Термосопротивления: Теория

    Недавно мне повезло побывать на производстве датчиков температуры, а точнее на швейцарском предприятии IST-AG, где делают платиновые и никелевые термосопротивления (RTD).

    По этому поводу публикую две статьи, в которых читатель найдет довольно подробное описание этого типа датчиков, путеводитель по основным этапам производственного процесса и обзор возможностей, которые появляются при использовании тонкопленочных технологий.



    В первой статье разбираемся с теоретической базой. Не слишком увлекательно, но весьма полезно.

    Что такое термометры сопротивления

    (они же — термосопротивления или RTD)

    Сначала имеет смысл разобраться с терминологией. Если вы хорошо знакомы с вопросом, то смело переходите ко второй части статьи. А может быть и сразу к третьей.

    Итак, под определение «датчик температуры» попадают тысячи самых разных изделий. Под датчиком можно понимать и готовое измерительное устройство, где на дисплее отображается значение температуры в градусах, и интегральную микросхему с цифровым сигналом на выходе, и просто чувствительный элемент, на базе которого строятся все остальные решения. Сегодня мы говорим только о чувствительных элементах, которые, впрочем, тоже будем называть словом «датчик».

    Термометры сопротивления, которые также известны как термосопротивления и RTD (Resistance Temperature Detector) — это чувствительные элементы, принцип работы которого хорошо понятен из названия — электрическое сопротивление элемента растет с увеличением температуры окружающей среды и наоборот. Вероятно вы слышали о термосопротивлениях как о платиновых датчиках температуры типа Pt100, Pt500 и Pt1000 или как о датчиках 50М, 50П, 100М или 100П.

    Иногда термосопротивления путают с термисторами или термопарами. Все эти датчики используются в похожих задачах, но, даже несмотря на то что термисторы тоже являются преобразователями температура-сопротивление, нельзя путать термосопротивления, термисторы и термопары между собой. О разнице в строении и назначении этих элементов написана уже тысяча статьей, так что я, пожалуй, не буду повторяться.

    Отмечу главное: средний термометр сопротивления стоит в разы дороже, чем средний термистор и термопара, но только термосопротивления имеют линейную выходную характеристику. Линейность характеристики, а также гораздо более высокие показатели по точности и повторяемости результатов измерений, делают термосопротивления востребованными несмотря на разницу в цене.

    Основные характеристики термосопротивлений



    Если коротко, характеристики термосопротивлений можно разбить на три группы:

    1. Номинальная статическая характеристика (НСХ) и точность
    2. Диапазон температур, на котором определяется НСХ и обеспечивается заявленная точность
    3. Корпус датчика, тип и длина выводов

    На мой взгляд, пояснений требует только первый пункт.

    Номинальная статическая характеристика (НСХ)

    НСХ — это функция (на практике чаще таблица значений), которая определяет зависимость сопротивление-температура.

    Зависимость R(T), конечно, не является абсолютно линейной — на самом деле выходная характеристика термосопротивления описывается полиномом с известными коэффициентами. В простейшем случае это полином второй степени R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2), где R0 — номинальное сопротивление датчика, то есть значение сопротивления при 0°C.


    Вид полинома и его коэффициенты описываются в различных национальных и международных стандартах. Действующий российский стандарт — ГОСТ 6651-2009. В Европе чаще используют DIN 60751 (он же IEC-751), однако одновременно с ним действует DIN 43760, в Северной Америке популярен стандарт ASTM E1137 и так далее. Несмотря на то что некоторые стандарты согласованы между собой, в целом картина довольно печальная и единого индустриального стандарта по факту не существует.

    Наиболее популярные типы термосопротивлений — это платиновые датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 и др.), никелевые (Ni 6180, Ni 6720 и др.) и медные термосопротивления, например Cu 4280. Каждому типу датчиков соответствует свой полином R(T).


    Приведенные наименования содержат название металла, который используется при изготовлении датчика, и коэффициент, который описывает отношение сопротивления датчика при 0 к сопротивлению при 100°C. Этот коэффициент, вместе со значением R0, определяет наклон функции R(T).


    В разношерстных стандартах и, как следствие, в спецификациях на конкретные датчики, этот коэффициент может выражаться по-разному. Например, для платинового датчика может быть указан коэффициент альфа равный 0.00385 °C-1, или температурный коэффициент 0.385%/°C, или TCR = 3850 ppm/K, однако во всех трех случаях подразумевается одна и та же зависимость R(T).

    Используемый металл однозначно определяет степень полинома R(T), а коэффициенты полинома определяются температурным коэффициентом металла.

    Например, для всех платиновых датчиков функция R(T) имеет следующий вид:

    R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2) при T > 0
    R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x (T-100) x T3) при T < 0
    где коэффициенты выбираются в зависимости от типа платины:

    • Pt 3850 ppm/K (наиболее распространенная характеристика современных термосопротивлений)
      A = 3.9083 x 10-3 °C-1
      B = -5.775 x 10-7 °C-2
      C = -4.183 x 10-12°C-4

    • Pt 3911 ppm/K (характеристика остается востребованной в РФ, т.к. в прошлом только она была внесена в ГОСТ)
      A = 3.9692 x 10-3 °C-1
      B = -5.829 x 10-7 °C-2
      C = -4.3303 x 10-12°C-4

    Автомобильному стандарту Pt 3770 ppm/K, американскому Pt 3750 ppm/K или японскому Pt 3916 ppm/K будут соответствовать другие наборы коэффициентов.

    Та же логика действует для меди и никеля. Например, НСХ всех никелевых датчиков описывается полиномом шестой степени:

    R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x T3 + D x T4 + E x T5 + F x T6)
    где коэффициенты определяются температурным коэффициентом никеля (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K и т.д.).

    Осталось сказать о последнем параметре НСХ термометров сопротивления — о номинальном сопротивлении R0. Чаще всего используются датчики со стандартным R0 — 50, 100, 500 или 1000 Ом, однако иногда требуются тремосопротивления с R0 = 2000 и даже 10000 Ом, а также датчики с «не кратным» номинальным сопротивлением.


    То есть каждому типу термосопротивления может соответствовать несколько НСХ с разными номинальными сопротивлениями R0. Для наиболее распространенных в РФ характеристик используют стандартные обозначения: Pt100 и Pt1000 соответствуют платине с температурным коэффициентом 3850 ppm/K и R0 = 100 и 1000 Ом соответственно. Унаследованные из советских справочников обозначения 50П и 100П — это датчики из платины с коэффициентом 3911 ppm/K и R0 = 50 и 100 Ом, а датчики известные как 50М и 100М — это медь 4280 ppm/K с номинальным сопротивлением 50 и 100 Ом.

    Точность датчика
    Точность термосопротивления — это то, насколько зависимость R(T) реального датчика может отклониться от идеальной НСХ. Для обозначения точности термосопротивлений используют понятие класса допуска (от же класс точности).

    Класс допуска определяет максимальное допустимое отклонение от номинальной характеристики, причем задается это отклонение как функция температуры — при нуле градусов фиксируется наименьшее допустимое отклонение, а при уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.


    Когда дело касается классов допуска, бардак в действующих стандартах только усугубляется — даже названия классов в разных источниках могут отличаться.
    Другие названия Допуск, °С
    Класс АA
    Class Y
    1/3 DIN
    1/3 B
    F 0.1 (если речь о тонкопленочном датчике)
    W 0.1 (если речь о намоточном датчике)
    ±(0.1 + 0.0017 |T|)
    Класс A
    1/2 DIN
    1/2 B
    F 0.15 (если речь о тонкопленочном датчике)
    W 0.15 (если речь о намоточном датчике)
    ±(0.15 + 0.002 |T|)
    Класс B
    DIN
    F 0.3 (если речь о тонкопленочном датчике)
    W 0.3 (если речь о намоточном датчике)
    ±(0.3 + 0.005 |T|)
    Класс C
    Class 2B
    Class BB
    F 0.6 (если речь о тонкопленочном датчике)
    W 0.6 (если речь о намоточном датчике)
    ±(0.6 + 0.01 |T|)
    - Class K
    1/10 DIN
    ±(0.03 + 0.0005 |T|)
    - Class K
    1/5 DIN
    ±(0.06 + 0.001 |T|)

    Приведенные в таблице допуски соответствуют большинству действующих стандартов для платиновых датчиков 3850 ppm/K, включая ГОСТ и европейский DIN 60751 (IEC-751), который с большой натяжкой можно назвать общепринятым.

    Однако и здесь есть исключения
    Например, в американском стандарте ASTM E1137 классы допуска платиновых датчиков именуются Grade и определяются иначе:
    Grade A ±(0.25 + 0.0042 |T|)
    Grade B ±(0.13 + 0.0017 |T|)


    Если же говорить о платине с другими температурными коэффициентами или о никелевых и медных датчиках, то можно обнаружить и другие определения допусков.

    Класс допуска описывает не только максимальную величину допуска, но и диапазон температур, на котором этот допуск гарантируется. Вы, наверное, уже догадались, что в разных стандартах эти диапазоны могут существенно отличаться. Это действительно так, причем диапазон температур зависит не только от класса допуска и типа датчика, но и от технологии, по которой выполнен датчик — у намоточных датчиков диапазон всегда шире.
    О том, что такое намоточные и тонкопленочные датчики — чуть ниже.

    На картинке — кассы допуска для платиновых датчиков с температурным коэффициентом 3850 по стандарту DIN 60751 (IEC-751).



    Определения классов допуска для тонкопленочных и намоточных платиновых датчиков Pt 3850 ppm/K
    Тонкопленочный датчик Pt 3850 ppm/K Намоточный датчик Pt 3850 ppm/K
    Класс допуска Диапазон температур Класс допуска Диапазон температур
    DIN 60751 (IEC-751) / ГОСТ DIN 60751 (IEC-751) ГОСТ
    Класс АА
    (F 0.1)
    0… +150°С Класс АА
    (W 0.1)
    -100… +350°С -50… +250°С
    Класс А
    (F 0.15)
    -30… +300°С Класс А
    (W 0.15)
    -100… +450°С
    Класс B
    (F 0.3)
    -50… +500°С Класс B
    (W 0.3)
    -196… +600°С -196… +660°С
    Класс С
    (F 0.6)
    -50… +600°С Класс С
    (W 0.6)
    -196… +600°С -196… +660°С


    К слову, если в документации на термосопротивление указан диапазон измеряемых температур, который шире диапазона, предусмотренного указанным классом допуска, то заявленный класс допуска не будет действовать на всём рабочем диапазоне. Например, если датчик Pt1000 класса A предназначен для измерения температур от -200 до +600°C, то он будет иметь точность ±(0.15+0.002|T|) только при температурах до +300°C, а дальше скорее всего будет обеспечиваться класс В.

    Я привожу все эти подробности о терминологии и разночтениях в стандартах чтобы донести одну простую мысль: выбирая термосопротивление легко запутаться и неверно истолковать характеристики элемента. Важно понимать какие именно требования вы предъявляете к элементу (в абсолютных цифрах, а не в классах) и сравнивать их с абсолютными цифрами из документации на конкретный датчик.

    Структура термометров сопротивления



    Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.

    Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.

    При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.


    Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.

    На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.

    В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:

    1. Высокие номинальные сопротивления. Тонкопленочная технология позволяет производить датчики с R0=1000 Ом той же ценой, что и датчики с номинальным сопротивлением 50, 100 или 500 Ом. К тому же, изготавливаются датчики и с более высоким номинальным сопротивлением, например 2000 и 10000 Ом.

    2. Малый размер. Тонкопленочный датчик можно сделать гораздо более миниатюрным по сравнению с намоточным. Стандартный датчик Pt1000, например, может иметь габариты всего 1.6 x 1.2 мм.

    3. Прямоугольная форма и миниатюрный размер пленочных датчиков позволяют выпускать не только выводные термосопротивления, но и SMD-компоненты стандартных размеров — 1206, 0805 и так далее.

    У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.

    Заключение


    В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

    upd #1: Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.

    upd #2: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru
    ЭФО 48,62
    Поставки электронных компонентов
    Поделиться публикацией
    Комментарии 14
    • 0
      А на первом фото — это что? Поясните, пожалуйста…
      • 0
        Так термосопротивления на фото и есть.
        Только что изготовленные, свеженькие.
    • +2
      Спасибо за статью, интересно.
      Отдельный респект за картинки. Всё-таки, в нынешнем засилье машинной графики нарисованные от руки (или хорошо стилизованные под это) рисунки выглядят мило.

      Про тонкоплёночные датчики — а ещё они супер дешёвые! Поэтому можно спокойно напокупать всяких Pt100 и Pt1000 для экспериментов.
      Ну, и немаловажно, что тонкоплёночные датчики обладают малой инерционностью и теплоёмкостью — поэтому ими удобно регистрировать температуру, просто прислонив датчик к поверхности (хотя, конечно, это не совсем корректно)
      • +2
        Отдельный респект за картинки. Всё-таки, в нынешнем засилье машинной графики нарисованные от руки (или хорошо стилизованные под это) рисунки выглядят мило.
        Спасибо! Мне тоже они очень нравятся, вот и сижу-рисую.

        Про тонкоплёночные датчики — а ещё они супер дешёвые! Поэтому можно спокойно напокупать всяких Pt100 и Pt1000 для экспериментов.
        Кстати обращайтесь, я пишу статьи из вполне корыстных побуждений — держу на складе выводные датчики в розницу от 3.6 евро, а SMD-шки от 0.98.

        Ну, и немаловажно, что тонкоплёночные датчики обладают малой инерционностью и теплоёмкостью — поэтому ими удобно регистрировать температуру, просто прислонив датчик к поверхности (хотя, конечно, это не совсем корректно)

        Да, я во второй статье упоминаю тонкопленочные датчики, которые изготавливаются специально для контакта с поверхностью объекта измерений. У самого сенсорного элемента металлизируется тыльная сторона, а потом он приклеивается / припаивается к контактной площадке.

        На фотографии видно несколько таких датчиков, например, черный датчик по центру (эта конструкция гнется чтобы лучше прилегать к поверхности), датчик с оранжевой площадкой чуть правее и датчик, выполненный прямо на металлической детали справа.



        Я статью, наверное, завтра выложу, но для интересующихся такими датчиками — обзор на английском, смотреть пятую страницу.
        • +1
          держу на складе выводные датчики в розницу от 3.6 евро, а SMD-шки от 0.98

          Хм. Неплохо. Даже у китайцев по полтора (правда, поштучно и с доставкой)
          • +1
            У нас можно поштучно, но нет бесплатной доставки и есть ограничение на минимальную сумму заказа — около 15 баксов.

            А вообще говоря, я никогда не видела смысла соревноваться в цене с «Быстрый Свободный Корабль PT100 PT1000 платины термистора» :-) Датчики, произведенные в Швейцарии всегда будут дороже.

            Если стоимость — главный критерий выбора, то мы все знаем на каких сайтах искать датчики (или любые другие компоненты). Продукция IST больше ориентирована на использование в серийных изделиях, где важнее иметь адекватную техподдержку, гарантии качества и стабильные поставки, чем купить самые дешевый компонент. Тем более что экономия, как вы заметили, не так уж велика.
          • 0
            Не уверен, что там платиновые датчики, нужно тестировать. Возможно терморезистор специальный, в некотором температурном диапазоне ведет себя как платиновый, но не такой стабильный и вне диапазона нарастает ошибка.

            Сам ради интереса делал аналог платинового датчика из медной проволоки тонкой и «балансировочных» резисторов последовательно с катушкой. Это нужно потому что наклон кривой у меди выше чем у платины, но с «разбавлением» меди обычным резистором наклон кривой становится как у платиновых. В небольшом температурном диапазоне вполне рабочий, для измерения комнатной температуры, например, где типично 18-22 градуса, да и точности высокой не требовалось. Подключил к климатическому контроллеру взамен родного Pt1000 и оказалось вполне работоспособное решение. Из плюсов, таким образом можно делать термосопротивление любого номинала, в пределах разумного конечно, на 1000 Ом уже нужно метров 50 проволоки тонкой (0.01 мм возможно была толщина), для датчика в 100 Ом нужно будет меньше, а датчик в 33 Ом иначе и не сделать.
          • 0
            Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.
        • 0
          Поясните, пожалуйста, -почему на 4-м графике (Pt 100, Pt 500, Pt 1000,) прямые изображены с разным наклоном? Ведь число в обозначении НСХ датчика обычно указывает на сопротивление при 0° С, а коэффициент альфа для платины один и тот же на довольно большом участке.
          • 0
            Это хороший вопрос. Наклон характеристики термосопротивления определяет не только температурный коэффициент.

            Смотрите, НСХ определяется по формуле

            R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2) при T > 0
            R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x (T-100) x T3) при T < 0

            Коэффициенты A, B и C у Pt100, Pt500 и Pt1000 одинаковы, разница только в значении R0, которое, в данном случае, и определяет разницу между наклонами графиков.

            Напомню, температурный коэффициент, он же альфа-коэффициент, вычисляется как (R100-R0)/R0 или (R100-R0)/(100*R0) — в любом случае, и для Pt100, и для Pt500, и для Pt1000 дробь сократится и получится одно и то же значение.

            Поэтому температурный коэффициент металла выражается не в абсолютных цифрах, а в °C-1, %/°C или ppm/K.

            • 0
              Спасибо, увидел свою ошибку, -надо бы конспекты перечитать…

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

          Самое читаемое