Датчики температуры термисторы

Термисторы

Термисторы - это по сути термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC ( с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), целиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С. Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)₃ O₄. (ABC)₃ O₄ лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni_0.2 Mn_0.8 )₃ O₄. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора r (25 °C) зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 °С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 °С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок. Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Зависимость сопротивления термистора от температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

R(T) = A exp(b/T)

где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

1/T = a+b(lnR)+c(lnR) 3

где T – температура в К;

R – сопротивление в Ом;

a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С близкие к следующим значениям:

a = 1,03 10 -3

b = 2,93 10 -4

c = 1,57 10 -7

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром. В диапазоне от 0 до 100 °С сличение проводится в точках с интервалом 20 °С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 –5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR) 2 + d(lnR) 3

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 °С), точка плавления галлия (29,7646 °С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.

Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток. При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Стабильность

Причины нестабильности термисторов следующие:

- напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;

- структурные изменения в полупроводнике;

- внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;

- нарушение адгезии металлической пленки;

- миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов – от 0 до 100 °С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена.

Прочитайте на нашем сайте также о других типах датчиков температуры:

Применение терморезисторов (термисторов) для измерения температуры

Терморезисторы (термисторы) - это резисторы, сопротивление которых сильно изменяется в зависимости от температуры. Термисторы изготавливаются на основе полупроводникового материала и имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Термисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления (ТКС) называются позисторами. Благодаря чувствительности к температуре термисторы используются для измерения температуры и построения систем управления температурой в технологическом и лабораторном оборудовании.

Терморезисторы изготавливаются на основе полупроводникового оксида металлов, спрессованного для получения заданной формы. Механическая прочность и защита от воздействий окружающей среды обеспечивается с помощью металлического корпуса или защитного изолирующего слоя. Термисторы имеют нелинейную вольт-амперную характеристику и очень высокую температурную чувствительность по сравнению с другими типами датчиков температуры. Типовое значение ТКС для термисторов составляет -5% на градус, в то время как для платинового термопреобразователя (RTD) он составляет 0,4% на градус.

Типовой диапазон температур термисторов достаточно узок (-60. +150 С), для некоторых образцов он расширен до (-60. +300 С).

Важным преимуществом термисторов является их большое сопротивление, что устраняет проблему, связанную с падением напряжения на подводящих проводах, как при использовании RTD или проблему, связанную с необходимостью большого усиления сигнала (до 2000) для термопар.

Температурная зависимость

Зависимость сопротивления термисторов от температуры в диапазоне нескольких десятков градусов удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией (рис.1)

где А - сопротивление при бесконечно большой температуре, В - коэффициент температурной чувствительности (его значения обычно лежат в диапазоне 1200-16000).

Из выражения (1) можно получить связь между ТКС терморезистора () и коэффициентом температурной чувствительности в виде

Величину ТКС обычно приводят в справочниках для температуры 20 С (293 К).

Рис.1. Зависимость сопротивления от температуры для термистора ММТ-1 22Ком.

При протекании тока через терморезистор он нагревается, что увеличивает погрешность измерений. Поэтому при выборе терморезистора необходимо учитывать его коэффициент рассеяния. который определяется как мощность, приводящая к нагреву терморезистора на 1 градус относительно температуры окружающей среды. Для снижения погрешности, вызванной собственным разогревом термистора, необходимо увеличивать площадь его поверхности, однако это приводит к увеличению тепловой инерционности, которая характеризуется величиной постоянной времени. Постоянная времени терморезистора равна времени, в течение которого его температура изменяется в е раз (на 63%) при перенесении термистора из воздушной среды с температурой 0 град. Цельсия в воздушную среду с температурой 100 град. Типовые значения постоянных времени лежат в диапазоне от десятых долей секунды до нескольких минут.

Линеаризация характеристик

В связи с сильной нелинейностью температурной зависимости терморезисторы не могут быть использованы без компенсации нелинейности (линеаризации) их характеристики. Для этой цели используют нелинейные аппроксимирующие функции, коэффициенты которых подбирают методом наименьших квадратов или другими методами параметрической идентификации. Этот недостаток термисторов сильно ограничивал их применение до появления средств измерения температуры, построенных на базе компьютера. Применение компьютера позволяет легко скомпенсировать нелинейность программным путем. Эта особенность увеличила интерес к применению термисторов в последние годы и инициировала дальнейшие исследования в направлении улучшения их стабильности, точности и взаимозаменяемости.

Для компенсации нелинейности термисторов используют формулу Стейнхард-Харта:

где температура дана в градусах Кельвина, (К = С + 273,15); - сопротивление термистора. Коэффициенты уравнения подбираются из условия наилучшего приближения к экспериментально полученной зависимости или поставляются изготовителем термистора.

Измерительная цепь

Цепь измерения температуры с использованием термистора состоит из источника тока и самого термистора. Падение напряжения на термисторе прямо пропорционально его сопротивлению и считывается дифференциальным усилителем. Для устранения паразитного влияния помех усилитель должен иметь достаточно большой коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Несколько худший результат по температурной чувствительности дают измерительные схемы, в которых ток термистора задается не от идеального источника тока, а от источника напряжения через последовательно включенное сопротивление.

Чувствительность схемы измерения температуры пропорциональна величины тока через термистор. Поэтому этот ток следует выбирать как можно больше, но так, чтобы погрешность. вносимая эффектом саморазогрева термистора, находилась в допустимых пределах. Перегрев термистора на 1 градус вызывается мощностью, равной его коэффициенту рассеяния.

Коэффициент рассеяния существенно зависит от теплопроводности среды, в которой находится терморезистор (вода, воздух, контакт с металлом), поэтому необходимо принимать во внимания условия, при которых он измеряется изготовителем. При использовании термистора в иной среде необходимо предварительно измерять коэффициент рассеяния. Например, если на термисторе рассеивается мощность 2 мВт, а его коэффициент рассеяния равен 10 мВт/град, то саморазогрев термистора составит 0,2 град. Если требуемая погрешность измерения должна быть меньше, следует уменьшить ток через термистор и улучшить экранирование токоподводящих проводов, поскольку при уменьшении тока ухудшается отношение сигнал/помеха.

Для улучшения отношения сигнал/помеха при значительном удалении термодатчика от системы сбора данных используют фильтр нижних частот с полосой, которая зависит от требуемой скорости измерений и тепловой инерционности термодатчика. Типовым применениям удовлетворяет фильтр третьего порядка с полосой 5 Гц, например, фильтр RL-8F3 из серии RealLab! .

Термистор в качестве датчика температуры - Arduino

19.06.2013, 22:57 Термистор в качестве датчика температуры

Использую Arduino Uno + резистор 10 кОм и термистор 4.7 кОм.

Хочу измерить температуру.

С аналогового входа читает например 720 попугаев. Я хочу эти 720 попугаев представить в градусах.

Amet13. можно не заглядывать в даташит, если вы сможете создать условия для датчика с известной температурой. Например, если вы знаете температуру окр.среды, в которой находится датчик, то можно в итоге измерить в попугаях, и затем уже перейти к градусам. Одна из таких сравнительно точных температур - талый лед. Вторую можно поискать, но с ней немножко сложнее. В итоге вы получите две точки в температуре и попугаях. И, если принять зависимость показаний датчика линейной, то легко можно найти два искомых коэффициента.