Резистивные датчики температуры

 

У резистивных датчиков температуры (РДТ) сопротивление меняется с изменением температуры. Не следует путать РДТ с терморезисторами, о которых речь пойдет ниже. Для изготовления РДТ применяется дорогостоящий платиновый провод, наматываемый на керамический каркас. Резистивные датчики температуры имеют величину сопротивления от 100 Ом до 1000 Ом. Типовой температурный коэффициент РТД составляет порядка 0.385 Ом/°С для 100 Ом платинового РДТ. РДТ более точны и линейны, чем термопары. На рис. 2.26 для сравнения показан температурный коэффициент 100 Ом РДТ и коэффициент Зеебека термопары типа S. Как видно из рисунка, по диапазону от 200 до 800 °С РДТ более линейны.

 

Температура, °C

 

 

Рис. 2.26. Резистивные датчики температуры (РДТ)

 

Резистивные датчики температуры являются пассивными датчиками и требуют наличия тока возбуждения. Поскольку ток, текущий через РТД, нагревает его, саморазогрев изменяет температуру РДТ и проявляется ошибка измерения. Таким образом, при разработке схем сопряжения с РДТ следует учитывать величины саморазогрева. Она не должна превышать 0.5 °С.

Изготовители различают ошибки, связанные с саморазогревом для различных номиналов и размеров РДТ в воздушном потоке и без него. Для того чтобы уменьшить ошибки из-за саморазогрева, следует использовать минимально возможные токи возбуждения для достижения требуемого разрешения системы и выбирать РДТ с наибольшими номиналами, дающими, однако, приемлемый по величине временной отклик.

 

 

Рис. 2.27. Подключение ПТ РДТ к АЦП с высоким разрешением

 

Как правило, РДТ подключают по мостовой схеме. Выход моста усиливается. На рис. 2.27 показан ПТ РДТ 100 Ом, питаемый током от источника тока возбуждения 400 мкА. Выходной сигнал датчика квантуется АЦП семейства AD77XX. Отметим, что источник тока возбуждения РДТ также создает опорное напряжение 2.5 В для АЦП, используя резистор 6.25 кОм. Изменение тока возбуждения не влияет на точность схемы, поскольку как входное напряжение, так и опорное напряжение измеряются относительным образом. В то же время резистор 6.25 кОм должен обладать как можно меньшим температурным коэффициентом, с тем, чтобы избежать ошибок измерения. Применение АЦП с высоким разрешением, в составе которого имеется усилитель с программируемым усилением (усиление от 1 до 128), исключает необходимость использования дополнительной нормирующей цепи [ 10 ].

Термисторы

Термисторы – это недорогие температурно-чувствительные резисторы. Их изготавливают из полупроводниковых материалов, которые имеют как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент. На рис. 2.28 показана зависимость сопротивления термистора с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) [NegativeTemperatureCoefficient – NTC]от температуры. Термистор является наиболее нелинейным устройством из рассмотренных ранее, но в то же время он наиболее чувствителен [ 11 ].

 

Температура, °C

 

Рис. 2.28. Поведение сопротивления термистора 10 кОм с ОТК

 

Рис. 2.29. Температурный коэффициент 10 кОм термистора с ОТК

Поскольку термисторы обладают высокой чувствительностью, они практически незаменимы для высокоскоростного определения температуры. Тем не менее следует учитывать, что термистор достаточно нелинеен (рис. 2.29), по этой причине требуется выполнение линеаризации для всех величин температуры, исключая только весьма узкий диапазон измерений.

Как следствие, термисторы применяются в узком диапазоне измерений.

Самый простой метод линеаризации термисторов – установка параллельного шунтирующего резистора (рис. 2.30, рис. 2.31).

Величина этого дискретного резистора рассчитывается из равенства

 

R ₌ RT RT RT 2⋅(1+ 3) − 2 RT RT 1⋅ 3,

RT RT 1+ 3− 2 RT 2

 

где RT 1 – сопротивление термистора при температуре Т 1,нижний предел температурного диапазона;

RT 3 – сопротивление термистора при температуре Т 3,верхний предел температурного диапазона;

RT 2 – сопротивление термистора при температуре Т 2,средняя точка температурного диапазона, Т 2 = (Т 1 + Т 3)/2.

Например, для термистора 10 кОм с ОТК RT 1 = 32650 Ом при 0 °С; RT 2 = 6532 Ом при 35 °С и RT 3 = 1752 Ом при 70 °С. Это приводит к величине R =5.17 кОм.

 

 

 

Рис. 2.30. Линеаризация термистора с ОТК путем подключения параллельного резистора 5.17 кОм

 

Рис. 2.31. Усилитель с линеаризованным термистором

 

 

Точность, необходимая для нормирующей схемы, зависит от линейности цепи. Для приведенного выше примера цепь дает нелинейность от –2.3 °С до +2.0 °С. Для дальнейшей линеаризации сигнал с выхода подается на АЦП (рис. 2.31). Отметим, что выходной сигнал цепи с термистором имеет величину около –10 мВ/°С, при этом разрешения 12-разрядного АЦП более чем достаточно.