Резистивные детекторы температуры

Терморезистивные датчики

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

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. 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, например, 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 Т₆₈, а в градусах Цельсия — t₆₈. Международный Комитет по Весам и Мерам в сентябре 1989 года принял новую Международную темпе­ратурную шкалу (ITS-90). В ней температура в градусах Цельсия обозначает­ся как t₉₀. В таблице 16.2 приведены различия между этими двумя шкалами, которые важны при проведении прецизионных измерений.

Таблица 16.1. Эталонные температурные точки

* Тройная точка определяется равновесным состоянием трех фаз: твердой, жидкой и газовой.

Таблица 16.2. Разница температур между шкалами IPTS-68 и ITS-90

Источник: Sounders, P. The International Temperature Scale of 1990, ITS-90. WOCE Newsletter 10, 1990

Уравнение (3.58) главы З является хорошим аппроксимационным выражени­ем второго порядка для платины. В промышленности принято использовать от­дельные аппроксимации для низких и высоких температур. Каллендар-ван Дасен предложил следующее аппроксимационное выражение для передаточной функ­ции платинового детектора:

В диапазоне -200...0°С:

(16.10)

А в диапазоне О...63О°С это выражение становится идентичным уравнению (3.58) главы 3:

(16.11)

Константы А, В и С определяются свойствами платины. Ту же самую аппроксима­цию можно представить в следующем виде:

(16.12)

где t — температура в °С, а коэффициенты А, В и С определяются как:

(16.13)

Значениеполучается при калибровке детектора при высоких температурах (на­пример, в точке замерзания цинка(419.58°С)), а коэффициент— при калибров­ке при отрицательной температуре.

Для согласования со шкалой ITS-90 аппроксимацию Каллендар-ван Дасена необходимо уточнить. Это довольно сложная процедура, подробности кото­рой читатель может найти в описании этой шкалы. В других странах приняты другие документы по РТД. Например, в Европе это: BS 1904:1984, DIN 43760-1980, 1ЕС751:1983, а в Японии JISC1604-1981. В США разные компании разра­ботали свои собственные стандарты на коэффициенты а. Например, в стандар­те SAMA StandardRC21-4-1966 величинав то время как в евро­пейскомстандарте DINа в Британском стандарте — α=0.003900°C^-1.

Обычно РТД калибруются при стандартных температурах, которые мож­но воспроизвести в лабораторных условиях с высокой степенью точности (см. таблицу 16.1). Калибровка в таких точках позволяет очень точно определить коэффициенты аппроксимации α и δ.

Типичные допуски для проволочных РДТ равны ±10 МОм, что соответ­ствует ±0.025°С. Для обеспечения высокой точности измерений необходимо тщательно проектировать корпус РДТ, уделяя особое внимание его теплоизо­ляции. Это особенно важно при проведении измерений на высоких температурах, когда сопротивление изоляции резко падает. Например, резистор 10-МОм при тем­пературе 550°С обладает погрешностью порядка 3 МОм, что соответствует тем­пературной ошибке:

— 0.0075°С.