Лекция 3. Состав СПА. Термо и - тензодатчики

3.1. Термоэлектронные преобразователи (Термопары)

Термоэлектронные преобразователи (термопары) - самые распространенные средства измерительного преобразования температуры в промышленности: имеют: широкий температурный диапазон (-270 … +2500°С), удовлетворительную точностью, низкую цену, высокую взаимозаменяемость и надежность.

ЧЭ состоят из 2-х различных металлических проводов, соединенных (сваркой, пайкой) на одном конце (рабочий конец, горячий спай), предназначенном для измерения температуры.

Рис.3.1. СИ (вход) с термопарным датчиком: а)принцип действия. б) реальная схема.

(Рис. 3.1). Вторые концы термопары (свободные концы, холодный спай) соединены с усилителем напряжения на входе СИ. Между 2-мя несоединенными выводами термопары возникает эдс V_Х (Рис.3.1,а), почти линейно зависящее от температуры рабочего спая в достаточно широком диапазоне температур:

_Х = Е(Т). (3.1)

Для случая, когда температура свободных концов равна 0 °С (T_Сj = 0), зависимость (3.1), и обратная зависимость Т = E^-1(V_Х) для наиболее распространенных типов термопар представлены в ГОСТ Р 8.585 -2001 и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или коэф-тов полинома.

Если температура свободных концов не равна нулю ((T_Сj ≠ 0), место соединения с медными проводниками к СИ также являются источниками термо-эдс V_Cj, зависящими от температуры: V_Cj = E(T_Cj).

По известному правилу промежуточные провода (на Рис.3.1. – из меди) не влияют на результат измерений, если температуры их контактов с термопарой и измерителем напряжения одинаковы. Поэтому измерив температуру контактов подключения термопары к СИ и определив соответствующую ей эдс можно определить температуру рабочего спая из уравнения:

V_x = Е(Т) - E(T_Cj). (3.2)

Температура является обратной функцией эдс: V = Е(Т), т.е.

Т = E^-1(V), (3.3)

иопределяется по таблицам или полиномам ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется компенсацией температуры холодного спая.

В средствах ввода сигналов термопар (указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически при указании пользователем типа термопары подключаемой к данному вводу (см. Приложение 3.1.). Температура контактов СИ измеряется специальным встроенным (обычно термисторным) датчиком температуры (Рис. 3.1б). Для обеспечения хорошего теплового контакта и изотермичности соединения термопары с СИ и этим датчиком, соединение выполняют над медной или алюминиевой пластиной с диэлектрической изолирующей прокладкой.

Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода из тех же материалов, что и сама термопара или из специальных сплавов, обладающих нужными характеристиками в сравнительно узком температурном диапазоне производственных помещений. Если для этой цели использовать обычные медные провода, то необходим выносной датчик температуры места контакта термопары с этими медными проводами.

Погрешность стандартной аппроксимации составляет ±0,02 … ±0,05°С. Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования, термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Термопарные провода рабочего конца можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. При пайке проводов рабочего конца верхний температурный диапазон ограничен температурой плавления припоя. Сварка проводов термопары, создает небольшое по размерам соединение - спай. Он выдерживает более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинальной вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металлы, а также изменения структуры материалов термопары. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары 3-х различных конструкций спаев:

1) открытый,

2) изолированный незаземленный,

3) заземленный.

Термопары с открытым спаем - имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость.

Термопары других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности поверхности полупроводниковых приборов. Такая термопара с диаметром рабочего спая 1 мкм имеет постоянную времени 1мкС.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. При попадании жидкости внутрь термопары возникает гальванический эффект и погрешность измерения также возрастает.

Погрешность измерений. Основная проблема - малое выходное напряжение термопары (около 50 мкВ / ºС). Оно гораздо меньше помех, наведенных на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к вводу СИ.

Средство ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы уменьшить длину проводов, по которым передается аналоговый сигнал и на которые наводятся различные помехи. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в средствах ввода используют режекторный фильтр, не пропускающий колебания вблизи этой частоты (частоты режекции). Это приводит к подавлению помехи нормального вида (источник помехи включен последовательно с источником сигнала) до 120дБ, и помехи общего вида (источник помехи включен между закороченными входами и землей) до 140дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к емкостным наводкам.

Точность термопары зависит от точности химического состава материала. Внешние факторы, такие, как давление, коррозия, радиация, могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.

Состав погрешности измерений с помощью термопар:

· случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары (Приложение 3.1.). Зависит от чистоты материалов и точности состава их содержания в материалах электродов;

· случайная погрешность измерения температуры холодного спая;

· погрешность, вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;

· систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

· динамическая погрешность;

· систематическая погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;

· погрешность аналого-цифрового канала,

· погрешность, вызванная внешними помехами.

Первые 4 вида погрешности являются инструментальными и указываются в паспорте на датчик, следующие 2- указываются в паспорте на средство ввода. Последняя зависит от типа используемых термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т.п должна учитываться отдельно.

3.2. Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы)

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры сопротивления) - вторые по распространенности в промышленных СИ температуры после термопар. Принцип их действия основан на зависимости электросопротивления металла (по ГОСТ 6651-94 используется медь, платина и никель) или полупроводников от температуры.

Эта зависимость R(t) в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной:

R(t) = R₀(1 + αt), (3.4)

где R₀ - сопротивление при температуре t = 0°С, α - температурный коэф-т сопротивления.

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление R₁₀₀ при 100°С и отношение W₁₀₀ = R₁₀₀/R₀,. При этом:

α = (W₁₀₀ -1)/100 (3.5)

Преимущество металлических датчиков - высокая линейность и взаимозаменяемость, достигаемая благодаря малому технологическому разбросу сопротивлений датчиков (от ±0,15 % при температуре 0 °С для медных датчиков класса «А» до ±0,5 % для датчиков класса «С» по ГОСТ 6651-94). Разброс сопротивлений увеличивается с ростом температуры.

В широком диапазоне температур линейная зависимость дает слишком большую погрешность, поэтому ГОСТ 6651-94 устанавливает для термопреобразователей сопротивления табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры, что позволяет исключить систематическую составляющую погрешности нелинейности из результата измерений. Эта процедура обычно выполняется в средстве ввода СИ.

После исключения систематической составляющей погрешности остается случайная составляющая, обусловленная технологическим разбросом сопротивления датчика при 0°С и разбросом его температурного коэф-та сопротивления. Она вносит основной вклад в результат измерения температуры и нормируется для 3-х классов допуска: А, В и С (Приложение 3.2).

Источником погрешности является также электротермический эффект, при соединении никелевых или медных термопреобразователей с медными проводами. Обычно он не превышает 20мкВ. Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение 2-х измерений при противоположных направлениях тока или измерения на переменном токе.

Терморезистор состоит из термочувствительного элемента (сенсора) и защитной оболочки. Сенсор может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой (безиндуктивная намотка сдвоенным проводом) или проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.

Погрешность термического шунтирования - методическая погрешность перераспределения теплоты между объектом измерений с малой теплоемкостью и датчиком

Стабильность - неизменность показаний с течением времени.

Для уменьшения погрешности термического шунтирования следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.

Для малоразмерных датчиков существенную роль играет величина измерительного тока I_ех (ех - от excitation - возбуждение). Мощность I_ех² * R(t), выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением R(t), преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика. Для уменьшения этого эффекта следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнал / шум и увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Лучшие результаты дает измерение с помощью импульса, длительность которого выбирается из условия минимизации энергии, поступающей в резистор за время измерения.

Медные датчики изготавливаются с W₁₀₀ = 1,4260 и W₁₀₀ = 1,4280, платиновые - с W₁₀₀ = 1,3850 и W₁₀₀ = 1,3910, никелевые – с W₁₀₀ = 1,6170. Медные датчики используются в диапазоне -200 … +200°С, платиновые - в диапазоне -260 … +850°С, никелевые - -60 … +180°С.

Параметр W₁₀₀ и класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление R₀ и вид используемого материалауказывается в его обозначении (например, ТСМ 50 - термопреобразователь сопротивления медный, 50 Ом),

Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые - высокую стабильность, медные - низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

В отличие от металлических термопреобразователей полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют столь большой разброс параметров, включая линейность, что, как правило, требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинством являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.

Для измерения температуры с помощью термосопротивлений необходимо измерять величину омического сопротивления датчика, включенного последовательно с сопротивлением подводящих проводов. В ПА используются 3 варианта схем измерений: 2-, 3-, 4-проводная.

2-проводная схема измерений. Использует косвенный метод измерений напряжения (Рис. 2.2а) на сопротивлении V_x, вызванное протекающим калиброванным током возбуждения I_ех. Реже задается калиброванное напряжение V_x и измеряется ток I_ех. Используется также вариант одновременного измерения тока и напряжения при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях по закону Ома:

R_x = V_x / I_ех (3.6)

Поскольку сопротивление металлических датчиков мало, то большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов R_nр (Рис.3.2а). Поэтому 2-проводная схема измерений используется, когда R_nр малы, например не превышают 0,1 % от сопротивления датчика R₀ (т.е. для медного датчика ТСМ50 с R₀ = 50Ом сопротивление проводов должно быть не более 0,05Ом и при использовании проводов сечением 0,35 мм ² с погонным сопротивлением 0,049Ом/м длина пары таких проводов не должна превышать 0,5м).

а) б)

Рис.3.2. 2-проводная (а) и 4-проводная (б) схемы измерения удаленного сопротивления

Поскольку рассматриваемая погрешность является систематической, ее можно исключить из результата измерений несколькими способами. Если измерения выполняются при заранее известном сопротивлении проводов R_пр, то величину измеренного сопротивления нужно уменьшить на R_пр. Для более точного исключения этой погрешности нужно учесть зависимость сопротивления проводов от температуры, если известна эта температура.

Относительную погрешность измерения сопротивления по 2-проводной схеме можно получить из основного соотношения с учетом погрешности, вызванной нескомпенсированной составляющей сопротивления проводов ΔR_пр:

δ_х = {(ΔV_x/ ΔV_x)² + (ΔI_ex:/ ΔI_ex)² + (ΔR_пр / (ΔR_пр + R_x))²}^0.5 (3.7)

где ΔV_x - погрешность измерения напряжения; ΔI_ex - погрешность задания тока.

Здесь использовано квадратичное суммирование погрешностей, поскольку все они независимы и случайны. В случае, когда сопротивление проводов не вычитается из результата измерения, ΔR_пр = 2R_пр и эта погрешность должна учитываться алгебраически.

4-проводная схема измерений. Измерение напряжения (рис. 3.2б) производится непосредственно на выводах термосопротивления R_х. и падение напряжения на сопротивлении проводов R_пр не влияет на результат измерения.

Методическая погрешность отсутствует, а относительная погрешность измерения сопротивления определяется только инструментальной погрешностью измерения напряжения и задания тока:

δ_х = {(ΔV_x/ V_x)² + (ΔI_ex/ I_ex)²} ^0.5 (3.8)

Расстояние от средства ввода до датчика ограничивается только уровнем помех, который растет пропорционально длине проводов.

3-проводная схема измерений. Обеспечивает снижение стоимости кабеля при невысоких требованиях к точности измерений. В средствах ввода используются 3 варианта 3-проводных схем измерения сопротивлений, которые отличаются погрешностью и конструкцией измерительного модуля.

С появлением интегральных АЦП с 2-мя встроенными цифроуправляемыми источниками тока появилась возможность реализовать 3-проводную схему измерений (Рис.3.3а).

Если токи источников тока равны: I_ex1 = I_ex2 = I_ex и равны сопротивления проводов: R_пр1 = R_пр2 =R_пр, а погрешность измерителя напряжения равна нулю, то напряжение V_x между выводами измерителя напряжения (Рис.2.3а) составит:

V_x = (V₂ + R_х *I_ex1 + R_пр1 *I_ex1 ) – (V₂ + R_пр2 *I_ex2) (3.9)

а) б)

Рис.3.3. 3-проводные схемы измерений удаленного сопротивления с двумя (а) и с одним (б) источником тока

Учитывая идентичность токов и сопротивлений:

V_x = (V₂ + R_х * I_ex + R_пр * I_ex) – (V₂ + R_пр * I_ex) (3.10)

т.е. падение напряжения на проводах взаимно компенсируются благодаря идентичности измерительных токов и сопротивлений проводов.

Если же токи I_ex1 и I_ex2 заданы со случайной погрешностью ΔI_ex т.е. I_ex1 = I_ex1 ± ΔI_ex1, I_ex2 = I_ex2 ± Δ I_ex2 и сопротивления проводов также имеют технологический разброс R_ex1 = R_ex1± ΔR_ex1 , R_ex2 = R_ex2 ± ΔR_ex2, а погрешность измерителя напряжения равна ΔV. Тогда из предпоследнего соотношения, пренебрегая составляющими 2-го порядка малости (ΔR_пр ΔI_ex по сравнению с ΔR_пр I_ex и с R_пр ΔI_ex) получим:

V_x = R_х I_ex + R_х ΔI_ex + 2R_пр ΔI_ex + 2 ΔR_пр I_ex ΔV (3.11)

Используя правило квадратичного суммирования независимых случайных погрешностей, получаем среднеквадратическую погрешность измерения напряжения:

ΔV_x = {(R_х ΔI_ex)²+ 2 (R_пр ΔI_ex)² + 2(ΔR_пр I_ex)² + (ΔV)²}^0.5 (3.12)

Относительную погрешность измерений в 3-проводной схеме на рис.3.2а, можно рассчитать по (3.8), используя последнее соотношение.

Как следует из (3.8) и (3.10), погрешность пропорциональна сопротивлению (длине) провода R_пр и дисбалансу токов источников измерительного тока. Обе эти составляющие отсутствуют в ранее рассмотренной 4-проводной схеме измерений.

Второй вариант 3-проводной схемы измерений (Рис.3.3б). Компенсация падений напряжения на проводах в ней осуществляется благодаря применению 2-го измерителя напряжения V₀. Зная V₀ и предполагая, что сопротивления R_пр1 = R_пр2 (сопротивление R₂ не вносит погрешность, так как ток через него равен нулю), получим:

V_х - V₀ = I_ех (R_пр1 + R_х) – I_ех R_пр3 = I_ех R_х. (3.13)

В этой схеме присутствуют те же источники погрешности, что и в предыдущей, поскольку используется тот же принцип компенсации погрешностей, если учесть, что вместо погрешности задания тока вносится погрешность его измерения.

Третий вариант 3-проводной схемы измерений сопротивлений - мост Уитстона (Рис. 3.4). В отличие от предыдущих схем с косвенным методом измерения, мост используется для прямого измерения методом сличения с эталоном. В процессе измерений он служит индикатором равенства напряжений левого V₁ и правого V₂ плеч моста:

V₁ = V_ех (R_х +R_пр)/(R_х + 2R_пр + R_Э) V₂ = V_ех R₂ /(R₁ + R₂) (3.14)

В состоянии равновесия V₁ = V₂ и ( R_Э + R_х) / (R_х + R_пр ) = R₁ / R₂, откуда и можно найти R_х.

Важно, что результат измерения не зависит от напряжения V_ex, в том числе его стабильности и величины помех в цепях питания моста.

Если мост уравновешен при условии R₁ / R₂ = 1, то, R_х= R_э, и сопротивление проводов R_пр не влияет на результат измерения.

В средствах аналогового ввода этот метод измерения возможен с помощью цифроуправляемого эталонного резистора однако экономически эффективнее использовать рассмотренные выше схемы с источниками тока.

Современные средства ввода сигналов термосопротивлений используют все 3 схемы измерения сопротивлений: 2-, 3-, 4-проводную, Например NL-4RTD (НИЛ АП) имеет 6 источников тока I_ex0 +, I_ex1,+ I_ex2 +, I_ex0 -, I_ex1,- I_ex2 - (и 4 дифференциальных потенциальных входа (Sence0+, Sence0 -, Sence3 +, Sence3 -). Это позволяет подключить к нему 4 датчика по 2-проводной схеме, или 4 датчика по 4-проводной схеме, или 3 датчика по 3-проводной схеме измерений (Рис. 3.3б).

Погрешность измерений температуры с помощью термосопротивления включает:

· случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений и температурных коэф-тов датчиков;

· систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом, когда к платиновому или никелевому датчику подключают обычные медные провода и их соединения имеют разную температуру. Термоэдс возникает также в контактах меди и свинцово-оловянного припоя (величина термоэдс 1...3 мкВ/°С);

· тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;

· систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

· динамическая погрешность;

· саморазогрев датчика;

· погрешность метода (схемы измерения), зависящая от длины проводов от средства ввода до датчика;

· погрешность измерительного средства ввода.

Погрешность средства ввода нормируется при условии, отсутствия сопротивления проводов до датчика. Поэтому эту составляющую погрешности можно рассчитать по (3.11)) и сложить с погрешностью этого средства, но лучше откалибровать его с подключенными к нему проводами нужной длины.

3.3. Термодатчики. Термисторы.

Термистор (тепловой резистор) – металл-оксидный датчик, имеющий форму капель, стержней, цилиндров, прямоугольных пластин и толстых пленок. Относятся к классу датчиков абс температуры. выпоняется 2-х типов:

· с отрицательным темпер. коэф-том (ОТК) сопротивления,

· с положительным темпер. коэф-том (ПТК) сопротивления.

Терморезистивные хар-ки термисторов (рис.3.5):

Рис.3.5.Температурные хар-ки термисторов: РДТ – метало-резистивный термодатчик (для сравнения)	Рис.3.6. Долговременная стабильность термисторов

Для проведения достаточно точных измерений используются только термисторы с ОТК.

Термисторы с ОТК - значение ОТК определяется физическими размерами и удельным сопротивлением материала. Температурная зависимость сопротивления - существенно нелинейна (типовые допуски на номинальные значения серийно выпускаемых изделий при 25°С составляют ~ ±20%). Поэтому для использования с высокой точностью измерений их необходимо индивидуально прокалибровать в широком температурном диапазоне. Прецизионные термисторы, подгоняемые производителем методом шлифовки - имеют значительную стоимость. Поэтому на практике чаще применяется метод индивидуальной калибровки по одной из аппроксимационных моделей.

Изменение температуры термистора из-за саморазогрева в установившемся режиме:

(3.15)

где r - тепловое сопротивление между термистором и окр. средой, V - приложенное постоянное напряжение, S - сопротивление термистора при измеряемой температуре, а N - рабочий цикл измерений (например, N = 0.1 означает, что постоянное напряжение подается только на время 10% от полного времени измерений). При проведении измерений по постоянному току N = 1.

Видно, что для выполнения условий «нулевой мощности», т.е. пренебрежимо малого влияния самиразогрева необходимо, чтобы:

· термистор обладал высоким удельным сопротивлением,

· термистор и объект измерения имели хорошую тепловую связь друг с другом (что должно снизить значение r),

· измерения должны проводиться при небольшом постоянном напряжении, подаваемом в течение коротких промежутков времени.

Все существующие модели термисторов построены на экспериментально доказанном факте, что:

(3.16)

На этой закономерности и построены все 3 наиболее распространенные модели.

Простая модель - для относительно узкого температурного диапазонаи при некоторой потере точности:

(3.17)

где А - константа, а β - характеристическая температура материала (в Кельвинах)

Исполнение термисторов с ОТК. Делятся на 3 основных группы:

Бусинкового типа - могут быть непокрытыми и с защитным слоем из эпоксидной смолы или размещены в металлическом корпусе. Рабочие температуры (до 550°С), самые быстродействующие и наиболее дорогие.

Чип-термисторы с поверхностными контактами для крепления проводников.

Полупроводниковые – из полупроводникового материала, нанесенного на соответствующую подложку из стекла, алюминия, кремния и т.д. В основном, используются в интегрированных датчиках и ИК тепловых датчиках.

Среди термисторов с металлизированными поверхностными контактами наихудшей стабильностью обладают чипы без покрытия. Термисторы с эпоксидным покрытием имеют среднюю стабильность.

Датчики с металлизированным поверхностным контактом используются до 150°С.

Один из источников погрешностей термисторов: старение - для низкокачественных датчиков может составлять ~ 1%/год. (Рисю3.х).

Обеспечение защиты от окружающей среды и температурная подготовка термисторов - надежные методы стабилизации их хар-к. Для проведения температурной тренировки датчики помещаются в камеру ~ +300°С, по крайней мере, на 700 часов.

Для обеспечения лучшей защиты термисторы могут быть размещены в корпусах из нержавеющей стали и залиты эпоксидной смолой.

Термисторы с ПТК. Все металлы относятся к материалам с ПТК, но обладают низкими значениями температурных коэф-тов сопротивления (ТКС). Металлические РДТ также имеют небольшой ПТК. В отличие от них многие керамические материалы в определенном температурном диапазоне обладают довольно значительными ПТК. Обычно их изготавливают на базе поликристаллических керамических материалов, основные компоненты которых (титанат бария или твердые растворы титаната бария и стронция), обладающие высоким удельным сопротивлением, легируются дополнительными примесями для придания им свойств полупроводников.

Видно, что для термисторов с ПТК очень сложно подобрать математическую аппроксимацию, поэтому для них в документации обычно приводятся следующие характеристики:

1) сопротивление при нулевой приложенной мощности, R₂₅., при которой влияние эффекта саморазогрева незначительно,

2) минимальное сопротивление R_m, при котором термистор меняет знак своего температурного коэф-та (точка т),

3) температура перехода T_t, начиная с которой начинается быстрое изменение сопротивления - приблизительно совпадает с точкой Кюри материала. Значения температуры перехода обычно лежат в интервале - 30...+160°С,

4) ТКС, определяемый как:

(3.18)

Сильно зависит от температуры и часто определяется в точке х (т.е. там, где он обладает максимальным значением). Он может достигать значений 2/°С, что означает 200% изменение сопротивления на 1°С,

5) максимальное напряжение Е_т, соответствующее предельно допустимому значению, выдерживаемому термистором,

6) тепловые характеристики: теплоемкость, коэф-т рассеяния δ (определенный для заданных условий связи датчика с окружающей средой) и тепловая постоянная времени (характеризующая быстродействие термистора при определенных условиях).

Для термисторов с ПТК важными факторами являются: температура окружающей среды и эффект саморазогрева. Любой из них влияет на положение рабочей точки термистора.

В отличие от термисторов с ОТК, датчики с ПТК при подключении к идеальным источникам напряжения ведут себя как саморегулирующиеся устройства. Например, нить накаливания раскаленной лампы не перегорает из-за того, что увеличение ее температуры ведет к росту сопротивления, ограничивающего ток. Эффект саморегулирования значителен в термисторах с ПТК.

Термисторы с ПТК обладают максимальной эффективностью при больших значениях Т₀ (около 100°С), а при меньших температурах их эффективность (наклон характеристики R(T) в точке х) резко падает. По своей физической природе их предпочтительнее использовать при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды.

Примеры применения термисторов с ПТК:

1. В устройствах защиты электронных схем термисторы с ПТК могут играть роль неразрушаемых предохранителей, реагирующих на токи, значения которых превышают допустимые уровни. Термистор с ПТК, включенный последовательно с источником напряжения Е, подающего в нагрузку ток i (Р ис.3.8А). При комнатной температуре термистор обладает очень низким сопротивлением (порядка 10... 140 Ом). Однако при значительном увеличении окружающей температуры или сильном изменении тока нагрузки происходит резкий рост температуры термистора до величины Т_τ, по достижении которой его сопротивление начинает расти, что предотвращает дальнейшее увеличение тока. При коротком замыкании в нагрузке V_x = Е, ток i падает до минимального значения, которое будет сохраняться до тех пор, пока сопротивление нагрузки не придет в норму, после чего, термистор восстановит свои исходные характеристики. Однако при этом необходимо выполнение условия Е<0.9Е_тах, иначе может произойти разрушение термистора.

2. В миниатюрных термостатах с саморазогревом (рис.3.8Б), используемых в микроэлектронике, биомедицине, химических исследованиях и т.д., также используются термисторы с ПТК с соответственно подобранной температурой перехода. Термостат состоит из кюветы, теплоизолированной от окружающей среды и связанной с термистором. Для устранения сухого контакта между термистором и кюветой делают слой из специальной смазки. Выводы термистора подключаются к источнику напряжения,

(3.19)

где δ – коэф-т рассеяния, зависящий от теплоизоляции термистора от окружающей среды, а Т_а - температура окружающей среды. Рабочая точка термостата определяется физическими свойствами керамического материала (точкой Кюри). Благодаря внутренней тепловой обратной связи, устройство может работать в сравнительно широком диапазоне напряжений и окружающих температур Естественно, что окружающая температура должна быть всегда меньше Т_τ.

Рис.3.8. Применение термисторов с ПТК. А - в схемах ограничения тока, Б - в микротермостатах

3.4. .Термопреобразователи полупроводниковые интеллектуальные).

Обычно выполняются по схеме (Рис.3.9).

Рис.3.9. Схема полупроводникового интеллектуального термодатчика	Рис.3.10. Зависимость погрешности полупроводникового датчика от температуры

Состав:

1) статическая память,

2) энергонезависимая память,

3) встроенные регистры критической температуры (термостат), программируемые пользователем,

4) блок адресации и управления в-в,

5) ИОН – источник опорного напряжения,

Функции, хар-ки, особенности:

1) устранение главного недостатка измерительных полупроводниковых (п/п) преобразователей (особенно удаленных):

o низкую помехоустойчивость при маломощных сигналах,

o влияние падений напряжений на соединительных проводниках (и, как следствие, гарантированная точность не высока: 1,5 … 2ºС),

2) высокая точность (до 0.5ºС) и малый шаг преобразования (до 0,0625ºС),

3) обмен данными с управляющими устройствами (УСО, контроллеры),

4) возможность создания сети преобразователей с 2-или 3-проводным соединением,

5) 2-позиционное температурное регулирование.

6) малые габариты (Рис.3.12).

Недостаток:

1) имеют полупроводниковый чувствительный элемент:

o узкий рабочий температурный диапазон по условиям выполнения рабочих кристаллов, (-55 +125ºС) из-за характерной высокой нелинейности функциональной характеристики (-30 +110 ºС),

2) требует создания специальных микроконтроллерных УСО.

Интерфейсы обмена данными:

3) SPI/ 3-проводные,

4) I ² C

5) 1-Wire (MicroLan).

Пример: DS-1821 (Dallas Semiconductor)

Назначение: термостаты, промышленные установки, потребительские товары, термометры.

Обеспечивает: многоточечное (до 32точек / шина связи) измерение температуры.

Отсутствует потребность:

1) в дополнительном источнике питания,

2) в дополнительных навесных компонентах.

Протокол: 1-Wire.

Рис.3.11. Назначение выводов: DQ-сигнальный, VDD - электропитания, GND- общий, NC – не используемый	Рис.3.12 Общий вид и габаритные размеры

Рис.3.13.Структурная схема DS-1821

Состав функциональных микроблоков:

1) Память ROM (создан лазерной технологией), объем 64бит,

2) 1-wire последовательный порт (структурно совмещен с ROM),

3) температурный преобразователь,

4) скратчпад (сверхоперативная память)(объем 9 байт),

5) 2 энергонезависимых тригера 2-позиционной сигнализации (регулирования) по 1 байту,

6) генератор контрольной суммы (CRC),

7) блок управления памятью и логикой,

8) датчик наличия электропитания.

Технические хар-ки:

1) Диапазон температур: -55ºС +125ºС.

2) Основная погрешность: ±1.0ºС (8 разрядов, в диапазоне 0 +85ºС).

3) Разрешение: 1ºС (8 разрядов), расширяемое до 0.0625ºС (12 разрядов) (при 2-байтной посылке).

4) Инерционность: 26ºС/с.

5) Напряжение подаваемое: -0.7 +7.0 В

6) Напр