Термоопору: Теорія

Нещодавно мені пощастило побувати на виробництві датчиків температури, а точніше на швейцарському підприємстві IST-AG, де роблять платинові і нікелеві термоопору (RTD).
З цього приводу публікую дві статті, в яких читач знайде досить докладний опис цього типу датчиків, путівник по основних етапах виробничого процесу і огляд можливостей, які з'являються при використанні тонкоплівкових технологій.

У першій статті розбираємося з теоретичної базою. Не дуже захоплююче, але дуже корисно.
Що таке термометри опору(вони ж — термоопору або RTD)

Спочатку має сенс розібратися з термінологією. Якщо ви добре знайомі з питанням, то сміливо переходьте до другої частини статті. А може бути і відразу до третьої.

Отже, під визначення «датчик температури» потрапляють тисячі самих різних виробів. Під датчиком можна розуміти і готове вимірювальний пристрій, де на дисплеї відображається значення температури в градусах, і інтегральну мікросхему з цифровим сигналом на виході, і просто чутливий елемент, на базі якого будуються всі інші рішення. Сьогодні ми говоримо тільки про чутливих елементах, які, втім, теж будемо називати словом «датчик».

Термометри опору, які також відомі як термоопору і RTD (Resistance Temperature Detector) — це чутливі елементи, принцип роботи якого добре зрозумілий з назви — електричне опір елемента зростає з підвищенням температури навколишнього середовища і навпаки. Ймовірно, ви чули про термосопротивлениях як про платинових датчиках температури типу Pt100, Pt500 і Pt1000 або як про датчиках 50М, 50П, 100М або 100П.

Іноді термоопору плутають з термісторами або термопарами. Всі ці датчики використовуються в подібних завданнях, але, навіть незважаючи на те, що термістори теж є перетворювачами температура-спротив, не можна плутати термоопору, термістори і термопари між собою. Про різницю в будові і призначення цих елементів написана вже тисяча статтею, так що я, мабуть, не буду повторюватися.

Відзначу головне: середній термометр опору коштує в рази дорожче, ніж середній термістор і термопара, але тільки термоопору мають лінійну вихідну характеристику. Лінійність характеристики, а також набагато більш високі показники точності і повторюваність результатів вимірювань, роблять термоопору затребуваними незважаючи на різницю в ціні.

Основні характеристики термоопорів

Якщо коротко, характеристики термоопорів можна розбити на три групи:
  1. Номінальна статична характеристика (НСХ) і точність
  2. Діапазон температур, на якому визначається НСХ і забезпечується заявлена точність
  3. Корпус датчика, тип і довжина висновків
На мій погляд, пояснень вимагає тільки перший пункт.

Номінальна статична характеристика (НСХ)

НСХ — це функція (на практиці частіше таблиця значень), яка визначає залежність опір-температура.

Залежність R(T), звичайно, не є абсолютно лінійним — насправді вихідна характеристика термоопору описується поліномом з відомими коефіцієнтами. У найпростішому випадку це поліном другого степеня R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2), де R0 — номінальний опір датчика, тобто значення опору при 0°C.



Вигляд полінома і його коефіцієнти описуються в різних національних і міжнародних стандартах. Чинний російський стандарт — ГОСТ 6651-2009. В Європі найчастіше використовують DIN 60751 (він же IEC-751), проте одночасно з ним діє DIN 43760, в Північній Америці популярний стандарт ASTM E1137 і так далі. Незважаючи на те що деякі стандарти узгоджені між собою в цілому картина досить сумна і єдиного індустріального стандарту по факту не існує.

Найбільш популярні типи термоопорів — це платинові датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 та ін), нікелеві (Ni 6180, Ni 6720 та ін) і мідні термоопору, наприклад Cu 4280. Кожному типу датчиків відповідає свій поліном R(T).



Наведені найменування містять назву металу, який використовується при виготовленні датчика, і коефіцієнт, який відображає нахил функції R(T) на відрізку від 0 до 100°C.



В різношерстих стандартах і, як наслідок, у специфікаціях на конкретні датчики, цей коефіцієнт може виражатися по-різному. Наприклад, для платинового датчика може бути вказаний коефіцієнт альфа рівний 0.00385 °C-1, або температурний коефіцієнт 0.385%/°C, або TCR = 3850 ppm/K, однак у всіх трьох випадках мається на увазі одна і та ж залежність R(T).

Використовуваний метал однозначно визначає ступінь полінома R(T), а коефіцієнти полінома визначаються температурним коефіцієнтом металу.

Наприклад, для всіх платинових датчиків функція R(T) має наступний вигляд:
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
де коефіцієнти вибираються в залежності від типу платини:
  • Pt 3850 ppm/K (найбільш поширена характеристика сучасних термоопорів)
    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 залишається затребуваною в РФ, т. к. в минулому вона була внесена до 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
Автомобільного стандарту Pt 3770 ppm/K, американському Pt 3750 ppm/K або японському Pt 3916 ppm/K будуть відповідати інші набори коефіцієнтів.

Та ж логіка діє для міді і нікелю. Наприклад, НСХ всіх нікелевих датчиків описується поліномом шостого ступеня:
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T2 + C x T3 + D x T4 + E x T5 + F x T6), де коефіцієнти визначаються температурним коефіцієнтом нікелю (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K і т. д.).

Залишилося сказати про останній параметр НСХ термометрів опору — про номінальний опір R0. Найчастіше використовуються датчики зі стандартним R0 — 50, 100, 500 або 1000 Ом, однак іноді потрібні тремосопротивления з R0 = 2000 і навіть 10000 Ом, а також датчики з «не кратним» номінальним опором.



Тобто кожному типу термоопору може відповідати кілька НСХ з різними номінальними опору R0. Для найбільш поширених в РФ характеристик використовують стандартні позначення: Pt100 і Pt1000 відповідають платині з температурним коефіцієнтом 3850 ppm/K і R0 = 100 і 1000 Ом відповідно. Успадковані з радянських довідників позначення 50П і 100П — це датчики з платини з коефіцієнтом 3911 ppm/K і R0 = 50 і 100 Ом, а датчики відомі як 50М та 100М — це мідь 4280 ppm/K з номінальним опором 50 і 100 Ом.

Точність датчика

Точність термоопору — це те, наскільки залежність R(T) реального датчика може відхилитися від ідеальної НСХ. Для позначення точності термоопорів використовують поняття класу допуску (від ж клас точності).

Клас допуску визначає максимальне допустиме відхилення від номінальної характеристики, причому задається це відхилення як функція температури — при нулі градусів фіксується найменше припустиме відхилення, а при зменшенні або збільшенні температури діапазон допустимих значень лінійно збільшується.



Коли справа стосується класів допуску, бардак в діючих стандартах тільки посилюється — навіть назви класів у різних джерелах можуть відрізнятися.








Інші назви Допуск, °С
Клас АА
Class Y
1/3 DIN
1/3 B
F 0.1 (якщо мова про тонкопленочном датчику)
W 0.1 (якщо мова про намоточном датчику)
±(0.1 + 0.0017 |T|)
Клас A
1/2 DIN
1/2 B
F 0.15 (якщо мова про тонкопленочном датчику)
0.15 W (якщо мова про намоточном датчику)
±(0.15 + 0.002 |T|)
Клас B
DIN
F 0.3 (якщо мова про тонкопленочном датчику)
W 0.3 (якщо мова про намоточном датчику)
±(0.3 + 0.005 |T|)
Клас C
Class 2B
Class BB
F 0.6 (якщо мова про тонкопленочном датчику)
W 0.6 (якщо мова про намоточном датчику)
±(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|)
Наведені в таблиці допуски відповідають більшості діючих стандартів для платинових датчиків 3850 ppm/K, включаючи ГОСТ і європейський DIN 60751 (IEC-751), який з великою натяжкою можна назвати загальноприйнятим.
Однак і тут є виняткиНаприклад, в американському стандарті ASTM E1137 класи допуску платинових датчиків іменуються Grade і визначаються інакше:



Grade A ±(0.25 + 0.0042 |T|) Grade B ±(0.13 + 0.0017 |T|)
Якщо ж говорити про платині з іншими температурними коефіцієнтами або про нікелевих і мідних датчиках, то можна виявити й інші визначення допусків.

Клас допуску описує не тільки максимальну величину допуску, але й діапазон температур, на якому цей допуск гарантується. Ви, напевно, вже здогадалися, що в різних стандартах ці діапазони можуть істотно відрізнятися. Це дійсно так, причому діапазон температур залежить не тільки від класу допуску і типу датчика, але й від технології, за якою виконаний датчик — у намотувальних датчиків діапазон завжди ширше.
Про те, що таке намотувальні і тонкоплівкові датчики — трохи нижче.
На картинці — каси допуску для платинових датчиків з температурним коефіцієнтом 3850 за стандартом DIN 60751 (IEC-751).



Визначення класів допуску для тонкоплівкових і намотувальних платинових датчиків Pt 3850 ppm/K







Тонкоплівковий датчик Pt 3850 ppm/K Намоточный датчик Pt 3850 ppm/K Клас допуску Діапазон температур Клас допуску Діапазон температур DIN 60751 (IEC-751) / ГОСТ DIN 60751 (IEC-751) ГОСТ Клас АА
(F 0.1)
0… +150°З Клас АА
(W 0.1)
-100… +350°С -50… +250°С Клас
(F 0.15)
-30… +300°З Клас
(0.15 W)
-100… +450°З Клас B
(F 0.3)
-30… +500°З Клас B
(W 0.3)
-196… +600°С -196… +660°С Клас
(F 0.6)
-50… +600°З Клас
(W 0.6)
-196… +600°С -196… +660°С

До речі, якщо в документації на термоопір вказаний діапазон вимірюваних температур, який ширше діапазону, передбаченого зазначеним класом допуску, то заявлений клас допуску не буде діяти на всьому робочому діапазоні. Наприклад, якщо датчик Pt1000 класу A призначений для вимірювання температур від -200 до +600°C, то він буде мати точність ±(0.15+0.002|T|) тільки при температурах до +300°C, а далі швидше за все буде забезпечуватися клас Ст.

Я наводжу всі ці подробиці про термінологію і розбіжності в стандартах щоб донести одну просту думку: вибираючи термоопір легко заплутатися і невірно витлумачити характеристики елемента. Важливо розуміти, які саме вимоги ви пред'являєте до елементу (в абсолютних цифрах, а не в класах) і порівнювати їх з абсолютними цифрами документації на конкретний датчик.

Структура термометрів опору

Отже, термоопору являють собою резистори, виконані з платини або, рідше, з нікелю або міді. Вище вже згадувалися дві технології — намоточная (дротова) і тонкоплівкова.

Намотувальні датчики — це термоопору, виконані на основі спіралей з металевого дроту. Існує два основних способи виготовлення навивальних датчиків. У першому випадку дріт намотується на скляний або керамічний циліндр, після чого конструкція покривається ізолюючим шаром з скла. Другий спосіб — це приміщення металевих спіралей в канали всередині керамічного циліндра.

При виготовленні тонкоплівкових сенсорів на керамічну підкладку напилюється тонкий шар металу, який утворює струмопровідну доріжку, так званий меандр. Після цього датчик покривається ізолюючим шаром з скла.



Більшість сучасних термоопорів виконується за однією з цих трьох технологій. У джерелах зустрічаються суперечливі думки про те, яка конструкція більш стійка до вібрацій або перепадів температур. Оцінки вартості датчиків різних конструкцій теж сильно різняться.

Насправді принципових відмінностей між характеристиками датчиків різної конструкції немає, ціни на тонкоплівкові та намотувальні датчики також знаходяться в одному діапазоні.

В більшості випадків зовсім не важливо як саме влаштована датчик — при виборі компонента має значення тільки співвідношення ціни і характеристик конкретного елемента (потрібно тільки не забувати що класи допуску для тонкоплівкових датчиків визначені на більш вузькому діапазоні температур). Однак у деяких завданнях тонкоплівкові датчики свідомо віддають перевагу намоточным. На це є три головні причини:
  1. Високі номінальні опору. Тонкоплівкова технологія дозволяє виробляти датчики з R0=1000 Ом тією ж ціною, що і датчики з номінальним опором 50, 100 або 500 Ом. До того ж, виготовляються датчики і з більш високим номінальним опором, наприклад 2000 і 10000 Ом.
  2. Малий розмір. Тонкоплівковий датчик можна зробити набагато більш мініатюрним порівняно з намоточным. Стандартний датчик Pt1000, наприклад, може мати габарити всього 1.6 x 1.2 мм.
  3. Прямокутна форма і мініатюрний розмір плівкових датчиків дозволяють випускати не тільки вивідні термоопору, але і SMD-компоненти стандартних розмірів — 1206, 0805 і так далі.
У тонкоплівкової технології є й інші цікаві властивості, що дозволяють, наприклад, скоротити час відгуку датчика температури або виготовити на базі термоопорів датчики швидкості потоку. Про це будемо говорити в наступній статті, яка повністю присвячена процесу виготовлення тонкоплівкових датчиків.

Висновок
У висновку традиційно дякую за увагу читача і нагадую, що питання щодо застосування продукції, про яку ми пишемо на хабре, можна також задавати на email, вказаний в моєму профілі.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.