Резистивный датчик температуры

ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Перед началом изучения этого раздела желательно ознакомиться с разделом 3.5.2 главы 3.

Хамфри Дэви еще в 1821 году заметил, что электрическое сопротивление различных металлов зависит от температуры [1]. Вильям Сименс в 1871 году разработал первый платиновый резистивный термометр. А в 1887 году Хью Каллендар опубликовал статью [2], в той он описал способы практического применения платиновых термометров. Достоинствами терморезистив-ных сенсоров являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность. Такие датчики можно разделить на три подгруппы: РДТ, детекторы на р-n переходах и термисторы.

Резистивные детекторы температуры

Этот термин обычно относится к металлическим детекторам, которые бывают проволочными и тонкопленочными. Поскольку удельное сопротивление всех металлов и большинства сплавов зависит от температуры, на их основе можно разрабатывать чувствительные элементы для измерения температуры (см. Приложение). Хотя для изготовления температурных детекторов подходят практически все металлы, но все же, в основном, для этих целей используется только платина. Это объясняется воспроизводимостью ее характеристик, долговременной стабильностью и прочностью. Для измерения температур выше 600°С применяются вольфрамовые РДТ. Все РДТ обладают положительными температурными коэффициентами. Выпускаются несколько типов РДТ:

1. Тонкопленочные РДТ, изготовленные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на подходящую подложку, к примеру, на кремниевую микромембрану. РДТ часто формируются в виде серпантинной структуры для получения высокого отношения длины к ширине

2. Проволочные РДТ, в которых платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея. Такая конструкция позволяет изготавливать датчики, обладающие очень высокой стабильностью.

В соответствии с Международной практической температурной шкалой (IPTS-68) прецизионные датчики температуры должны калиброваться при температурах, определяемых воспроизводимыми равновесными состояниями некоторых материалов. В этой шкале температуры в Кельвинах обозначаются символом T6g, а в градусах Цельсия — t№. Международный Комитет по Весам и Мерам в сентябре 1989 года принял новую Международную температурную шкалу (1TS-90). В ней температура в градусах Цельсия обозначается как ?90. В таблице 16.2 приведены различия между этими двумя шкалами, которые важны при проведении прецизионных измерений.

Таблица 16.1. Эталонные температурные точки

Датчики. Омические (резистивные) датчики

Омические (резистивные) датчики - приборы, принцип действия которых основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l. площади сечения S или удельного сопротивления p .

Принцип действия описывается, соответственно, формулой R= pl/S .

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещенности фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на группы :

• контактные;
• потенциометрические (реостатные);
• тензорезисторные;
• терморезисторные;
• фоторезисторные.

Контактные датчики - это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д.

К контактным датчикам относятся :

• путевые и концевые выключатели;
• контактные термометры;
• электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так й на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно- предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.

Недостаток контактных датчиков - сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной - изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части.

Делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром .

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах.

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения UBbIX между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U_вых = f(x) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.

Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материалов - обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

Термометрические датчики (терморезисторы) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами .

Способ 1. Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется "термометром сопротивления".

Способ 2. Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды - газа или жидкости - относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п.

В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.

Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливаются такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей - медь и никель .

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Автор: Корякин-Черняк С.Л.

Смотрите другие статьи раздела Справочник электрика .

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье .

Рекомендуем скачать в нашей Бесплатной технической библиотеке :

Описан метод компенсации ошибки измерения сопротивления резистивных датчиков температуры, включенных в токовую петлю. в условиях изменения коэффициента усиления измерительной схемы.

Abstract 2009 year, author — Shevchenko A. A. Gureev V. V. Pylskiy V. A. Lvov A. A.

Похожие темы

научной работы на тему "МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТОКОВОЙ ПЕТЛЕ". Научная статья по специальности "Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук"

УДК 621.317.7

А. А. Шевченко, В.В. Гуреев, В. А. Пыльский, А. А. Львов

МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТОКОВОЙ ПЕТЛЕ

Описан метод компенсации ошибки измерения сопротивления резистивных датчиков температуры, включенных в токовую петлю, в условиях изменения коэффициента усиления измерительной схемы.

Мост Уитстона, токовая петля, датчик, аналого-цифровой преобразователь

A.A. Shevchenko, V.V. Gureev, V.A. Pylskiy, A.A. L’vov

THE METHOD FOR COMPENSATION OF MEASURING UNCERTANITIES OF TEMPERATURE RESISTIVE SENSORS INCLUDED IN A CURRENT LOOP

The method for compensation of measuring uncertainties of the temperature resistive sensors included in a current loop the gain of measuring circuit being non-stable is described.

The Wheatstone bridge, current loop, sensor, analog-to-digital converter

Топология петли постоянного тока разработана в последнее десятилетие прошлого века К. Андерсоном [1, 2]. Целью данной петли было устранение измерительных ошибок, возникающих из-за влияния длинных проводников, связывающих датчики с измерительным оборудованием [1-3]. В русскоязычной литературе термин «петля Андерсона» практически не упоминается, однако принципы токовой петли и отдельные ее элементы лежат в основе работы многих современных измерительных систем. Как оказалось, во многих приложениях токовая петля значительно превосходит классические схемные решения в виде моста Уитстона. С развитием цифровых технологий и полупроводниковой техники в целом токовая петля стала доминирующим техническим решением для обеспечения высокоточных измерений импеданса датчиков измерительных систем.

Как мост Уитстона, так и токовая петля Андерсона предназначены для измерения малых отклонений сопротивления AR или импеданса AZ от их абсолютных значений R и Z. Несмотря на то, что мост Уитстона многие годы оставался традиционным схемным решением для измерения сопротивлений тензометрических датчиков и резистивных датчиков температуры, ему присущи некоторые недостатки, которые можно устранить с помощью токовой петли с постоянным током. Проблема возникает уже тогда, когда речь идет об измерении сопротивления датчика, расположенного вдали от измерительного прибора (вторичного преобразователя), что, по сути, является стандартной ситуацией для большинства измерительных систем. Существенным недостатком мостовой измерительной схемы является влияние соединяющих проводников на результат измерения сопротивления датчика. Более того, значения сопротивлений данных проводников трудно контролировать из-за внешних условий, важнейшим из которых является температура окружающей среды. В некоторых приложениях необходимо соблюдение идентичности соединяющих проводников с точностью 0,2 мОм, что является трудновыполнимой задачей.

Для преодоления обозначенных трудностей применяется схема не с двухпроводным, а с четырехпроходным подключением измерительного прибора так, как показано на рис. 1. При такой схеме подключения образуется токовая петля, в которую включен как сам датчик, сопротивление которого R, так и эталонный резистор, сопротивление которого Rref. Измерительные

устройства подключаются непосредственно к самим резисторам. Если измерительные устройства обладают высоким входным сопротивлением, то через датчик и эталонный резистор протекает один и тот же электрический ток I. Предполагая, что R = Rref. разность показаний двух измерительных устройств определяется выражением: Vout = Vm - Vref = IAR. Достоинством данной

схемы является независимость показаний всего устройства от сопротивления соединяющих проводников. Тем не менее результат измерения сопротивления R оказывается зависимым не только от значения сопротивления Rref эталонного резистора, но и от значения тока возбуждения петли

I. Этот факт накладывает серьезные ограничения на стабильность тока возбуждения, который в силу различных причин (дрейфа температуры окружающей среды, старения электронных компонент и т.п.) может изменяться.

Nout - 1 + AR/Rre

Рис. 1. Конфигурация токовой петли с использованием многоканального АЦП

Зависимость показаний измерительного устройства, подключенного к токовой петле, от тока возбуждения данной петли является следствием сравнения двух напряжений Vm и Vref путем нахождения их отношения Vm / Vref, что позволяет исключить влияние тока возбуждения на результат измерения сопротивления датчика. Такое сравнение возможно при использовании аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Конфигурация токовой петли с использованием АЦП представлена на рис. 1. В данной конфигурации используется несколько входных каналов АЦП (в зависимости от числа подключаемых датчиков).

Отношение напряжений на датчике и эталонном резисторе Vm / Vref будет зависеть

только от сопротивления датчика и сопротивления эталонного резистора, если параметры измерительных каналов не меняются во время одного измерения.

Рассмотрим наиболее распространенный случай прецизионных измерений сопротивления с помощью токовой петли - измерение сопротивления эталонного термометра сопротивления. Предположим, что один отсчет (код) АЦП можно представить как

N, = N(ti ) + £, i = 0. m, (1)

где ^ - аддитивный гауссовский шум, ti - момент времени, в который происходит выборка.

Для уменьшения влияния случайного воздействия E,i на результат измерений после каждой

коммутации сигналов считывается несколько значений Ni для последующего сглаживания. В случае одного термометра и одного эталонного резистора получается два набора отсчетов: (Nm )i = Ni, i = 0,k, (Nm )i = N. i = l. l + k.

Период одного измерения составляет tl + k, а между моментами времени tk и tl (tk < tl) происходит коммутация входных сигналов и предварительная подготовка АЦП. Традиционный метод вычисления сопротивления Rm состоит в нахождении отношения:

R = RrefNm/Nref. (2)

k &#39; k.

где Nm = 1/(k +1)^ (Nm). Nref = 1/(k +1)^(Nref), • Вычисление сопротивления термометра из (2)

возможно корректно только в том случае, если N(t,) = const во время одного измерения.

Предположим, что вследствие дрейфа параметров усилительного каскада N(ti ) медленно изменяется с течением времени так, что отсчеты АЦП при измерениях напряжений на эталонном резисторе и термометре можно представить в виде полиномов степени M:

N ref (t) —ao + Z ai (t - t0 У > t0 - t - tk ;