А. Маргелов

Датчики температуры, первичные преобразователи

В статье рассмотрены различные типы кремниевых и платиновых терморезисторов производства компаний Honeywell и Philips Semiconductors, предназначенных для точного измерения температуры газообразных, жидких и твердых сред.

Кремниевые датчики температуры Philips Semiconductors

Терморезисторы Philips Semiconductors очень хорошо и давно известны на российском рынке датчиков. Они зарекомендовали себя как надежные и недорогие приборы, имеющие относительно невысокую погрешность преобразования, вполне приемлемую для большинства приложений.

Производственная линейка включает несколько семейств, члены которых различаются по конструктивным признакам и электрическим характеристикам.

Кремниевые терморезисторы Philips Semiconductors производятся по уникальной технологии "разветвляющихся сопротивлений", благодаря которой приборы обладают, по сравнению с сенсорами на базе NTC- или PTC-технологий, следующими преимуществами.

Долговременная стабильность параметров. В табл. 1 приведен дрейф сопротивления в пересчете на ºС для различных серий температурных датчиков Philips Semiconductors. Эти данные справедливы для 10000 часов (>1 года) непрерывной работы при максимально допустимых рабочем токе и окружающей температуре. Справедливость данных, приведенных в табл. 1, гарантирована инженерами Philips и при 450000 часах (>50 лет) непрерывного функционирования при условии соблюдения нормального режима работы.

Таблица 1. Временной дрейф сопротивления

Виртуально-линейная характеристика. Термодатчики Philips Semiconductors имеют близкую к линейной характеристику преобразования "температура -> сопротивление" (рис. 1). Это подразумевает, что температурный коэффициент сопротивления близок к константе во всем диапазоне измерения. Датчики с такой характеристикой идеально подходят для температурной компенсации самых разнообразных полупроводниковых приборов, датчиков, АЦП и других узлов аналоговой измерительной аппаратуры.

Рисунок 1. Характеристика преобразования на примере серии KTY81/1xx

Конструкция датчиков

Базовый элемент датчика - терморезистор представляет собой кристалл кремния с n-проводимостью и размерами 0,50x0,50x0,24 мм (рис. 2а). Технология разветвляющихся сопротивлений (пояснение на рис. 2б) в дополнение к долговременной стабильности параметров и высокой линейности характеристики преобразования позволяет также значительно снизить технологический разброс параметров от образца к образцу в процессе массового производства кристаллов. Термодатчики Philips Semiconductors упаковываются в стандартные типы корпусов: SOT-23, SOT-70 и DO-34. В табл. 2 представлены основные технические характеристики датчиков температуры Philips Semiconductors.

Рисунок 2. Конструкция базового элемента кремниевого терморезистора (а); эквивалентная электрическая схема базового элемента датчика (б)

Несмотря на то, что характеристика преобразования близка к линейной, она вс╦ же не позволяет применять эти датчики для прецизионного измерения температуры. Для этих целей е╦ необходимо подвергнуть дополнительной линеаризации. Существует множество схемотехнических решений, а также различные методы программной корректировки. Некоторые из самых простых и эффективных решений представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Линеаризация с помощью фиксированного резистора RL, включенного параллельно, питание от источника тока (а); линеаризация с помощью фиксированного резистора RL, включенного последовательно, питание от источника напряжения (б)

Принимая нулевую температурную погрешность в трех эквидистантных точках Ta, Tb и Tc характеристики преобразования, оптимальное значение R1 вычисляют по формуле:

R1 = Rb╥(Ra + Rc) √ 2╥Ra╥Rc/(Ra + Rc √ 2╥Rb).

Термодатчики компании Honeywell

Все температурные датчики Honeywell подразделяются по типу преобразовательного элемента на две группы. Это кремниевые терморезисторы и терморезисторы на основе оксида платины.

Номенклатура кремниевых датчиков представлена двумя приборами. Первый, TD4A (рис. 4а) выполнен в герметичном алюминиевом корпусе в виде шпильки с резьбой по всей длине. Этот датчик допускает работу в жидких средах, в том числе агрессивных. Второй тип, TD5A (рис. 4б) выполнен в трехвыводном (средний вывод не используется) миниатюрном корпусе. Датчик предназначен для установки на печатную плату. В табл. 3 приведены основные характеристики этих сенсоров. На рис. 5 представлена характеристика преобразования.

Рисунок 4. Термодатчики TD4A и TD5A

Рисунок 5. Характеристика преобразования TD4A и TD5A

Высокое сопротивление, положительный температурный коэффициент и близкая к линейной характеристика значительно упрощают схему включения датчиков. На рис. 6 представлена простая схема, которая позволяет снизить нелинейность сенсора до ╠0,2% и, соответственно, уменьшить общую погрешность измерения до ╠0,4% в диапазоне -40┘+150ºС. На практике очень часто требуется отслеживать какое-то конкретное значение температуры. Для этих целей применяются различные пороговые схемы. Один из вариантов практической реализации с регулировкой порога срабатывания приведен на рис. 7.

Рисунок 6. Схема включения термодатчика для дополнительной линеаризации характеристики

Рисунок 7. Пороговая схема включения для контроля фиксированной температуры

Для расчета сопротивления при заданной температуре пользуются следующим выражением:

Rt = Ro + (3,84╥10-3╥Ro╥T) + (4,94╥10-6╥Ro╥T2),

где Rt - сопротивление при температуре T, Ro - сопротивление при 0ºС, температура в ºС.

Терморезисторы на основе двуокиси платины серий HEL и HRTS отличаются от ранее рассмотренной группы кремниевых преобразователей более высокой точностью, линейностью. Они полностью взаимозаменяемы при выходе из строя без последующей калибровки. Эти сенсоры имеют очень широкий диапазон конструктивных исполнений и выпускаются с двумя номиналами сопротивления - 100 и 1000 Ом, нормированных при температуре 0ºС. Внешний вид и размеры этих датчиков приведены на рис. 8. Основные параметры платиновых термодатчиков Honeywell и характеристика преобразования представлены в табл. 4 и на рис. 9, соответственно.

Рисунок 8. Датчики серии HEL-775 для монтажа на печатную плату (а); датчики серии HEL-776 и HEL-777 для монтажа на печатную плату (б); сверхминиатюрные датчики серии HEL-700 для SMT-монтажа (в); датчики серии HEL-700 в герметичном корпусе для погружения в исследуемые среды (г); датчик серии HRTS (д)

Рисунок 9. Характеристика преобразования платиновых терморезисторов серий HEL и HRTS

Более подробную техническую информацию по рассмотренным в статье датчикам температуры можно найти на сайтах компаний Honeywell и Philips Semiconductors по адресам www.honeywell.com/sensing и www.semiconductors.philips.com, соответственно, а также у официального дистрибьютора Philips Semiconductors - ЗАО "Компэл", www.compel.ru.