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что иВЫХ = AIKRK » (ТКН)ЛТ, в диапазоне изменения коллекторного тока от -А1К до +А1К. Для начальной температуры среды Т0 может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С. На рис. 11 показан характер изменения коллекторного тока 1К от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки RK для кремниевого транзистора, включенного по схеме рис. 9. 17

Рис. 11 Зависимость коллекторного тока 1К от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки RK для транзисторного термопреобразователя

17

Принимая во внимание, что изменение выходного напряжения интегральных датчиков температуры, построенных с использованием в качестве термопреобразователей кремниевых резисторов и диодов по характеру идентичны, то, сравнивая графики, приведенные на рис. 8 с графиками на рис. 11 можно сделать по работе транзисторного термопреобразователя следующие выводы:

1. При заданном токе эмиттера, при условии 1Э >> 1К, температурный коэффициент коллекторного тока практически постоянен в широком диапазоне температур от -50°С до +°150°С и имеет высокое значение, порядка (1 -2) мкА/°С, обеспечивающее применение транзиторного термопреобразователя без дополнительных усилительных устройств.

2. В режиме прямых токов возможна плавная регулировка величины коллекторного тока в широких пределах (включая и нулевое значение) при изменении напряжения EK, смещающего коллекторный переход в прямом направлении. При этом, температурный коэффициент остается неизменным, температурная характеристика транзисторного термопреобразователя (прямая линия) имеет положительные и отрицательные значения тока коллектора, соответствующие положительным и отрицательным значениям измеряемых температур. Такая шкала абсолютного термометра не обеспечивается в терморезисторных и диодных датчиках температуры.

3. Зависимость температурного коэффициента коллекторного тока от величины резистора RK, не зависящего от температуры, даёт возможность регулировать чувствительность транзисторного термопреобразователя независимо от материала и технологии его изготовления, в отличие от его полупроводниковых аналогов.

Таким образом, в данной работе рассмотрены наиболее перспективные

полупроводниковые термопреобразователи и методы создания на их основе

полупроводниковых интегральных датчиков температуры. Следует отметить,

18

что, несмотря на значительный вклад отечественной промышленности в разработку полупроводниковых термопреобразователей, интегральные датчики температуры серийно освоены и выпускаются только зарубежными фирмами. 19

19

Литература.

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва «Мир», 1989 г., 198 с.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М., «Энергия», 1967г., 614 с.

3. Pat O’Neil, Carl Derrington. Transistors — a hot tip for accurate temperature sensing. Electronics, 1979, №21, pp 137-141.

4. Громов В.С.,Николаевский И.Ф. Использование входного сопротивления транзистора для измерения температуры коллекторного перехода. -В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Я. А. Федотова. — М.: Сов. Радио, 1969, с. 251-259.

5. Gerard de Haan Gerard C.M. Meijer. An accurate small-range JC temperature transducer. IEEE Journal of solid-state circuits, vol. sc-15, no.6, desember 1980, pp 1089-1091.

6. Громов В.С., Кривоносов А.И., Утямышев Р.И. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам открытий и изобретений при СМ СССР. Авторское свидетельство № 361358. Опубликовано в бюллетене № 1, 1973, 3с.

20

Авторы

Громов Вячеслав Сергеевич, ОАО ЦНИИ «Циклон», руководитель метрологической службы, доцент, д. т. н., т. раб. (495) 785-51-81, доб.41-22, т. дом. (499) 165-10-95

Шестимеров Сергей Михайлович, ОАО ЦНИИ «Циклон», начальник лаборатории, т. раб. (495) 785-51-81, доб.44-91, т. дом. (495) 524-43-20, email: [email protected]

Увайсов Сайгид Увайсович, МИЭМ, профессор кафедры РТУиС, д.т.н., т. раб. (495) 916-88-80, т. дом. (495) 780-59-86, e-mail: [email protected]

21

Аннотация.

Методы построения полупроводниковых датчиков температуры

В статье дан обзор интегральных твердотельных датчиков температуры, основанных на использовании в качестве первичных преобразователей температуры в электрический сигнал кремниевых резисторов, диодов, транзисторов. Рассмотрены вопросы построения измерительных схем с использованием указанных преобразователей и механизмов преобразования, связанных с особенностью их применения. Приведены примеры промышленной реализации кремниевых интегральных датчиков отечественными и зарубежными фирмами.

Рассмотрены особенности изготовления и применения кремниевых терморезисторов, выпускаемых промышленностью (например, отечественных СТ6-1 и зарубежных КТІ81), описаны общие принципы измерения температуры с помощью кремниевых термометров, отмечены их метрологические достоинства и недостатки, а также рассмотрены схемотехнические решения и метрологические характеристики зарубежных монолитных интегральных датчиков температуры на основе кремниевых резисторов типа AD22100.

Рассмотрены особенности построения кремниевых диодных первичных преобразователей температуры, выходной сигнал которых при заданном электрическом режиме изменяется только от температуры и не зависит от технологии изготовления диодов. Приводятся схемотехнические решения, уравнения преобразования и метрологические характеристики зарубежных монолитных интегральных датчиков температуры на основе диодных первичных преобразователей типа STP35, LM3911, LM50, LM60.

Рассмотрены схемотехнические особенности построения транзисторного датчика температуры, его уравнение преобразования и метрологические характеристики. Приведены сравнения характеристик транзисторного датчика и его зарубежных аналогов (LM50, LM60). Показано, что несмотря на про-

22

стоту схемотехнического решения, транзисторный датчик имеет больший диапазон измеряемых температур (от -50оС до +150оС), высокую чувствительность при отсутствии встроенных усилительных устройств, линейную шкалу, соответствующую шкале Цельсия, и является перспективным устройством для создания датчиков нескольких физических величин.

Статья содержит: 15 стр. маш. текста, рисунков 11, библ. 6.

Ключевые слова: датчик температуры, транзисторный датчик, термопреобразователь, абсолютный термометр, кремниевый интегральный датчик, кремниевый резистор, кремниевый диод, кремниевый транзисторов, серийные интегральных датчики температуры, многоэмиттерная транзисторная структура.

23

Authors

Gromov Vyacheslav Sergeevich, Ltd. Central Research Institute «Cyclone», the head metrological-ray service, associate professor, Ph.D., is a slave. (495) 78551-81, dob.41-22, that house. (499) 165-10-95

Shestimerov Sergei Mikhailovich, Ltd. Central Research Institute «Cyclone», head of the laboratory, that is a slave. (495) 785-51-81, dob. 44-91, that house. (495) 524-43-20, e-mail: [email protected]

Uvaisov Saygid Uvaysovich, MIEM, Professor RTUiS, Ph.D., is a slave. (495) 916-88-80, ie house. (495) 780-59-86, e-mail: [email protected]

24

Abstract.

Methods of constructing semiconductor temperature sensors

The article provides an overview of integrated solid state temperature sensors, based on the use-governmental as the primary temperature converters in electric-sky signal silicon resistors, diodes, transistors. The problems in the structure of the measuring circuits using these converters and tools for transformation-related feature of their application. Examples of industrial implementation of silicon integrated sensors domestic and Zar-eign firms.

The features of the production and use of silicon termorezisto-ing produced by industry (eg, domestic ST6-1 and foreign KTI81), describes the general principles of temperature measurement using silicon-ter-mometrov, marked their metrological advantages and disadvantages, and also considered the circuit solutions and metrological characteristics of foreign monolithic integrated temperature sensors based on silicon resistors type AD22100.

The features of silicon diode of the primary trans-ers in temperature, the output of which at a given electric mode of changes of temperature only and is not dependent on the technology of manufacturing diodes. Are set out circuit solutions, the equation changes and metrological charac-teristics of foreign monolithic integrated temperature sensors based on diode-governmental primary converters type STP35, LM3911, LM50, LM60.

We consider circuit design features of the transistor temperature sensor, its equation of transformation and metrological characteristics. Priv deny comparing the characteristics of the transistor sensor and its foreign counterparts (LM50, LM60). It is shown that despite the simplicity of circuit solutions, transistor sensor has a larger range of measured temperatures (from-50 ° C to +150 ° C), high sensitivity in the absence of built-in amplifier mouth-nal, a linear scale corresponding to the Celsius scale, and is a promising device for the creation of several sensors physical quantities.

This article contains: 15 pages mash. text, figures 11, Bibl. 6.

25

Keywords: temperature sensor, transistor sensor termopreobrazova-Tel, an absolute thermometer, silicon integrated sensor, silicon resistor, silicon diode, silicon transistors, serial integrated temperature sensors, multiemitter transistor structure.

26

Датчики температуры и измерители температуры, термометры, термодатчики в Уфе

Модельный ряд датчиков, измерителей температуры

Предлагаемая к поставке продукция включает в себя:

Уфимское предприятие ЭЛЕМЕР-УФА занимается поставкой термопар, термопреобразователей температуры, термометров сопротивления, биметаллических термометров и аналогичной продукции, изготовленной на НПП «ЭЛЕМЕР» в Зеленограде.  Компания является эксклюзивным поставщиком продукции ООО «НПП «ЭЛЕМЕР» на территории республики Башкортостан, республики Татарстан и Оренбургской области. Ассортимент предлагаемых термодатчиков — более 100 моделей, что позволяет удовлетворить потребности любого промышленного предприятия во всём температурном диапазоне. Продукция ЭЛЕМЕР-УФА отличается высоким качеством и изготавливается в строгом соответствии с действующими на территории России стандартами.

Датчики температуры: классификация и особенности

Наиболее важной характеристикой термодатчиков является диапазон измеряемых температур. Другие значимые параметры: класс точности и допуска прибора, быстродействие, помехоустойчивость, наработка на отказ, наличие защиты и т.д. Измерители температуры могут отличаться по принципу работы: термометры сопротивления, биметаллические, основанные на термопаре. Вне зависимости от типа устройства, поступающий от чувствительного элемента сигнал преобразуется в электрический ток, по величине которого прибором и определяется температура.

 

1.

Датчики сопротивления (терморезистивные датчики)

Действие таких устройств основано на том, что электрическое сопротивление материалов (проводников или полупроводников) зависит от температуры. Чувствительным элементом в датчиках сопротивления является терморезистор, сопротивление которого и контролируется. К основным преимуществам терморезистивных датчиков относится высокая чувствительность (включая класс допуска АА), длительная стабильность результатов и простота устройства. Они подходят для использования в системах безопасности 2Н — 4.

Чаще всего в качестве материала для резистивных детекторов температуры применяется платина, отличающаяся длительной стабильностью и высокой прочностью. Для температур выше 600 °С обычно применяется вольфрам, однако датчикам на его основе свойственна нелинейность характеристик и дороговизна. Кроме этого для изготовления датчиков используются кремний и металл-оксиды.

2.

Специальные полупроводниковые датчики

В полупроводниковых датчиках используется принцип изменения характеристик p-n перехода под влиянием температуры. Такие свойства характерны практически любому транзистору или диоду. Полупроводниковые детекторы дёшевы и просты в устройстве, отличаются линейностью характеристик. Они легко интегрируются в электрические схемы, поскольку их можно создавать непосредственно на кремниевой подложке.

3.

Термопары (термоэлектрические датчики)

Принцип работы термопар заключается в способности двух соединённых между собой разных электрических проводников генерировать ЭДС на своих свободных концах. Разность потенциалов зависит от разности температур между местом соединения металлов и свободными концами. Область измеряемых температур зависит от типа используемых металлов и колеблется от -200 до 2200 °С. Неблагородные металлы дают возможность измерить температуру среды до 1100 °С, а благородные — до 1600 °С.

4.

Термометры

Для непрерывного измерения и контроля температуры в твердых, жидких, сыпучих средах в различных технологическах процессах промышленности применяются термометры электроконтактные показывающие (ТКП-100, ТКП-150, ТКП-БП). Термометры контактные состоят из первичного преобразователя (термопреобразователя сопротивления ТС Pt100) и электронного блока, осуществляющего преобразование сигнала ТС в цифровой код, управляющего каналами сигнализации, ЖК-индикатором и клавиатурой. Диапазоны  измеряемых температур от -50 до +500 °С.

Для оперативного контроля температуры с помощью погружных или контактных датчиков температуры используются малогабаритные цифровые термометры (ТЦМ). Это многофункциональные микропроцессорные переконфигурируемые приборы, режимы работы которых задаются с клавиатуры, расположенной на
передней панели измерительного блока. С помощью модели ТЦМ 9410 можно произвести оперативную поверку рабочих средств измерения.

Преимущества продукции ЭЛЕМЕР-УФА

Компания предлагает большой выбор термопреобразователей (модели ТСМУ, ТСПУ, ТХАУ, ТХКУ, ТПУ), датчиков сопротивления, термопар, биметаллических термометров, отдельные чувствительные элементы для датчиков (платиновые и медные), а также кабели и провода для КИП. Доступны как высокоточные модели (класс точности АА), так и устройства с большим диапазоном рабочих температур, например, термопары с контролируемыми температурами -40…+1800 °С. По индивидуальным заказам возможно изготовление специфических моделей, например, с нижней температурной границей -200 °С.
Компания выпускает измерители РОСА-10 и ИПТВ, предназначенные для контроля температуры и влажности. Все приборы хорошо интегрируются в системы автоматического учёта и контроля благодаря поддержке интерфейса RS-232. Все датчики и преобразователи температуры изготавливаются в пыле- и влагозащищённом исполнении (классы: IP54, IP65 и IP5Х).

 

Улучшенные интегральные датчики температуры (IC)

Пожалуй, одним из самых важных факторов при работе сложных систем является измерение температуры некоторых компонентов, входящих в состав системы. Датчики температуры или, как их часто называют термодатчики, широко применяются в промышленности, автомобилях, системах автоматизации, в бытовых приборах и прочих системах. Также стоит к этому добавить еще и множество новых устройств и приложений, возникающих в IoT (Internet of Things). Теперь появились новые полупроводниковые датчики температуры, что позволяет проектировщикам использовать альтернативные варианты при создании новых устройств.

Разновидности температурных датчиков

Используются повсеместно четыре основных типа температурных датчиков – резистивные датчики температуры (РДТ), термопары, термисторы и интегральные IC. Каждый из перечисленных элементов измерения температуры имеет свои характеристики и, соответственно, свою нишу систем, в которые они внедрялись благодаря специфике своих характеристик. Но развитие полупроводниковой техники последние годы было просто колоссальным, что привело к улучшению интегральных схем, а это запустило процесс вытеснения традиционных термодатчиков более современными датчиками на основе интегральных схем.

Резистивные температурные датчики РТД

Их широко используют в промышленности благодаря широкому диапазону рабочих температур и хорошей точности. Резистивный термодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется линейно с изменением температуры. Его сопротивление с ростом температуры тоже растет. Большинство РТД используют тонкую пленку или платиновую проволоку, которая имеет сопротивление 100 Ом при 25 0С. Рабочий диапазон составляет примерно от -250 0С до +750 0С.

Для получения сигнала от резистивного температурного датчика его часто подключают по мостовой схеме к источнику постоянного напряжения. Изменение выходного напряжения позже поддается обработке, например, линеаризации и усилению. Но при таком подключении существует одна постоянная проблема – введение дополнительной ошибки соединительными проводами. Преобладающее большинство РДТ устанавливаются отдаленно от систем обработки сигнала, например на трубах или резервуарах, что требует прокладки длительной проводной связи от датчика к системе управления, а это вносит ошибку в вычисления температуры. Эту проблему обычно решают с помощью третьего провода в кабеле, который компенсирует сопротивления проводов в основной мостовой схеме.

Но РТД имеет также некоторую нелинейность, которая совсем не подходит для высокоточных установок. Нелинейность возникает из-за определенных свойств материала, из которого изготавливается измерительный резистор, а также может являться следствием самонагрева от приложенного напряжения. Нелинейность устраняют с помощью резистивной сети или, как альтернативный вариант, при оцифровке сигнала с РТД аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и с помощью микроконтроллера может быть введен поправочный коэффициент, учитывающий нелинейность измерения.

Термопары

Термопара состоит из двух разнородных металлов, таких как железо и константан (медно-никелевый сплав), которые соединяются вместе и образуют узел. После чего термопара применяется к устройству, на котором необходимо измерять температуру. Данная комбинация металлов приводит к тому, что при изменении температуры измеряемого объекта примерно на 1 0С напряжение термопары меняется на несколько десятков микровольт. Для передачи сигнала от термопары к системе управления используют усилители. Если термопара будет применятся в широком диапазоне температур, то проектировщикам необходимо скомпенсировать ее нелинейность, которая устраняется с помощью резистивной сети или с помощью микроконтроллера после оцифровки сигнала.

Главным плюсом термопар является их огромная рабочая температура, когда ее значение может достигать 2300 0С и более.

 Термисторы

Термистор – это резистор, изготовленный с оксидами металлов и имеющий отрицательный (NTC) или положительный температурный коэффициент (PTC). Наиболее распространенными являются термисторы типа NTC, у которых при повышении температуры снижается сопротивление. Сопротивление меняется по экспоненциальному закону. Разброс составляет порядка от -6% до +3% от величины сопротивления на единицу 0С.  Термисторы более чувствительные датчики чем РТД или термопары. Их значения сопротивления колеблется, как правило, в диапазоне 1 — 100 кОм, а температурный диапазон составляет от -50 0С до +150 0С.

Используются термисторы наиболее часто в устройствах, где необходим запуск или остановка при достижении определенного значения температуры. В таком случае выход термистора подключают к компаратору, который сравнивает заданное фиксированное значение напряжения с напряжением термистора и производит выдачу сигнала при определенном уровне напряжения на термисторе. Такие схемы включения очень распространены в бытовых электроприборах.

Если термистор применяется в широком диапазоне температур, то необходимо компенсировать нелинейность с помощью резистивных сетей или с помощью микропроцессора после оцифровки сигнала.

Интегральные температурные датчики (IC)

В течении времени IC микросхемы переживали эволюцию и смогли избавится от многих присущих ранее недостатков и теперь они стали вполне конкурентоспособными с традиционными датчиками. Например, они преодолели свои недостатки в точности и рабочей температуре. Сегодня лучшие IC датчики способны работать в диапазоне от -55 0С до +200 0С и с точностью ±0,3%. Не последнюю роль играет и уменьшение их габаритных размеров – они стали значительно меньше.

Преобладающее большинство интегральных датчиков основывается на температурной чувствительности P-N перехода. Прямое напряжение на переходе изменяется линейно и обратно-пропорционально при изменении температуры с величиной примерно 2 мВ на градус Цельсия. Это может быть встроенный или внешний диод, или в случае интегрального датчика температуры – биполярный транзистор, подключенный как диод. Напряжение база – эмиттер (VBE) одного или нескольких транзистор и будет представлять собой термодатчик. Добавив некоторые компенсационные схемы и схемы развязки, на выходе получим генератор аналогового сигнала постоянного тока, пропорционального температуре.

Новые интегральные температурные датчики (IC) способны изменить подход к проектированию новых систем

Примером новых усовершенствованных датчиков IC может послужить LMT970 Texas Instruments. Он имеет диапазон температур от -55 0С до +150 0С и точность ± 0,05 0С (точность зависит от диапазона рабочих температур). Его габариты всего 0,9х0,9 мм и он может с легкостью заменить РДТ и термисторы в некоторых устройствах. Его аналоговое выходное напряжение обычно оцифровывается с помощью АЦП внутри сопутствующего микроконтроллера:

Новые IC датчики позволяют заменить более дорогие и более крупные традиционные датчики, которые требуют более сложных схем калибровки и развязки. Также новые IC датчики, благодаря своим техническим характеристикам и габаритам отлично подходят для проектирования новых систем.

Примером одного из новых проектов на таких микросхемах может послужить распределитель тепла (радиатор). Датчик устанавливается на радиатор и измеряет количество тепла отданного им для подсчета количества затраченной тепловой энергии на обогрев помещения или здания. Для вычисления потраченной энергии радиатора используют разницу между температурой  самого радиатора и помещения, где он находится. Устройство может отправлять данные по беспроводной сети в специальные центры для подсчета окончательного расхода тепла. Это позволяет определить количество затраченной энергии на обогрев каждого пользователя при системе централизованного отопления. Эти системы довольно широко распространены в Европе и других странах, где используется централизованное отопление.

Правильный выбор датчика температуры | RuAut

Для того, чтобы сделать правильный выбор датчика температуры, требуется четко определиться, для каких именно измерений он будет предназначен, а также насколько достоверным будет полученный результат измерения. Как правило, в основном, то есть достаточно часто, для того, чтобы провести измерение температуры, используются такие типы датчиков, как нижеперечисленные: 

  • цифровые полупроводниковые датчики; 
  • термисторы; 
  • термопреобразователи сопротивления; 
  • термопары. 

Ниже будет подробнее рассказано про преимущества и недостатки температурных датчиков каждого типа.

Полупроводниковые датчики температуры

В последнее время цифровые полупроводниковые датчики температуры достаточно активно начали свое продвижение на современном промышленном рынке. Мировые лидеры в сфере микроэлектроники производят чувствительные элементы для этого типа датчиков. Эти чувствительные элементы представляют собой интегральную микросхему, которая содержит внутри себя сам чувствительный элемент, а также преобразователь, который необходим для предоставления сигнала в цифровом виде.

Основными достоинствами данного типа датчиков являются: 

  • достаточно удобная схема подключения. При подключении не требуется прокладывать индивидуальную кабельную линию непосредственно к датчику, потому что датчики можно подключить на одну общую линию;
  • наличие цифрового сигнала, благодаря чему появляется возможность отказаться от использования разнообразных преобразователей для построения измерительной цепи;
  • выгода в экономическом плане. Данный тип датчиков обладает вполне невысокой ценой. 

К недостаткам же данного типа датчиков можно отнести:

  • данные датчики обладают крайне слабой помехоустойчивостью. Датчики могут значительно искажать результаты измерения в том случае, если недалеко работают электродвигатели или проходит силовая линия;
  • данные датчики имеют невысокую точность, а именно всего-навсего 0,5 °С;
  • данные датчики имеют ограниченный рабочий интервал, а именно до 125°С. Поэтому их невозможно использовать в тех теплообменных установках, в которых температура теплоносителя может подниматься до 130-150 °С.

Термисторы

Принцип работы термисторов заключается в изменении сопротивления проводника в зависимости от температуры его нагрева. Чувствительные элементы, которые применяются в термисторах, выполнены на основе разнообразных оксидов металлов.

К достоинствам таких датчиков температуры, как термисторы, можно отнести:

  • высокую чувствительность;
  • компактный размер;
  • достаточно невысокую цену.

К главным же недостаткам относятся:

  • нелинейность характеристики;
  • слабая помехоустойчивость;
  • отсутствие взаимозаменяемости.

На последнем пункте требуется отдельно остановиться. Такой показатель, как взаимозаменяемость, особенно важен в тех ситуациях, когда датчики используют для температурных измерений готового продукта, компоста или грунта. То есть в работах, которая выполняется, как правило, низкоквалифицированным персоналом, где температурные датчики очень часто давят погрузчики или ломают по неосторожности. Грубо говоря, в реальных условиях работы эти датчики можно рассматривать как расходные материалы. В таких процессах применение датчиков температуры термисторного типа не рекомендуется, потому что любой производитель термисторов изготавливает термисторы с сугубо индивидуальной характеристикой, поэтому в ситуации поломки данного датчика потребуется обращаться именно к оригинальному производителю этого датчика.

Термопреобразователи сопротивления

Таким же принципам работы, как и у термисторов, обладает и следующий тип датчиков температуры — термопреобразователи сопротивления. Их принцип работы также основан на изменении сопротивления в соответствии с изменением температуры. Но термопреобразователи сопротивления отличаются от термисторов более высокой точностью, а именно до 0,1 °С. Также среди их достоинств можно назвать:

  • стабильность показаний;
  • близость характеристики к линейной зависимости;
  • взаимозаменяемость.

Термопреобразователи сопротивления в зависимости от материала, из которого выполнен чувствительный элемент, можно разделить на две большие группы: платиновые термопреобразователи и медные. В России, впрочем как и на всем постсоветском пространстве, применяются следующие стандартные характеристики этих датчиков: 50П, 100П, Pt100, Pt500, Pt1000 — для платиновых термопреобразователей сопротивления и 50М, 100М — для медных. Такие чувствительные элементы, как Pt100 и Pt1000, изготавливаются методом напыления на керамическую подложку тонкого слоя платины. Технология напыления платины позволяет изготавливать платиновые чувствительные элементы самых малых размеров с самым минимальным расходом платины, содержание платины равняется примерно 0,001 г. При этом полностью сохраняются все свойства платины, такие как практически линейная температурная зависимость сопротивления, термостабильность и стойкость к высоким температурам. На современном рынке наиболее распространенными платиновыми термопреобразователями сопротивления являются датчики Pt100 и Pt1000. Чувствительные элементы 50М, 100М, 50П, 100П выполняются вручную путем намотки тонкой проволоки медной или платиновой соответственно.

Термопары

Термопары на сегодняшний день можно назвать самыми высокотемпературными датчиками контактного типа. Принцип работы термопар основывается на термоэлектрическом эффекте. Этот эффект в 1812 г. открыл физик — немец Томас Зеебек. Термо-ЭДС, или электродвижущая сила, возникает между концами двух разнородных проводников, если они соединены между собой и если места соединения поддерживают при разных температурах. Именно такие соединения и носят название «термопары». Разность температур между спаями и материал проводников влияют на величину термо-ЭДС, которая возникает между проводниками. В небольшом интервале температур термо-ЭДС является пропорциональной температурной разности.

Основной плюс термопар — это достаточно большой диапазон температур измерения, который варьируется от -200°С до 2500°С. Кроме этого следует отметить прочность и простоту конструкции, а также и низкую стоимость. К главным недостаткам термопар можно отнести:

  •  точность измерения от 1 °С;
  •  нелинейную зависимость от температуры на выходе термопары;
  •  необходимость компенсировать температуру холодного спая. 

Последний недостаток в современных приборах устраняется посредством ввода автоматической поправки к измеренной термо-ЭДС.

ПП-2 термодатчик полупроводниковый

Термодатчик полупроводниковый ПП 2; ПП-2 термодатчик; термодатчик ПП-2; датчик ПП-2; датчик температуры ПП-2; ПП-2; ПП2; ПП 2.

ТУ 25-7529.0009-87

 

НАЗНАЧЕНИЕ ТЕРМОДАТЧИКА ПП-2

Термодатчик полупроводниковый ПП-2 представляет собой полупроводниковый терморезистор с линеаризированной, за счет последовательного соединения с ним манганиновых сопротивлений, характеристикой и предназначен для комплектации электротермометров типа ТП-2 и электротермометров типа ТП-3, применяемых для дистанционного измерения температуры воды, масла или антифриза в системах охлаждения двигателей тепловозов и других энергетических установок.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДАТЧИКА ПП-2

1

Диапазон измеряемых температур, °C

от 0 до 120

2

Диапазон рабочих температур, °C

от 20 до 90

3

Допускаемая погрешность измерения, °C, не более
— в диапазоне температур от 20 до 90 °C
  при изготовлении
  за время эксплуатации 5000 ч
— в диапазоне температур от 0 до 20 °C и от 90 до 120 °C
  при изготовлении
  за время эксплуатации 5000 ч

 
 
±2
±5

±4
±10

4

Показатель тепловой инерции, с, не более
— в спокойном воздухе
— в потоке (0,5 м/сек) воздуха

15
270
105

5

Условное давление измеряемой среды, Ру, МПа

1,5

6

Материал монтажной части защитной арматуры

Сталь 12Х18Н10Т

7

Электрическое сопротивление изоляции измерительной цепи термодатчика относительно корпуса при температуре окружающего воздуха (25±10) °C и относительной влажности от 30 до 80%, МОм, не менее

100

8

Степень защиты от воздействия пыли и воды

IP00
ГОСТ 14254-96

Габаритные размеры, мм

Ø30х160

10

Масса, кг, не более

0,25

11

Средний срок службы, лет

8

СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕРМОДАТЧИКА ПП-2 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Температура, °C

Номинальное значение сопротивления, Ом

Предельное допускаемое отклонение, Ом

при изготовлении

за время эксплуатации до 5000 ч

0

129,05

±1,60

±4,00

20

118,80

±1,26

±3,15

60

83,02

±1,96

±4,90

90

57,99

±1,39

±3,48

120

42,90

±1,50

±3,75

КОМПЛЕКТНОСТЬ

Термодатчик ПП-2 — 1 шт.

Паспорт — 1 экз.

Что такое датчик температуры NTC?

Аббревиатура NTC расшифровывается как Negative Temperature Coefficient, что в переводе на русский язык означает отрицательный температурный коэффициент. При повышении температуры датчика его сопротивление уменьшается, а при понижении температуры сопротивление возрастает.

Датчик температуры также может называться термистором, терморезистором, термическим резистором, термометром сопротивления.

Вынесенный датчик измерения температуры

Как правило, датчик температуры NTC является полупроводниковым. Это связано с тем, что для полупроводников без примесей температурный коэффициент сопротивления отрицателен.

Датчики температуры для терморегуляторов, представленных в нашем магазине, предназначены для контроля температуры окружающей среды (кабельная стяжка, поверхность нагревательных элементов и т. п.). При монтаже пленочного теплого пола, выносной датчик температуры закладывается в гофротрубу диаметром 16 мм непосредственно под одной из греющих полос ИК пленки в месте наименьшей теплоотдачи (например, под ковриком или мебелью на низких ножках).

Датчики не являются электронными приборами, поскольку не содержат систем предварительной обработки сигнала. В основе работы температурных датчиков NTC лежит нелинейная зависимость сопротивления терморезистора датчика от температуры среды, в которую он помещен. В соответствии с этим меняется напряжение на входе компаратора терморегулятора. Настройка компаратора соответствует температурной характеристике комплектного датчика.

Соотношение температуры и сопротивления датчика пола на 10 кОм:

Температура, °С Сопротивление, Ом
5 22070
10 17960
20 12091
30 8312
40 5827

Достаточно большая крутизна характеристики датчиков и достаточно малые отклонения реальной характеристики отдельного датчика от номинальной обеспечивают приемлемую чувствительность и позволяют выбрать небольшой гистерезис при поддержании заданной температуры.


Полупроводниковые датчики температуры

| Чипкин Системы автоматизации

Полупроводниковые датчики температуры — это устройства, которые представлены в виде интегральных схем , то есть ИС , следовательно, широко известных как датчики температуры ИС . Это электронные устройства, производимые таким же образом, как и современные электронные полупроводниковые устройства, такие как микропроцессоры. На тонких кремниевых пластинах можно изготовить более тысячи устройств.Целый ряд новых полупроводниковых датчиков температуры поступает от разных производителей. Однако самые популярные — это AD590 и LM35 .
«Их конструкция основана на том факте, что полупроводниковые диоды обладают температурно-чувствительными характеристиками зависимости напряжения от тока. Когда два идентичных транзистора работают при постоянном соотношении плотностей тока коллектора, разница напряжений база-эмиттер прямо пропорциональна абсолютной температуре. 1

Основные характеристики

Основные характеристики полупроводниковых термометров:

  • Они обеспечивают достаточно линейный выход.
  • Доступны умеренно маленькие размеры
  • Они не способны измерять высокие температуры. Их температурный диапазон обычно ограничен от -40 до + 120 ° C.
  • При правильной калибровке они дают довольно точные показания температуры.
  • Они предлагают очень небольшую взаимозаменяемость.
  • Полупроводниковые датчики температуры не предназначены для обеспечения хорошего теплового контакта с внешними поверхностями.
  • Использование этих датчиков температуры обеспечивает простой интерфейс с другими электронными устройствами, такими как усилители, регуляторы, цифровые сигнальные процессоры, микроконтроллеры и т. Д.
  • Эти типы датчиков температуры считаются идеальными для встроенных приложений, когда они устанавливаются внутри самого оборудования.
  • В отличие от других датчиков температуры, таких как термопары и RTD, их электрические и механические характеристики не очень надежны.

Типы полупроводниковых датчиков

Полупроводниковые датчики температуры можно условно разделить на следующие пять основных типов:

Датчики температуры на выходе

Датчики такого типа обычно нуждаются в источнике питания для возбуждения. Они дают эффективный линейный выходной сигнал в виде сигналов напряжения. Кроме того, они имеют довольно низкий выходной импеданс.

Датчики температуры на токовом выходе

В отличие от датчиков температуры на выходе по напряжению, у этих датчиков очень высокое выходное сопротивление.Обычно они работают как регуляторы постоянного тока, рассчитанные на пропускание 1 микроампер на градус Кельвина. Им также необходимо входное напряжение, которое может варьироваться от 4 до 30 В.

Датчики температуры с цифровым выходом

Это передовые датчики, разработанные для интеграции датчика и аналого-цифрового преобразователя на микросхеме IC. Эти датчики не имеют стандартных цифровых интерфейсов. Следовательно, их нельзя использовать для измерения с помощью стандартных измерительных устройств.Некоторые из них специально изготовлены для использования с микропроцессорами для управления температурой.

Кремниевые температурные датчики с выходным сопротивлением

Это простые датчики температуры, разработанные с помощью типичного оборудования для производства полупроводников. Обычные характеристики термостойкости полупроводниковых материалов упрощают их использование. Кроме того, эти датчики обладают высокой устойчивостью к миграции ионов, следовательно, они обладают дополнительной стабильностью по сравнению с другими полупроводниковыми датчиками температуры.Однако следует проявлять особую осторожность при использовании этих датчиков из-за их других характеристик.

Диодные датчики температуры

Эти датчики состоят из обычных диодов с PN переходом. Это самый недорогой тип датчиков температуры, которые достаточно компетентны, чтобы обеспечивать очень адекватные результаты, если к ним подводится постоянный и устойчивый ток возбуждения. Кроме того, для удовлетворительной работы им требуется калибровка по двум точкам. Обычный полупроводниковый диод обеспечивает линейное прямое смещение напряжения с температурным коэффициентом около 2.3 мВ / ° C. Типичный диодный датчик температуры показан на рисунке ниже.

Критерии выбора

При выборе полупроводникового датчика температуры для конкретного применения необходимо учитывать следующие ключевые моменты:

  1. Выберите необходимый уровень точности
  2. Выбрать нужный диапазон температуры
  3. Учитывать требования к калькуляции
  4. Определите входные возможности измерительных устройств

Аналоговые датчики температуры

Эти типы датчиков температуры генерируют выходной сигнал напряжения или тока, который в основном линейен и прямо пропорционален температуре.Введение аналоговых датчиков температуры устранило потребность в дополнительных схемах линеаризации, которая ранее была необходима в решениях с термисторами для улучшения их нелинейности.

Цифровые датчики температуры

Эти датчики намного более совершенные, чем аналоговые датчики температуры. Вместо того, чтобы обеспечивать выходной сигнал в форме тока или напряжения, они выдают цифровые сигналы в виде единиц и нулей, которые обычно передаются по цифровым линиям связи, таким как однопроводная ШИМ, двухпроводная I2C или многопроволочная связь SPI.Поскольку область полупроводниковых датчиков температуры постоянно развивается, это новое поколение цифровых датчиков температуры наделено множеством полезных функций и интерфейсов. Они могут определять температуру как в местных, так и в удаленных районах. Кроме того, они могут проверять другие важные параметры, такие как напряжение системы и т. Д. Другие конструктивные особенности включают управление вентилятором и сигнализацию превышения или понижения предела. Эти датчики температуры лучше всего подходят для взаимодействия с микроконтроллером. Современный датчик температуры с цифровым выходом показан на рисунке ниже.

Другие варианты

Хотя усовершенствованные датчики температуры с цифровым выходом заменили аналоговые датчики температуры во многих областях, тем не менее, аналоговые датчики нашли свое применение в областях, которые не требуют вывода в цифровом формате. Также в приложениях, где конечный выходной сигнал требуется только в цифровой форме, можно использовать аналоговые датчики температуры, интегрированные с аналого-цифровым (A / D) преобразователем. Такая компоновка упростит работу проектировщика и приведет к экономии средств, места и энергии.

Список литературы

1. Датчики температуры IC

Источники

Capgo

Sensorwiki

Электронные изделия

Типы

, принцип работы и приложения

Все мы используем датчики температуры в повседневной жизни, будь то термометры, водонагреватели, микроволновые печи или холодильники. Обычно датчики температуры имеют широкий спектр применения, в том числе в области геотехнического мониторинга.

Датчики температуры — это простой прибор, который измеряет степень тепла или холода и преобразует ее в считываемые единицы. Но задумывались ли вы, как измеряется температура почвы, скважин, огромных бетонных дамб или зданий? Что ж, это достигается с помощью некоторых специализированных датчиков температуры.

Датчики температуры предназначены для регулярного контроля бетонных конструкций, мостов, железнодорожных путей, грунта и т. Д.

Здесь мы расскажем вам, что такое датчик температуры, как он работает, где он используется и какие бывают его типы.

Что такое датчики температуры?

Датчик температуры — это устройство, обычно термопара или резистивный датчик температуры, которое обеспечивает измерение температуры в читаемой форме с помощью электрического сигнала.

Термометр — это самая простая форма измерителя температуры, которая используется для измерения степени жара и прохлады.

Измерители температуры используются в геотехнической области для контроля бетона, конструкций, почвы, воды, мостов и т. Д.на структурные изменения в них из-за сезонных колебаний.

Термопара (Т / С) изготовлена ​​из двух разнородных металлов, которые генерируют электрическое напряжение прямо пропорционально изменению температуры. RTD (резистивный датчик температуры) представляет собой переменный резистор, который изменяет свое электрическое сопротивление прямо пропорционально изменению температуры точным, воспроизводимым и почти линейным образом.

Что делают датчики температуры?

Датчик температуры — это устройство, предназначенное для измерения степени жара или прохлады объекта.Работа измерителя температуры зависит от напряжения на диоде. Изменение температуры прямо пропорционально сопротивлению диода. Чем ниже температура, тем меньше сопротивление, и наоборот.

Сопротивление на диоде измеряется и преобразуется в считываемые единицы измерения температуры (Фаренгейта, Цельсия, Цельсия и т. Д.) И отображается в числовой форме над единицами считывания. В области геотехнического мониторинга эти датчики температуры используются для измерения внутренней температуры таких конструкций, как мосты, плотины, здания, электростанции и т. Д.

Для чего нужен датчик температуры? | Каковы функции датчика температуры?

Что ж, существует много типов датчиков температуры, но наиболее распространенный способ их классификации основан на режиме подключения, который включает в себя контактные и бесконтактные датчики температуры.

Контактные датчики включают термопары и термисторы, потому что они находятся в прямом контакте с объектом, который они должны измерять. А бесконтактные датчики температуры измеряют тепловое излучение, выделяемое источником тепла.Такие измерители температуры часто используются в опасных средах, таких как атомные электростанции или тепловые электростанции.

В геотехническом мониторинге датчики температуры измеряют теплоту гидратации в массивных бетонных конструкциях. Их также можно использовать для мониторинга миграции грунтовых вод или просачивания. Одна из наиболее распространенных областей, где они используются, — это отверждение бетона, потому что он должен быть относительно теплым, чтобы схватиться и затвердеть должным образом. Сезонные колебания вызывают расширение или сжатие конструкции, тем самым изменяя ее общий объем.

Как работает датчик температуры?

Основным принципом работы датчиков температуры является напряжение на выводах диода. Если напряжение увеличивается, температура также повышается, за чем следует падение напряжения между выводами транзистора базы и эмиттера в диоде.

Помимо этого, Encardio-Rite имеет датчик температуры с вибрирующей проволокой, который работает по принципу изменения напряжения в результате изменения температуры.

Измеритель температуры с вибрирующей проволокой разработан по принципу, согласно которому разнородные металлы имеют разный линейный коэффициент расширения при изменении температуры.

Он в основном состоит из магнитной растянутой проволоки с высокой прочностью на разрыв, два конца которой прикреплены к любому разнородному металлу таким образом, что любое изменение температуры напрямую влияет на натяжение проволоки и, следовательно, на ее собственную частоту колебаний.

В случае измерителя температуры Encardio-Rite разнородным металлом является алюминий (алюминий имеет больший коэффициент теплового расширения, чем сталь). Поскольку сигнал температуры преобразуется в частоту, то же устройство считывания используется для другие датчики с вибрирующей проволокой также могут использоваться для контроля температуры.

Изменение температуры регистрируется специально созданным датчиком с вибрирующей проволокой Encardio-rite и преобразуется в электрический сигнал, который передается в виде частоты на устройство считывания.

Частота, которая пропорциональна температуре и, в свою очередь, напряжению ‘σ’ в проволоке, может быть определена следующим образом:

f = 1/2 [σg / ρ] / 2l Гц

Где:

σ = натяжение проволоки

g = ускорение свободного падения

ρ = плотность проволоки

l = длина провода

Какие бывают типы датчиков температуры?

Доступны датчики температуры различных типов, форм и размеров. Два основных типа датчиков температуры:

Датчики температуры контактного типа : Есть несколько измерителей температуры, которые измеряют степень тепла или холода в объекте при непосредственном контакте с ним. Такие датчики температуры относятся к категории контактных. Их можно использовать для обнаружения твердых тел, жидкостей или газов в широком диапазоне температур.

Датчики температуры бесконтактного типа : Эти типы измерителей температуры не находятся в прямом контакте с объектом, а измеряют степень нагрева или холода посредством излучения, испускаемого источником тепла.

Контактные и бесконтактные датчики температуры делятся на:

Термостаты

Термостат — это датчик температуры контактного типа, состоящий из биметаллической полосы, состоящей из двух разнородных металлов, таких как алюминий, медь, никель или вольфрам.

Разница в коэффициентах линейного расширения обоих металлов заставляет их производить механическое изгибающее движение, когда они подвергаются нагреву.

Термисторы

Термисторы или термочувствительные резисторы — это те, которые изменяют свой внешний вид при изменении температуры.Термисторы изготовлены из керамического материала, такого как оксиды никеля, марганца или кобальта, покрытого стеклом, что позволяет им легко деформироваться.

Большинство термисторов имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), что означает, что их сопротивление уменьшается с повышением температуры. Но есть несколько термисторов с положительным температурным коэффициентом (PTC), и их сопротивление увеличивается с повышением температуры.

Резистивные датчики температуры (RTD)

ТС

— это точные датчики температуры, которые состоят из проводящих металлов высокой чистоты, таких как платина, медь или никель, намотанных в катушку.Электрическое сопротивление RTD изменяется аналогично сопротивлению термистора.

Термопары

Один из наиболее распространенных датчиков температуры включает термопары из-за их широкого рабочего диапазона температур, надежности, точности, простоты и чувствительности.

Термопара обычно состоит из двух соединений разнородных металлов, таких как медь и константан, которые сварены или обжаты вместе. Один из этих переходов, известный как холодный спай, поддерживается при определенной температуре, в то время как другой является измерительным переходом, известным как горячий спай.

Под воздействием температуры на переходе возникает падение напряжения.

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)

Термистор — это чувствительный датчик температуры, который точно реагирует даже на незначительные изменения температуры. Он обеспечивает огромную стойкость при очень низких температурах. Это означает, что как только температура начинает повышаться, сопротивление начинает быстро падать.

Из-за большого изменения сопротивления на градус Цельсия даже небольшое изменение температуры точно отображается термистором с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).Из-за этого экспоненциального принципа работы требуется линеаризация. Обычно они работают в диапазоне от -50 до 250 ° C.

Датчики на основе полупроводников

Датчик температуры на основе полупроводника работает с двойными интегральными схемами (ИС). Они содержат два одинаковых диода с температурно-чувствительными характеристиками напряжения и тока для эффективного измерения изменений температуры.

Однако они дают линейный выходной сигнал, но менее точны при температуре от 1 ° C до 5 ° C. Они также демонстрируют самую медленную реакцию (от 5 до 60 с) в самом узком температурном диапазоне (от -70 ° C до 150 ° C).

Датчик температуры вибрирующей проволоки модели ETT-10V

Измеритель температуры с вибрирующей проволокой Encardio-rite Model ETT-10V используется для измерения внутренней температуры в бетонных конструкциях или в воде. Он имеет разрешение лучше 0,1 ° C и работает аналогично термопарным датчикам температуры. Он также имеет диапазон высоких температур от -20 o до 80 o C.

Технические характеристики измерителя температуры вибрирующей проволоки ЭТТ-10В
Тип датчика Pt 100
Диапазон -20 o до 80 o C
Точность ± 0.Стандарт 5% полной шкалы; ± 0,1% полной шкалы опционально
Размер (Φ x L) 34 x 168 мм
Зонд
термистора сопротивления модели ЭТТ-10ТХ

Температурный датчик сопротивления Encardio-rite модели ETT-10TH представляет собой водостойкий температурный датчик малой массы для измерения температуры от –20 до 80 ° C. Благодаря низкой тепловой массе он имеет быстрое время отклика.

Датчик температуры сопротивления модели

ETT-10TH специально разработан для измерения температуры поверхности стали и измерения температуры поверхности бетонных конструкций.ETT-10TH может быть встроен в бетон для измерения объемной температуры внутри бетона и даже может работать под водой.

Температурные датчики сопротивления

ETT-10TH полностью взаимозаменяемы. Показания температуры не будут отличаться более чем на 1 ° C в указанном диапазоне рабочих температур. Это позволяет использовать один индикатор с любым датчиком ETT-10TH без повторной калибровки.

Индикатор с вибрирующей проволокой EDI-51V модели

Encardio-rite при использовании с ETT-10TH напрямую показывает температуру зонда в градусах Цельсия.

Как работает зонд термистора сопротивления модели ETT-10TH?
Датчик температуры

ETT-10TH состоит из термисторной эпоксидной смолы с согласованной температурной кривой, заключенной в медную трубку для более быстрого теплового отклика и защиты окружающей среды. Трубка сплющена на конце, чтобы ее можно было прикрепить к любой достаточно плоской металлической или бетонной поверхности для измерения температуры поверхности.

Плоский наконечник зонда можно прикрепить к большинству поверхностей с помощью легко доступных двухкомпонентных эпоксидных клеев.При желании зонд также можно прикрепить болтами к поверхности конструкции.

Датчик температуры снабжен четырехжильным кабелем, который используется в качестве стандарта во всех тензодатчиках Encardio-rite с вибрирующей проволокой. Провода белого и зеленого цвета используются для термистора, как и другие датчики с вибрирующим проводом Encardio-rite.

Пара красных и черных проводов не используется. Единая цветовая схема для различных датчиков упрощает безошибочное соединение с терминалом регистратора данных.

Технические характеристики модели ETT-10TH
Тип датчика Кривая R-T согласована с термистором NTC, эквивалентным YSI 44005
Диапазон -20 o до 80 o C
Точность 1 o С
Материал корпуса Луженая медь
Кабель 4-х жильный в ПВХ оболочке
Датчик температуры RTD, модель ETT-10PT

Датчик температуры RTD (резистивный датчик температуры) ETT-10PT состоит из керамического резистивного элемента (Pt.100) с европейским стандартом калибровки кривой DIN IEC 751 (бывший DIN 43760). Элемент сопротивления заключен в прочную трубку из нержавеющей стали с закрытым концом, которая защищает элемент от влаги.

Как работает датчик температуры RTD модели ETT-10PT?

Температурный датчик сопротивления работает по принципу, согласно которому сопротивление датчика является функцией измеренной температуры. Платиновый термометр сопротивления имеет очень хорошую точность, линейность, стабильность и воспроизводимость.

Датчик температуры сопротивления модели ETT-10PT снабжен трехжильным экранированным кабелем.Красный провод обеспечивает одно соединение, а два черных провода вместе — другое. Таким образом, достигается компенсация сопротивления проводов и температурных изменений сопротивления проводов. Показания резистивного датчика температуры легко считываются с помощью цифрового индикатора температуры RTD.

Нажмите кнопку редактирования, чтобы изменить этот текст. Lorem ipsum dolor sit amet, conctetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

Технические характеристики датчика RTD модели ETT-10PT
Тип датчика Pt 100
Диапазон -20 o до 80 o C
Точность ± (0.3 + 0,005 * t) o C
Калибровка DIN IEC 751
Кривая (европейская) 0,00385 Ом / Ом / o C
Размер (Φ x L) 8 x 135 мм
Кабель 3-жильный экранированный
Термопара Encardio-Rite

Encardio-rite предлагает термопару Т-типа (медь-константан) для измерения внутренней температуры в бетонных конструкциях.Он состоит из двух разнородных металлов, соединенных одним концом. Когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно соотнесено с температурой.

Измерение термопары состоит из провода термопары с двумя разнородными проводниками (медь-константан), соединенными на одном конце для образования горячего спая. Этот конец герметизирован от коррозии и помещается в требуемые места измерения температуры.

Другой конец провода термопары подсоединяется к подходящему разъему термопары для образования холодного спая.Показания термопары отображают прямое считывание температуры в месте установки и автоматически компенсируют температуру холодного спая.

Технические характеристики термопары Encardio-Rite
Тип провода Т-медь-константан
Изоляция проводов PFA тефлон C
Температура горячего спая до 260 o C (макс.)
Тип разъема Миниатюрный Стеклонаполненный нейлон
Рабочая температура -20 o до 100 o C
Температура холодного спая Окружающий

Где используется датчик температуры?

Область применения датчика температуры:

  1. Датчики температуры используются для проверки проектных предположений, что способствует более безопасному и экономичному проектированию и строительству.
  2. Они используются для измерения повышения температуры в процессе твердения бетона.
  3. Они могут измерять температуру горных пород вблизи резервуаров для хранения сжиженного газа и при проведении операций по замерзанию грунта.
  4. Датчики температуры также могут измерять температуру воды в резервуарах и скважинах.
  5. Его можно использовать для интерпретации температурных напряжений и изменений объема в плотинах.
  6. Их также можно использовать для изучения влияния температуры на другие установленные приборы.

Преимущества датчиков температуры Encardio-Rite

  1. Датчик температуры Encardio-Rite является точным, недорогим и чрезвычайно надежным.
  2. Они подходят как для поверхностного монтажа, так и для встраиваемых систем.
  3. Низкая тепловая масса сокращает время отклика.
  4. Датчик температуры вибрирующей проволоки полностью взаимозаменяемый; один индикатор может читать все датчики.
  5. Он имеет водонепроницаемый корпус со степенью защиты IP-68.
  6. Они поставляются с индикаторами, которые легко доступны для прямого отображения температуры.
  7. Датчики температуры обладают отличной линейностью и гистерезисом.
  8. Технология вибрирующей проволоки обеспечивает долгосрочную стабильность, быстрое и легкое считывание.
  9. Датчики герметично закрыты электронно-лучевой сваркой с вакуумом около 1/1000 Торр.
  10. Они подходят для удаленного чтения, сканирования, а также регистрации данных.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между датчиком температуры и преобразователем температуры?

Датчик температуры — это прибор, используемый для измерения степени нагрева или прохлады объекта, тогда как датчик температуры — это устройство, которое сопрягается с датчиком температуры для передачи сигналов в удаленное место для мониторинга и управления.

Это означает, что термопара, RTD или термистор подключены к регистратору данных для получения данных в любом удаленном месте.

Как измеряется температура в бетонной плотине?

За исключением процедуры, принятой во время строительства, наибольший фактор, вызывающий напряжение в массивном бетоне, связан с изменением температуры. Следовательно, для анализа развития термического напряжения и контроля искусственного охлаждения необходимо отслеживать изменение температуры бетона во время строительства.

Для этого необходимо точно измерить температуру во многих точках конструкции, в воде и в воздухе. Необходимо установить достаточное количество датчиков, чтобы получить правильную картину распределения температуры в различных точках конструкции.

В большой бетонной плотине типичная схема заключается в размещении датчика температуры через каждые 15-20 м по поперечному сечению и через каждые 10 м по высоте. Для плотин меньшего размера интервал может быть уменьшен. Температурный зонд, помещенный в верхнем бьефе плотины, оценивает температуру водохранилища, поскольку она меняется в течение года.

Это намного проще, чем то и дело ронять термометр в резервуар, чтобы проводить наблюдения. Во время эксплуатации бетонной плотины суточные и сезонные изменения окружающей среды серьезно влияют на развитие термических напряжений в конструкции. Эффект более выражен на стороне нисходящего потока. Несколько датчиков температуры должны быть размещены рядом и в нижней части бетонной плотины для оценки быстрых суточных и еженедельных колебаний температуры.

Какой датчик температуры самый точный?

RTD — самый точный датчик температуры. Платиновый RTD имеет очень хорошую точность, линейность, стабильность и воспроизводимость по сравнению с термопарами или термисторами.

Что такое термопара?

Термопара — это тип датчика температуры, который используется для измерения внутренней температуры объекта.

Для термопар существует три закона, как указано ниже:

Закон однородного материала

Если все провода и термопара сделаны из одного материала, изменения температуры в проводке не влияют на выходное напряжение.Следовательно, необходимы провода, изготовленные из различных материалов.

Закон промежуточных материалов

Сумма всех термоэлектрических сил в цепи с несколькими разнородными материалами при постоянной температуре равна нулю. Это означает, что если третий материал добавляется при той же температуре, новый материал не генерирует сетевого напряжения.

Закон последовательных или промежуточных температур

Если два неоднородных однородных материала создают термоэдс 1, когда переходы находятся в точках T1 и T2, и создают термоэдс 2, когда переходы находятся в точках T2 и T3, то ЭДС, генерируемая, когда переходы находятся в точках T1 и T3, будет равна ЭДС1 + ЭДС2

Как проверить датчик температуры?

В Encardio-Rite есть специализированные камеры для испытания температуры (с уже известными системами контроля температуры и температуры) для проверки точности и качества наших датчиков температуры.

Это все о датчиках температуры, их различных типах, областях применения, использовании, а также о принципе работы. Сообщите нам свои вопросы в разделе комментариев ниже.

Проектирование с использованием полупроводниковых датчиков температуры

Джон Р. Дьорки
Редакционный директор

Полупроводниковые датчики температуры

просты в использовании, если вы сделаете домашнюю работу по согласованию датчика с приложением.

Датчики температуры используются в любой системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.Автомобильные системы полагаются на датчики температуры для управления двигателем. Многие промышленные процессы требуют высокоточных и стабильных измерений температуры. Сегодняшние компьютеры и портативные электронные устройства имеют чрезвычайно высокую плотность схем и не имеют простого способа отвода тепла, что делает контроль температуры обязательным.

Все приложения для датчиков температуры относятся к категории измерения температуры или управления температурным режимом. Наиболее широко используемые типы датчиков температуры — это термопары, резистивные датчики температуры (RTD), термисторы и полупроводниковые датчики температуры.

Термопары

известны своим широким диапазоном температур и малым дрейфом. RTD обладают высочайшей точностью и стабильностью, а также хорошей линейностью. Термисторы быстрые и обладают высокой чувствительностью. Однако все эти датчики требуют небольшого количества интерфейсных схем и сложны в использовании. Относительно новички, полупроводниковые датчики температуры обладают рядом преимуществ, с которыми не могут сравниться другие датчики.

Хотя их температурный диапазон от -50 o C до +150 o C довольно ограничен, полупроводниковые датчики температуры имеют несколько ценных характеристик, таких как превосходная линейность, высокая чувствительность и чрезвычайно малый размер.Они недорогие; не требуют линеаризации, компенсации холодного спая или преобразования сигнала; часто совмещают несколько функций на одной микросхеме; и производить аналоговые, логические или цифровые выходы, которые могут быть подключены напрямую к аналоговой измерительной схеме, аналого-цифровому преобразователю (АЦП), микропроцессору или контроллеру вентилятора. Помехоустойчивость измерительной системы превосходит другие датчики, поскольку выходной сигнал уже усилен или оцифрован внутри интегральной схемы (ИС).

Ключ к эффективному управлению температурным режимом — это знать, когда включать вентилятор, а когда отключать.Полупроводниковые датчики температуры, некоторые размером 115 на 63 на 40 мил, достаточно умны, чтобы знать, когда это делать.

Благодаря небольшому размеру полупроводниковые датчики могут быть установлены непосредственно на печатных платах, радиаторах, под мощными интегральными схемами и в небольших портативных электронных устройствах. Типичные приложения включают наиболее быстрорастущие типы потребительских товаров, такие как сотовые телефоны, ПК, КПК, MP3-плееры и автомобильные системы.

Чувствительный элемент
Полупроводниковый датчик температуры — это ИС, которая объединяет чувствительный к температуре элемент с преобразователем сигнала, выходом и другими типами схем на одной микросхеме.Он основан на изменении напряжения на p-n-переходе, по сути, на кремниевом диоде, в ответ на изменение температуры для определения температуры окружающей среды. Подложка биполярной ИС предназначена для построения транзисторов p-n-p и n-p-n, поэтому на практике чувствительный диод обычно формируется с использованием транзистора с закороченными базой и коллектором. Следующее уравнение показывает влияние температуры на прямое напряжение кремниевого p-n перехода:

V BE = V G0 (1-T / T 0 ) + V BE0 (T / T 0 ) + (ηKT / q) ln (T 0 / T) + ( KT / q) ln (I C / I C0 )

Где:
T = температура, o K (Кельвин)
T 0 = эталонная температура, o K
V G0 = напряжение запрещенной зоны при абсолютном нуле, В
V BE0 = прямое напряжение при ток I C0 и температура T 0 , В
K = постоянная Больцмана, Дж / o K
q = заряд электрона, C
η = константа, связанная с конкретным устройством
I C = вперед ток при температуре T, A
I C0 = прямой ток при эталонной температуре T 0 , A

Кремниевый биполярный диод (a.) — это термочувствительный элемент. При смещении постоянным током падение напряжения зависит от температуры. Когда диод выполнен как часть ИС, он создается путем замыкания базы и эмиттера p-n-p транзистора (b.). Переключение между двумя источниками тока (c.) Отменяет влияние зависящего от процесса тока насыщения на точность.

Однако определение температуры с помощью этого уравнения не очень практично, поскольку напряжение зависит не только от температуры, но также от силы тока и свойств устройства.Чтобы исключить влияние этих переменных, практические схемы переключают диод поочередно на два источника постоянного тока и определяют температуру на основе разницы между двумя прямыми напряжениями или их отношения:

Δ V BE = (KT / q) ln (I C1 / I C2 )

Где:

I C1 = прямой ток от первого источника тока, A
I C2 = прямой ток от второго источника тока, A

Часто выбирается I C2 в 10 раз больше, чем I C1 .В этом случае тепловой коэффициент чувствительного элемента составляет примерно 200 мкВ / o C.

Типы датчиков
Полупроводниковые датчики температуры бывают трех типов, в зависимости от создаваемого ими выходного сигнала: аналоговые, логические и цифровые. Они также измеряют температуру одним из двух способов: внутренним или дистанционным. Когда измерительный транзистор с подключенным диодом построен на подложке ИС датчика, датчик измеряет температуру своего собственного тела. Датчики, не имеющие встроенного измерительного диода, подключаются к удаленному транзистору с измерительным диодом.

Датчики с аналоговым выходом напряжения и тока:
Самый старый тип полупроводниковых датчиков температуры с аналоговым выходом, вырабатывающий выходное напряжение или ток, пропорциональные измеренной температуре. Они объединяют чувствительный диод со схемой смещения и усиления на одной микросхеме. Смещение необходимо, потому что выходной сигнал чувствительного диода пропорционален абсолютной температуре, o K. Поскольку шкалы o C и o F встречаются чаще, чем o K, сигнал необходимо смещать до новый ноль o C или ноль o F.Дополнительное смещение необходимо для измерения отрицательной температуры без использования отрицательного источника питания.

Поскольку напряжение на измерительном диоде изменяется только на 200 мкВ на ° C, необходим внутренний усилитель для усиления выходного сигнала с целью повышения помехоустойчивости системы. Это делает выход напряжения совместимым с большинством аналоговых систем измерения и мониторинга температуры. В промышленных приложениях с высоким уровнем электрических помех используются датчики IC с токовым выходом, в которых выходной ток пропорционален измеренной температуре.

Эти датчики вырабатывают напряжение или ток, прямо пропорциональные температуре, измеренной транзистором с измерительным диодом. Схема смещения и усиления позволяет измерять положительные и отрицательные температуры в шкалах oC или oF.

Датчики с логическим выходом: Многим приложениям для контроля температуры не нужно знать текущую температуру до тех пор, пока она не достигнет предустановленного уровня, когда необходимо предпринять какие-то действия. Датчики с логическим выходом, разработанные для этого типа приложений, работают в наших домах как термостат.Фактически, эти датчики обычно называют датчиками термостата. Они не выводят значение температуры, а вместо этого один или несколько логических выходов изменяют свое состояние, когда температура превышает («горячие» датчики) заданное значение или опускается ниже («холодные» датчики) его.

Датчик «горячего» логического выхода меняет свое выходное состояние, когда температура превышает заданное значение с помощью резистора RS: резистор RH управляет гистерезисом.

Некоторые устройства имеют программируемые пользователем температуру срабатывания и гистерезис, который необходим для предотвращения дребезга.Программирование обычно выполняется с помощью резисторов. В других устройствах и температура, и гистерезис фиксированы. Логические датчики температуры просты, недороги и чрезвычайно удобны в использовании. Типичные приложения включают включение вентиляторов и аварийную сигнализацию или установку прерывания, чтобы сигнализировать процессору о превышении температурного предела.

Датчики с цифровым или последовательным выходом: Цифровой датчик температуры на самом деле является аналоговым датчиком, который содержит АЦП и порт последовательного вывода.Варианты выхода датчика включают интерфейс I 2 C, SMBus или SPI, который подключается напрямую к совместимому интерфейсу микропроцессора / микроконтроллера или выходу с широтно-импульсной модуляцией (PWM). Кроме того, многие датчики имеют один или несколько компараторов, которые управляют либо логическими выходами, либо выходами с открытым коллектором, либо с открытым стоком. Эти выходы обычно подключаются как прерывание
для микроконтроллера, линия включения / выключения для вентилятора или аварийного сигнала или сигнал управления аппаратным отключением питания.

Цифровые датчики

, использующие однопроводной ШИМ-формат, изменяют отношение высокого времени к низкому времени (рабочий цикл) прямоугольной волны для представления значения температуры.Процессор считает продолжительность высокого и низкого времени и вычисляет температуру на основе соотношения. Точность тактовой частоты не критична, поскольку ШИМ зависит от отношения времени, а не от абсолютной длительности.

Интерфейсы I 2 C, SMBus и SPI обеспечивают двустороннюю связь между датчиком и микропроцессором или микроконтроллером. Датчик отправляет значение температуры процессору, и процессор использует тот же интерфейс для программирования регистров датчика, которые контролируют пределы температуры и другие функции.

Порты I 2, C и SMBus требуют двухпроводного подключения и часто используются в компьютерных приложениях. Интерфейс SPI можно настроить как трехпроводной или четырехпроводной порт, который чаще всего используется с микроконтроллерами и в автомобильных системах.

Измерение температуры может выполняться локально или удаленно. Большинство полупроводниковых датчиков температуры имеют встроенный диодный транзистор и, таким образом, измеряют температуру собственного тела. Датчики дистанционного зондирования не имеют на борту чувствительного элемента и вместо этого подключаются к удаленному диодному транзистору p-n-p или n-p-n.Транзистор, чувствительный к температуре, может быть расположен на расстоянии нескольких десятков футов от ИС удаленного датчика. Однако провода, ведущие к удаленно установленному чувствительному транзистору, требуют хорошего экранирования из-за очень низких уровней сигнала, чувствительных к шуму.

Пример тепловой защиты ПК
По мере того, как компьютеры (особенно ноутбуки и блокноты) обладают большей вычислительной мощностью, управление температурным режимом становится одной из наиболее важных проблем проектирования. ЦП, графические процессоры и другие высокоинтегрированные микросхемы содержат тысячи транзисторов, и их высокая тактовая частота увеличивает рассеиваемое тепло из-за потерь при переключении.Просто запустить вентилятор — не лучший вариант, поскольку вентиляторы издают слышимый шум, а их срок службы сокращается при постоянной работе.

Типичный цифровой датчик температуры объединяет аналоговый датчик с АЦП и интерфейсом последовательной шины. Микроконтроллер может программировать дополнительные логические выходы.

Сегодняшние компактные вычислительные устройства и портативные электронные устройства требуют сложного управления температурой, а полупроводниковые датчики температуры обеспечивают такой уровень сложности. Эти ИС объединяют датчик температуры с дополнительной функциональной схемой и часто устанавливаются на радиаторе, непосредственно под микропроцессором или графическим чипом.Некоторые ИС ЦП имеют термочувствительный транзистор, сделанный на собственном кристалле, который можно подключить к внешнему датчику температуры с удаленным диодом для мониторинга.

Эффективная компьютерная система терморегулирования может быть построена на основе логического выходного датчика температуры с выходами Low, High и Control. Если температура ЦП достигает первой заданной точки выше нормальной рабочей температуры из-за высокой температуры окружающей среды, воздействия тепла, отказа компонентов или блокировки вентиляционных отверстий, выход датчика низкого уровня изменяет состояние и отправляет сигнал ЦП для снижения тактовой частоты для снижения коммутационных потерь и рассеивания тепла.

Если температура продолжает повышаться и превышает вторую уставку чуть ниже максимально допустимой температуры ЦП, логические выходы High и Control изменяют состояние датчика. Выход Control включает вентилятор охлаждения, а выход High дает команду ЦП на дальнейшее снижение тактовой частоты. Если по прошествии определенного времени температура останется выше заданного значения High, компьютер будет выключен, чтобы предотвратить необратимое повреждение. Однако наиболее надежный режим выключения обходит ЦП, поскольку на этом этапе программное обеспечение может работать некорректно.Вместо этого выход датчика подключается непосредственно к входу отключения источника питания.

В альтернативном подходе используется датчик температуры последовательного выхода, при котором ЦП периодически опрашивает датчик и считывает фактическую температуру через последовательный порт. Если температура достигает чрезмерного уровня, процессор попытается уменьшить нагрев. Если температура превышает абсолютный максимальный предел, выход компаратора датчика напрямую отключает источник питания.

На что обратить внимание
Датчики температуры IC не свободны от самонагрева.Некоторые устройства имеют относительно высокий рабочий ток, который является основной причиной самонагрева, и это может стать проблемой, например, при измерении температуры неподвижного воздуха. Теплопередача между пластиковым корпусом датчика и неподвижным воздухом не очень эффективна, поэтому самонагревание может привести к тому, что температура корпуса датчика превысит температуру воздуха. Поскольку этот датчик фактически измеряет температуру собственного тела, показания будут выше и, таким образом, снизят точность.

Тепло, излучаемое или проводимое через печатную плату другими компонентами рядом с датчиком, также может влиять на точность измерения, поэтому при поиске наилучшего положения для датчика необходимо внимательно изучить всю систему.

Для получения дополнительной информации посетите:

Analog Devices, Inc.

http://www.analog.com

Maxim Integrated Products

http://www.maxim-ic.com

Microchip Technology , Inc.

http: // www.microchip.com

National Semiconductor Corp.
http://www.national.com

Texas Instruments, Inc.
http://www.ti.com

5.2.6 Полупроводниковые датчики температуры — DSPE

Полупроводниковый датчик температуры (или IC для интегральной схемы) представляет собой электронное устройство, изготовленное таким же образом, как и другие современные электронные полупроводниковые компоненты, такие как микропроцессоры. Обычно на тонких кремниевых пластинах формируются сотни или тысячи устройств.Перед тем, как пластина будет размечена и разрезана на отдельные чипы, их обычно обрезают лазером.
Полупроводниковые датчики температуры доступны от ряда производителей. Не существует общих типов, как у термопар и RTD, хотя ряд устройств изготавливается более чем одним производителем. AD590 и LM35 традиционно были самыми популярными устройствами, но за последние несколько лет стали доступны лучшие альтернативы.

Эти датчики имеют ряд общих характеристик — линейные выходы, относительно небольшой размер, ограниченный температурный диапазон (обычно от -40 до + 120 ° C), низкая стоимость, хорошая точность при калибровке, но также плохая взаимозаменяемость.Часто полупроводниковые датчики температуры не имеют хорошей термической конструкции, так как полупроводниковый кристалл не всегда находится в хорошем тепловом контакте с внешней поверхностью. Некоторые устройства склонны колебаться, если не будут приняты меры предосторожности. При условии понимания ограничений полупроводниковых датчиков температуры их можно эффективно использовать во многих приложениях.

Самые популярные полупроводниковые датчики температуры основаны на основных температурных и токовых характеристиках транзистора.Если два идентичных транзистора работают при разных, но постоянных плотностях тока коллектора, то разница в их напряжениях база-эмиттер пропорциональна абсолютной температуре транзисторов. Эта разница напряжений затем преобразуется в несимметричное напряжение или ток. Для преобразования сигнала абсолютной температуры в градусы Цельсия или Фаренгейта может применяться смещение.
В общем, полупроводниковый датчик температуры лучше всего подходит для встроенных приложений, то есть для использования в оборудовании.Это связано с тем, что они имеют тенденцию быть электрически и механически более чувствительными, чем большинство других типов датчиков температуры. Однако они действительно имеют законное применение во многих областях, отсюда и их включение.

Точность полупроводниковых датчиков

Как видно из приведенной выше информации, «из коробки» или точность взаимозаменяемости большинства полупроводниковых датчиков температуры не особенно хороша. Кроме того, необработанный чувствительный элемент обычно упаковывается в стандартный корпус для электронных устройств, что далеко не идеально для точного измерения температуры.Однако, несмотря на эти недостатки, датчики чувствительны, достаточно линейны и очень удобны в использовании.
Если откалибровать отдельные датчики, можно значительно повысить точность измерения. Как правило, двухточечная калибровка дает в пять раз большую точность, а трехточечная калибровка дает десятикратное улучшение во всем диапазоне температур. Если диапазон температур ограничен, возможна даже лучшая точность. Из-за чувствительности некоторых датчиков они могут очень хорошо измерять небольшие изменения температуры (в отличие от абсолютных измерений).

Диодные датчики температуры

Обычный полупроводниковый диод можно использовать в качестве датчика температуры. Диод является самым дешевым датчиком температуры и может дать более чем удовлетворительные результаты, если вы готовы провести двухточечную калибровку и обеспечить стабильный ток возбуждения. Практически любой кремниевый диод подойдет. Напряжение прямого смещения на диоде имеет температурный коэффициент около 2,3 мВ / ° C и является достаточно линейным. Схема измерения проста, как показано справа.

Ток смещения должен поддерживаться как можно более постоянным — с помощью источника постоянного тока или резистора от источника стабильного напряжения.

Без калибровки начальная ошибка, вероятно, будет слишком большой — порядка ± 30 ° C — самой большой из всех датчиков температуры контактного типа. Эта начальная ошибка значительно уменьшается, если используются детали класса датчика.
Одно из преимуществ диода в качестве датчика температуры заключается в том, что он может быть электрически устойчивым к скачкам напряжения, вызванным ударами молнии.Это особенно верно, если используются силовые диоды (например, общий 1N4004) и второй встречный диод используется для ограничения рассеиваемой мощности во время высоких пиковых токов.

Транзисторный датчик используется в диодном режиме путем соединения базы и коллектора вместе. Если этого не сделать, датчик подключается между базой и эмиттером, и ток возбуждения уменьшается примерно в 100 раз. В результате получается очень маломощный, чувствительный и линейный датчик. Простота и производительность датчика недооцениваются.

Чтобы улучшить характеристики диода в качестве датчика температуры, два напряжения диода (V1 и V2) могут быть измерены при разных токах (I1 и I2), обычно выбираемых с соотношением примерно 1:10. Абсолютную температуру можно рассчитать по уравнению:
T = (V1 — V2) / (8,7248 × 10-5 ln (I1 / I2))

Результат выражается в Кельвинах (K). Этот метод используется большинством датчиков температуры интегральных схем и объясняет, почему некоторые из них выдают сигнал, пропорциональный абсолютной температуре.

Точность полупроводниковых датчиков

Точность взаимозаменяемости большинства полупроводниковых датчиков температуры невысока. Кроме того, необработанный чувствительный элемент обычно упаковывается в стандартный корпус для электронных устройств, который не идеален для точного измерения температуры (+/- 4 ° C для большинства типов). Однако, несмотря на эти недостатки, датчики чувствительны, достаточно линейны и очень удобны в использовании.

Если откалибровать отдельные датчики, можно значительно повысить точность измерения.Как правило, двухточечная калибровка дает в пять раз большую точность, а трехточечная калибровка дает десятикратное улучшение во всем диапазоне температур. Если диапазон температур ограничен, возможна даже лучшая точность. Из-за чувствительности некоторых датчиков они могут очень хорошо измерять небольшие изменения температуры (в отличие от абсолютных измерений).

Планарный полупроводниковый датчик температуры для автомобильной промышленности

Образец цитирования: Wiemer, K., Матцен, В., Триббл, С., Макинтайр, Дж. И др. «Планарный полупроводниковый датчик температуры для автомобильной промышленности», Технический документ SAE 770395, 1977 г., https://doi.org/10.4271/770395.
Загрузить Citation

Автор (ы): К. К. Вимер, В. Т. Мацен, С. Дж. Триббл, Дж. Г. Макинтайр, Т. Биалек

Филиал: Texas Instruments Inc.

Страниц: 8

Событие: 1977 Международный конгресс и выставка автомобильной техники

ISSN: 0148-7191

e-ISSN: 2688-3627

Также в: Применение датчиков в автомобильной промышленности-SP-0418

Измерение температуры | FierceElectronics

ТАБЛИЦА 1
К С Вещество Государство
13.8033 -259,3467 Водород Трехточечный
83.8058 -189,3442 Аргон Трехточечный
243,3156 -38,8344 Меркурий Трехточечный
273,16 16 0,01 Вода Трехточечный
429.7485 156,5985 Индий Точка замерзания
692.677 419,527 цинк Точка замерзания
1234.93 961,78 Серебро Точка замерзания
Температура — полезная мера термодинамического состояния объекта или системы. Это макроскопическое описание совокупного количества микроскопической кинетической энергии в материале. Если два тела имеют одинаковую температуру, они находятся в термодинамическом равновесии друг с другом; если бы они были соединены друг с другом, не было бы чистого потока тепла от одного к другому.

Интересно, что температура не является мерой единицы термодинамической энергии тела; Для единичных масс различных материалов может потребоваться добавление или отвод разного количества энергии для изменения их температуры на заданное количество. Идентичная температура двух тел просто означает, что между ними не будет передачи тепла, независимо от фактической энергии, хранящейся в виде тепла в каждом теле.

Международная температурная шкала 1990 года (ITS-90) — это действующий стандарт для измерения температуры, определяющий температурную шкалу Кельвина.Стандарт основан на точках фазового перехода различных чистых веществ с градусом Кельвина, определяемым как 1 / 273,16 абсолютное значение

Рис. 1. В газовом термометре постоянного объема температура измеряется через давление фиксированного объема газа.
температура тройной точки воды. Примеры нескольких других ключевых точек, определенных в этой шкале, перечислены в таблице 1.

Причина определения температурной шкалы на основе точек замерзания и тройных точек заключается в том, что эти события можно легко воспроизвести с высокой степенью повторяемости. Это означает, что где-то в хранилище не обязательно должен быть стандартный килограмм температуры.

Для измерения температуры между контрольными точками вы должны прибегнуть к менее фундаментальным устройствам, калибруя их по известным точкам и интерполируя между этими точками калибровки.

Механическое измерение температуры

При изменении температуры материала он расширяется или сжимается.Хотя тепловое расширение может доставлять неудобства конструкторам-механикам (например, когда эта скользящая посадка расширяется до прессовой посадки), это физическое свойство, которое лежит в основе работы многих термометров.

Газовый термометр постоянного объема (CVGT) зависит от соотношения давления, объема и температуры идеального газа:

PV = кТ (1)

Уравнение 1 подразумевает, что вы можете измерить расширение газа при постоянном давлении для измерения температуры. Однако при использовании неидеальных газов, доступных в реальном мире, поддержание постоянного объема и измерение давления дает лучшие результаты.На рисунке 1 показана простая установка CVGT. Основное преимущество этого типа термометра состоит в том, что он отличается высокой линейностью и повторяемостью.

Рисунок 2. Эта схема измеряет сопротивление термистора или RTD и выдает выходное напряжение, пропорциональное сопротивлению. При построении с обычными операционными усилителями схема работает лучше всего, когда сопротивление термистора превышает несколько сотен Ом.

Жидкости также расширяются при нагревании, и поскольку они (в отличие от большинства газов) видимы, их можно использовать в простых и легко читаемых термометрах.Цветной спирт и ртуть — популярные рабочие жидкости. Поскольку коэффициент объемного расширения для большинства жидкостей невелик, для теплового расширения требуется большой резервуар с рабочей жидкостью, чтобы переместить небольшое количество жидкости вверх по значительной длине капиллярной трубки.

Биметаллические термостаты также основаны на тепловом расширении металлов. Соединяя два металла с разными коэффициентами теплового расширения, вы получаете полоску, которая изгибается при изменении температуры.Этот принцип широко используется в термостатах, где изгиб за пределами определенной точки вызывает размыкание или замыкание пары переключающих контактов.

РДТ и термисторы

Хотя методы, основанные на тепловом расширении, обеспечивают полезные измерения, им не хватает возможности напрямую преобразовывать температуру в непрерывный электрический сигнал. Это ограничивает их применение в функциях автоматического мониторинга и управления. К счастью, существует множество методов измерения, которые действительно представляют температуру как электрическую величину.

Электрическое сопротивление также можно использовать для определения температуры. Сопротивление многих металлов (например, железа, меди и алюминия) увеличивается примерно на 0,3% / ° C в широком диапазоне температур. Чтобы получить значительное сопротивление (например, 100), металл (в виде тонкой проволоки) либо наматывают на сердечник, либо формируют в виде тонкой пленки на подложке. Полученное устройство известно как резистивный датчик температуры (RTD).

Рисунок 3. В то время как классическая термопара (A) должна иметь эталонный или холодный спай, поддерживаемый при постоянной температуре в ледяной ванне, современные измерительные системы (B) используют дополнительный датчик температуры для имитации эффектов холодного спая.

Хотя RTD могут быть изготовлены практически из любого металла, предпочтительным металлом является платина. Платина очень устойчива к коррозии и стабильна в широком диапазоне температур, и ее можно очищать до уровней высокой чистоты, что позволяет получать стабильные датчики.ITS-90 определяет платиновый RTD как средство измерения температур между физическими контрольными точками в диапазоне от тройной точки водорода (13,8033 K) до точки замерзания серебра (961,78 K).

Для тех из нас, у кого больше требований к измерениям на пешеходных дорожках и у которых ограниченный бюджет, термисторы предлагают другой тип преобразователя сопротивления температуры. Эти устройства сделаны из различных неметаллических проводников (например, оксидов металлов и кремния) и обладают преимуществом в виде гораздо более высоких тепловых коэффициентов сопротивления.

Термисторы

бывают двух основных типов: отрицательный температурный коэффициент (NTC) и положительный температурный коэффициент (PTC). Сопротивление термистора NTC падает с повышением температуры, а сопротивление устройства PTC повышается.

Одним из преимуществ термистора перед металлическим RTD является то, что чувствительность (R / T) термистора может быть на порядок выше, чем у RTD. Термисторы NTC с чувствительностью –4% / ° C не редкость. Такая высокая чувствительность позволяет легко измерять изменения температуры порядка сотых долей градуса.

Рис. 4. Когда кремниевый диод смещен постоянным током (A), падение напряжения на нем изменяется в зависимости от температуры со скоростью примерно –2 мВ / ° C (B).

Поскольку термистор NTC имеет очень нелинейный отклик, он часто характеризуется показателем, называемым, который используется для описания экспоненциального соответствия сопротивления в заданном диапазоне температур. Для термистора рассчитано:

где:

T1 и T0 = две исходные температуры

дюйм K

R T1 и R T0 = сопротивления на T1 и T0

Полученное значение b затем можно использовать для оценки RT для данного T:

И наоборот, если вы знаете сопротивление, расчетную температуру можно получить по:

Рисунок 5. Источник тока, пропорциональный абсолютной температуре, представляет собой цепь, в которой есть токи смещения, которые изменяются как линейная функция от абсолютной температуры. Схема является основой большинства прецизионных полупроводниковых датчиков температуры.

Чтобы облегчить жизнь своих клиентов, производители термисторов часто предоставляют подробные таблицы зависимости сопротивления от температуры для своих устройств, уменьшая необходимость в сложных расчетах, особенно когда не требуется высокая степень точности.

Хотя сопротивление резистивного датчика температуры или термистора можно измерить с помощью омметра, часто удобнее преобразовать сопротивление в пропорциональное напряжение. Схема, показанная на рисунке 2, будет смещать термистор или RTD постоянным током и обеспечивать выходное напряжение, пропорциональное температуре. Поскольку для считывания термистора или RTD необходимо включить питание, чрезмерный ток смещения может привести к эффектам самонагрева. Хотя уменьшение тока смещения минимизирует ошибки самонагрева, это также минимизирует доступный сигнал выходного напряжения.

Термопары

Еще одним популярным датчиком температуры является термопара, состоящая из двух разнородных металлов, соединенных друг с другом, как правило, сваркой. Биметаллический переход вырабатывает небольшое напряжение, которое изменяется в зависимости от температуры.

Основными преимуществами термопар являются их низкая стоимость (вы можете получить пару проводов термопар в рулонах, чтобы сделать их сами, часто по цене <0,50 долл. США / фут), обеспечивающие умеренно точные и последовательные измерения и работающие в широком диапазоне температур ( от <0 ° C до> 1000 ° C).

Их главный недостаток — малое выходное напряжение. Например, термопара типа J (железо / константан) производит всего около 50 мкВ / ° C. Проблема с напряжением такой величины не в том, что оно слишком мало для точной обработки; реальная проблема заключается в том, что оно сопоставимо с напряжениями, возникающими на паразитных переходах термопар, образующихся в месте подключения провода термопары к измерительному прибору. Чтобы точно измерить температуру в интересующем нас соединении, необходимо компенсировать влияние этих паразитных холодных спаев.

Классическое решение — сделать дополнительный эталонный спай и поместить его в ледяную баню с температурой 0 ° C. Однако более обычным подходом является измерение температуры паразитных переходов и использование показаний в качестве поправочного коэффициента при первичном измерении (см. Рисунок 3).

Соединения P-N

Рис. 6. Коммерческий датчик температуры, пропорциональный абсолютной температуре, такой как AD590 компании Analog Devices, можно использовать в качестве системы точного измерения температуры с добавлением одного прецизионного резистора.

Полупроводниковые приборы также можно использовать для измерения температуры. При постоянном токе смещения падение напряжения на кремниевом P-N диодном переходе имеет температурный коэффициент примерно –2 мВ / ° C. Поскольку P-N переход является основным строительным блоком диодов, транзисторов и ИС, датчик температуры может быть включен во многие устройства по низкой цене. Этот метод используется во встроенных датчиках температуры микропроцессоров (например, Intel Pentium) и для схем теплового отключения микросхем питания.На рисунке 4 показано, как диод 1N914 можно использовать в качестве недорогого (<0,05 доллара США) датчика температуры.

Несмотря на то, что термометры с P-N переходом являются недорогими, а иногда и бесплатными, они имеют ряд недостатков. Например, выходное напряжение при комнатной температуре составляет около 600 мВ, и даже тогда напряжение изменяется как от устройства к устройству, так и в зависимости от тока смещения. И у этих устройств чувствительность тоже различается.

Если вы готовы заниматься калибровкой отдельных устройств, термометры с переходом P-N могут обеспечить достаточную степень точности.Но они чаще используются для грубых, недорогих (неизбежных) измерений.

Температурно-зависимые источники

Хотя большинство аналоговых схем предназначены для работы с минимальной зависимостью от температуры окружающей среды, схема, показанная на рисунке 5, обеспечивает токовый выход, почти линейный по отношению к абсолютной температуре. По этой причине цепь называется источником тока, пропорционального абсолютной температуре (PTAT).

PNP-транзисторы (Q1, Q2) образуют токовое зеркало, которое поддерживает I 1 = I 2 .Поскольку I 2 разделен на четыре части между Q4a-Q4d, ток смещения в каждом из транзисторов равен 1 / 4 , как и в Q3. Однако Q3 и Q4a-Q4d являются идентичными устройствами и имеют схожие характеристики. Кроме того, поскольку все они находятся на одном кремниевом кристалле, все они имеют одинаковую температуру. В этих условиях разница в напряжении база-эмиттер между Q3 и любым из Q4 определяется по формуле:

Рисунок 7. Горячие объекты излучают инфракрасное и видимое излучение в зависимости от температуры их поверхности. По мере того, как объект нагревается, он не только больше излучает, но и становится короче пиковые длины волн, которые он излучает.

где:

k = постоянная Больцмана (1,38 3 10 –23

Дж / К)

q = заряд электрона (1,6 3 10 –19 Кл)

T = абсолютная температура в К

Поскольку ток, подаваемый в Q4, равномерно распределяется между ними, отношение I Q4a к I Q3 составляет 1 / 4 .Поскольку базовые напряжения Q3 и Q4 одинаковы, результирующее значение V равно появляется в R 1 , что приводит к тому, что I 2 становится:

Обратите внимание, что кроме значений R1 и T, все остальное является либо фундаментальной константой (k, q), либо целочисленным отношением ( 1 / 4 ). Результирующий ток I 2 (а также I 1 ) будет пропорционален температуре.

Теоретически стабильность термометра зависит исключительно от стабильности R 1 и от того, насколько хорошо вы можете согласовать транзисторы.На практике есть и другие факторы, которые могут повлиять на его работу, но схема (с соответствующими модификациями) остается одним из основных строительных блоков для твердотельных датчиков температуры. Коммерческим примером датчика температуры, использующего принцип PTAT, является AD590 компании Analog Devices. На рис. 6 показано, как можно считывать температуру с помощью этого устройства.

Зондирование излучения

Рис. 8. Датчик излучения термобатареи вырабатывает выходное напряжение в ответ на поступающее излучение.Устройство представляет собой последовательное соединение множества спаев термопар, расположенных так, что входящее излучение нагревает группу детектирующих спаев, но не нагревает группу опорных спаев.

Иногда нужно измерить температуру объекта, не касаясь его физически. Эта ситуация особенно распространена, когда рассматриваемый объект очень горячий (например, расплавленный металл в сталеплавильном производстве). Бесконтактное измерение температуры также полезно, когда необходимо быстро измерить температуру ряда объектов, например предметов, движущихся по сборочной линии.Зондирование радиации — это один из способов дистанционного измерения температуры.

Вы можете определить температуру объекта по количеству и длине волны электромагнитного излучения, испускаемого объектом. Хотя это очевидно для очень горячих объектов, которые раскалены (при температуре> 1000 ° C), это также верно для любого объекта с температурой выше абсолютного нуля. Конечно, очень холодный объект излучает гораздо меньше энергии, чем горячий; общее излучение на единицу площади пропорционально четвертой степени температуры:

R T 4 (7)

Излучение, исходящее от теплого объекта, теоретически распределяется в широком (бесконечном) диапазоне частот, от радиоволн до гамма-лучей и за его пределами.Разработка эффективных детекторов излучения для охвата такого широкого диапазона длин волн (от пикометров до километров) была бы сложной, если не невозможной задачей.

К счастью, излучение не распределено равномерно по всем длинам волн, но имеет четко определенные пики излучения, как показано на рисунке 7. Для температур, представляющих общий интерес (например, от 0 ° C до нескольких тысяч ° C), эти пики в основном падают. в диапазоне от ИК до видимого света — это означает, что для создания детекторов можно использовать оптические методы.

Обычно используются два типа ИК-детекторов: тепловые детекторы и квантовые детекторы. Схематический вид одного типа теплового детектора, термобатареи, показан на рисунке 8. В этом устройстве ряд переходов термопары слегка нагревается поступающим излучением, генерируя небольшое напряжение. При последовательном соединении большого количества переходов результирующее напряжение умножается на количество переходов, что позволяет обнаруживать небольшие изменения температуры. Для максимального впитывания активную область часто покрывают черной краской или аналогичным материалом.

Поскольку любое излучение, поглощаемое устройством, преобразуется в тепло, этот тип детектора не делает различий между излучением с разными длинами волн. По этой причине часто используется оптический фильтр, чтобы исключить излучение на нежелательных длинах волн.

В отличие от тепловых детекторов, квантовые детекторы (см. Рисунок 9) не полагаются на преобразование входящего излучения в тепло, а преобразуют входящие фотоны непосредственно в электрический сигнал. Когда фотоны в определенном диапазоне длин волн поглощаются детектором, они создают свободные электронно-дырочные пары, которые можно обнаружить как электрический ток.Поскольку энергии инфракрасных фотонов значительно ниже, чем энергии фотонов видимого света, для реализации этого типа детектора необходимо использовать экзотические полупроводники с малой шириной запрещенной зоны (например, антимонид индия или теллурид кадмия).

Рис. 9. Квантовый ИК-детектор сконструирован из куска полупроводника с малой шириной запрещенной зоны. Когда входящий ИК-фотон поглощается материалом, он создает пару электрон-дырка, которая затем может временно проводить электрический ток.

Квантовые детекторы имеют ряд преимуществ перед тепловыми детекторами. Они могут обеспечить высокую чувствительность к длинноволновому излучению (10 мкм), что делает их полезными для измерений при низких температурах (<0 ° C). К тому же они быстрые. Поскольку они непосредственно обнаруживают фотоны, в отличие от их совокупных тепловых эффектов, они могут обеспечить время отклика порядка микросекунд. С другой стороны, поскольку энергии входящих фотонов близки к тепловым энергиям при комнатной температуре, квантовые датчики необходимо охлаждать до криогенных температур, чтобы обеспечить максимальную чувствительность.

На рисунке 10 показано, как детектор излучения можно использовать для измерения температуры. Вокруг детектора предусмотрен кожух, ограничивающий его поле зрения целевой областью подходящего размера. В зависимости от приложения может быть предусмотрена дополнительная оптика для увеличения количества собираемого излучения или лучшего определения целевой области. Необработанный сигнал от преобразователя затем усиливается и линеаризуется либо с помощью аналоговой схемы, либо с помощью справочной таблицы для получения выходного значения температуры.

Поскольку первичным измерением является интенсивность излучения, есть несколько условий, которые могут вызвать ошибку измерения.Первый — когда цель не заполняет поле зрения детектора. Цель, заполняющая только половину поля детектора, кажется холоднее, чем цель при той же температуре, которая заполняет поле зрения.

Другой источник ошибок — поглощение излучения между целью и детектором. Ошибки, вызванные поглощением, имеют множество причин. Смотровые окна могут ослаблять проходящее излучение и загрязняться. Некоторые «невидимые» газы, такие как водяной пар и углекислый газ, сильно поглощают ИК-излучение определенных длин волн.

Рис. 10. В дополнение к ИК-датчику оптическому термометру требуется схема для линеаризации выходного сигнала и корректировки сигнала с учетом изменений в излучательной способности объекта.

Наконец, разные цели испускают излучение с разной интенсивностью в зависимости от состава и характеристик поверхности. Мера того, насколько хорошо данная поверхность излучает, называется излучательной способностью. Максимальный уровень излучения достигается гипотетической поверхностью, называемой излучателем черного тела, которая имеет коэффициент излучения 1.Все другие цели имеют коэффициент излучения в диапазоне от 0 до 1. Практические радиационные термометры имеют регулируемое усиление для учета как изменений коэффициента излучения цели, так и ошибок поглощения.

Одним из способов уменьшения эффекта поглощения и изменения коэффициента излучения является измерение цвета излучения, исходящего от цели. Раскаленный добела объект не просто излучает больше излучения, чем раскаленный докрасна; более горячий объект излучает большую часть своего излучения на более коротких волнах.

Измеряя соотношение интенсивности излучения на двух разных длинах волн, вы можете получить показания температуры, которые в значительной степени не зависят от изменений пропускания излучения или коэффициента излучения цели.Это основа для двухцветного радиационного термометра, в котором интересующие цвета могут находиться глубоко в инфракрасном диапазоне. Хотя двухцветный радиационный термометр не является надежным, он обеспечивает измерения, которые менее чувствительны к изменению цели и искажению сигнала, чем результаты, полученные при измерении общей яркости.

Лучший метод для работы

Поскольку температура важна в таком широком диапазоне приложений, было разработано множество различных методов измерения для удовлетворения самых разных технических и экономических требований.Зная, как работает каждый метод, вам будет легче выбрать тот, который лучше всего подходит для вашего приложения.

Бесплатная рассылка

Понравилась статья? Подпишитесь на FierceSensors!

Индустрия датчиков постоянно меняется, поскольку инновации определяют тенденции рынка. Подписчики FierceSensors полагаются на наш пакет информационных бюллетеней как на обязательный к прочтению источник последних новостей, разработок и аналитических материалов, влияющих на их мир. Зарегистрируйтесь сегодня, чтобы получать новости о датчиках и обновления прямо на ваш почтовый ящик.

Датчик температуры

: различные типы с примерами

Типы датчиков температуры

Наиболее часто измеряемым физическим параметром является температура, будь то в производственных процессах или в лабораторных условиях. Точные измерения — важнейшая составляющая успеха. Точные измерения необходимы для многих приложений, таких как медицинские приложения, исследования материалов в лабораториях, исследования электронных или электрических компонентов, биологические исследования и геологические исследования.Чаще всего датчики температуры используются для измерения температуры в цепях, управляющих различным оборудованием.

Сегодня на рынке используются различные типы датчиков температуры, включая резистивные датчики температуры (RTD), термопары, термисторы, инфракрасный датчик и полупроводниковые датчики. У каждого из них есть определенные рабочие параметры. Эти датчики бывают разных видов, но у них есть одна общая черта: все они измеряют температуру, определяя изменение физических характеристик.

Что такое датчик температуры?

Датчик температуры

Датчик температуры — это устройство, обычно RTD (резистивный датчик температуры) или термопара, которое собирает данные о температуре из определенного источника и преобразует данные в понятную для устройства или наблюдателя форму. Датчики температуры используются во многих приложениях, таких как системы контроля окружающей среды высокого напряжения и переменного тока, пищевая промышленность, медицинские устройства, химическая обработка, автомобильные системы контроля и управления и т.

Самый распространенный тип датчика температуры — термометр, который используется для измерения температуры твердых тел, жидкостей и газов. Это также распространенный тип датчика температуры, который в основном используется в ненаучных целях, потому что он не очень точен.

Типы датчиков температуры

Существуют различные типы датчиков температуры, которые обладают чувствительной способностью в зависимости от области их применения. К различным типам датчиков температуры относятся:

  • Термопары
  • Датчики температуры резистивные
  • Термисторы
  • Инфракрасные датчики
  • Полупроводники
  • Термометры

Термопары

Термопары

Датчик термопары является наиболее часто используемым датчиком температуры. сокращенно TC.Этот датчик чрезвычайно прочный, недорогой, с автономным питанием и может использоваться на больших расстояниях. Существует множество типов датчиков температуры, которые имеют широкий спектр применения.

Термопара — это устройство измерения напряжения, которое показывает температуру путем измерения изменения напряжения. Он состоит из двух разных металлов: открытого и закрытого. Эти металлы работают по принципу термоэлектрического эффекта. Когда два разнородных металла создают напряжение, между ними существует тепловая разница.Когда температура повышается, выходное напряжение термопары также увеличивается.

Этот датчик термопары обычно герметизирован внутри керамического экрана или металла, который защищает его от различных сред. Некоторые распространенные типы термопар включают K, J, T, R, E, S, N и B. Наиболее распространенный тип термопар — это термопары типа J, T и K, которые доступны в готовых формах.

Самым важным свойством термопары является нелинейность — выходное напряжение термопары нелинейно по температуре.Таким образом, для преобразования выходного напряжения в температуру требуется математическая линеаризация.

Резисторный датчик температуры (RTD)

Резисторный датчик температуры (RTD)

Датчик RTD — один из самых точных датчиков. В резистивном датчике температуры сопротивление пропорционально температуре. Этот датчик изготовлен из металлов платины, никеля и меди. Он имеет широкий диапазон возможностей измерения температуры, так как его можно использовать для измерения температуры в диапазоне от -270oC до + 850oC.Для правильной работы RTD требуется внешний источник тока. Однако ток выделяет тепло в резистивном элементе, вызывая ошибку в измерениях температуры. Ошибка рассчитывается по следующей формуле:

Дельта T = P * S

Где «T» — температура, «P» — произведенная мощность в квадрате I, а «S» — градус Цельсия / милливатт

Там представляют собой различные типы методов измерения температуры с помощью этого RTD. Они бывают двухпроводным, трехпроводным и четырехпроводным.В двухпроводном методе ток пропускается через RTD для измерения результирующего напряжения. Этот метод очень просто подключить и реализовать; и главный недостаток — сопротивление проводов — это часть измерения, которая приводит к ошибочным измерениям.

Трехпроводной метод аналогичен двухпроводному, но третий провод компенсирует сопротивление выводов. В методе с четырьмя проводами ток принудительно подается на один набор проводов, а напряжение измеряется на другом наборе проводов.Этот четырехпроводной метод полностью компенсирует сопротивление проводов.

Термисторы

Термисторы

Другой тип датчика — это термисторный датчик температуры, который относительно недорог, адаптируем и прост в использовании. Он меняет свое сопротивление при изменении температуры, как датчик RTD. Термисторы изготавливаются из марганца и оксидов никеля, что делает их уязвимыми для повреждений. Итак, эти материалы называются керамическими материалами. Этот термистор обеспечивает более высокую чувствительность, чем резистивные датчики температуры.Большинство термисторов имеют отрицательный температурный коэффициент. Это означает, что при повышении температуры сопротивление уменьшается.

Термометры

Термометры

Термометр — это устройство, используемое для измерения температуры твердых тел, жидкостей или газов. Название термометр — это сочетание двух слов: термо — означает тепло, а измеритель — измерять. В стеклянной трубке термометра находится жидкость — ртуть или спирт. Объем термометра линейно пропорционален температуре — при повышении температуры увеличивается и объем термометра.

При нагревании жидкость расширяется внутри узкой трубки термометра. Этот термометр имеет откалиброванную шкалу для индикации температуры. Рядом со стеклянной трубкой термометра нанесены цифры, указывающие температуру, когда линия ртути находится в этой точке. Температура может быть записана в следующих шкалах: Фаренгейта, Кельвина или Цельсия. Поэтому всегда желательно отметить, по какой шкале откалиброван термометр.

Полупроводниковые датчики

Полупроводниковые датчики

Полупроводниковые датчики — это устройства, которые имеют форму ИС.Обычно эти датчики известны как датчик температуры IC. Они подразделяются на различные типы: датчик температуры на выходе по току, датчик температуры на выходе по напряжению, кремниевый датчик температуры на выходе сопротивления, датчики температуры на диоде и датчик температуры на цифровом выходе. Современные полупроводниковые датчики температуры обеспечивают высокую линейность и высокую точность в рабочем диапазоне от 55 ° C до + 150 ° C. Однако датчики температуры AD590 и LM35 — самые популярные датчики температуры.

ИК-датчик

ИК-датчик

ИК-датчик — это электронный прибор, который используется для определения определенных характеристик окружающей среды путем испускания или обнаружения ИК-излучения. Эти датчики являются бесконтактными датчиками.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*