У этого типа датчиков есть несколько названий. Зарубежное сокращение RTD - Resistance Temperature Detector. Наше сокращение РДТ - Резистивные датчики температуры. Термопреобразователи сопротивления. Термометры сопротивления.
Очень важно отличать данный тип датчиков, измерительных элементов, от термисторов. Они действительно похожи, но только на первый взгляд. О термисторах речь пойдет в следующей статье.
Как устроен и работает терморезистивный датчик
Довольно просто. В большинстве случаев такие датчики изготавливают из очень тонкой платиновой проволоки или пленки. А это автоматически делает их далеко не самыми дешевыми. Платина металл дорогой. Поэтому сегодня чаще изготавливают тонкопленочные варианты датчиков, когда на керамической подложке наносится дорожка из пленки платины
То есть, терморезистивный датчик можно считать обычным проволочным или тонкопленочным резистором, но изготовленным из платины. Вообще, терморезистивный датчик можно изготовить не только из платины, но и других металлов. Платина была выбрана из-за термостойкости и линейности изменения сопротивления.
Работа терморезистивных датчиков основана на зависимости удельного сопротивления материала, из которого изготовлен датчик, от температуры
Эта формула верна для относительно небольшой разницы температур. И здесь хорошо видно, что зависимость удельного сопротивления от температуры линейная. Для полного диапазона температур все немного сложнее, но об этом позже.
Существует несколько стандартных сопротивлений резистивных термодатчиков, которые измеряются при 0 градусов Цельсия. Чаще всего встречаются датчики с сопротивлением 100 Ом и 1 кОм.
Чувствительность и линейность
При 20 градусах Цельсия ТКС платины равен примерно 3927 ppm/K, или 0.003927. Это и определяет чувствительность датчиков.
Нельзя считать ТКС неизменным и равным приведенному выше значению. Он зависит от многих факторов, включая технологические. Например для датчиков серии M213 производства Heraeus Sensor Technology в документации указан ТКС=3850 ppm/K. А для датчиков серии HEL-700 производства Honeywell в документации указан разный ТКС, для датчиков сопротивлением 100 Ом ТКС= 0.00385, а для датчиков сопротивлением 1 кОм ТКС=0.00375.
Более того, от температуры зависит не только удельное сопротивление, но и ТКС. А значит, характеристика датчиков не совсем линейная. Но по сравнению с характеристикой термопар ее все таки можно считать образцом линейности.
На этой иллюстрации видно, хоть и не очень хорошо, нелинейность зависимости сопротивления от температуры.
Дело в том, что зависимость удельного сопротивления от температуры включает в себя и другие коэффициенты, причем зависящие от более высоких степеней температуры
Для положительных температур коэффициент β=0. А значит, полином ограничивается квадратом температуры. В других источниках полином может выглядеть немного иначе. Например, часто исключается зависимость от четвертой степени температуры.
Коэффициент b на 4 порядка меньше коэффициента а. А коэффициент с меньше на 9 порядков. То есть, их влияние незначительно и проявляется действительно при высоких температурах.
А значит, линейность терморезистивных датчиков действительно довольно высокая, что иногда позволяет отказаться от лианеризации.
Таблица зависимости сопротивления датчика от температуры часто приводится в документации на датчик. При этом существуют и стандартизованные таблицы (International Industrial Standard IEC 60751): Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000, Pt2000. Число это номинальное сопротивление датчика в Омах.
Измерение температуры с помощью терморезистивных датчиков
Довольно очевидно, что измерение температуры сводится к измерению сопротивления датчика. То есть, достаточно простого омметра? Не все так просто. И дело даже не в том, что чувствительность датчика не высока, а значит, нужен омметр с растянутой шкалой.
Просто, как и всегда, появляется старательно прячущийся в деталях дьявол. Давайте рассмотрим две основные проблемы, которые новички часто упускают из виду, и некоторые пути их решения.
Проблема первая, сопротивление соединительных проводов
Датчик температуры совершенно не обязательно устанавливается на той же печатной плате, что и схема измерения. И расстояние между датчиком и схемой измерения может быть большим. А значит, у нас появляются соединительные проводники. Примерно так
Здесь RTD это датчик температуры, а Rпр это сопротивление проводников. Поскольку для измерения температуры нам надо измерять сопротивление датчика, схема измерения показана в виде омметра.
На самом деле, тут не одна проблема, а сразу несколько. Самая очевидная - измеряемое омметром сопротивление теперь включает в себя и сопротивление проводов. А значит, мы не можем пользоваться таблицей температура-сопротивление из документации на датчик.
На первый взгляд, проблема не сложная, так как сопротивление проводов постоянно и его легко учесть. Но при более внимательном рассмотрении выясняется, что сопротивление проводов тоже зависит не только от их длины, но и от температуры. Причем температура соединительных проводников может быть разной по длине провода.
Эту проблему можно решить двумя основными способами. Первый, классический, использование мостовой схемы измерения, что позволяет скомпенсировать сопротивление проводов и, в некоторых случаях, их ТКС. Второй, использовать четырехпроводную схему подключения датчика.
В первом случае усложняется схема, зато датчик подключается по прежнему по 2 проводам. Во втором случае схема проще, а точность выше (компенсация лучше), но требуется в два раза больше соединительного кабеля.
Мостовая схема включения датчика
Это настолько классическая схема, что она вряд ли нуждается в особых комментариях. Здесь R1 это наш резистивный датчик температуры. Условно, можно считать, что его сопротивление равно R+ΔR. E это напряжение питания моста.
Условие баланса моста R1/R3=R2/R4, при этом выходное напряжение равно нулю. Изменяя сопротивление резистора R2 мы можем сбалансировать мост при нулевой температуре, что бы учесть влияние соединительных проводов до датчика. После этого на баланс моста будет влиять только ΔR. То есть, сопротивление соединительных проводов будет скомпенсировано.
Но не их ТКС. Для компенсации ТКС можно последовательно с R2 включить терморезистор. Но он скомпенсирует влияние температуры только в точке установки.
Другой особенностью такой схемы включения датчика, о которой редко вспоминают, является нелинейность передаточной характеристики.
Здесь сопротивление всех плеч моста принято одинаковым и равным R. Можно питать мост не от источника напряжения, а от источника тока. Это позволит снизить нелинейность в два раза. Я не буду приводить формулу для этого случая.
Передаточную характеристику можно сделать линейной немного изменив схему моста
Однако, в этой схеме ТКС соединительных проводов по прежнему остается нескомпенсированном. Существует вариант подключения датчика к мосту по 3-проводной схеме, однако и в этом случает ТКС оказывается не полностью скомпенсированным.
4-проводное подключение датчика (подключение Кельвина)
Идея такого подключения очень проста, разделить силовые и сигнальные провода
Здесь I это ток источника тока питающий датчик, а Rпр это сопротивление соединительных проводов.
При таком включении сопротивление соединительных проводов (в разумных пределах) не оказывает влияния на падение напряжения на сопротивлении датчика. А значит, скомпенсированным оказывается и ТКС проводов.
По сути, эту схему можно рассматривать как дифференциальный вольтметр, измеряющий падение напряжения на датчике от стабильного тока формируемого источником тока в схеме измерения.
Проблема вторая, саморазогрев датчика
А вот об этой проблеме новички вспоминают довольно редко! Поэтому рассмотреть ее надо обязательно.
Дело в том, что протекающий через датчик (в процессе измерения сопротивления) ток не только вызывает падение напряжения на нем, но и приводит к выделению на нем мощности, которая и приводит к нагреву датчика. А это искажает результат измерения температуры.
Насколько будут искажены результату измерения? Что бы дать точный ответ нужно учесть тепловые параметры среды измерения и тепловые сопротивления между ней и измерительным элементом датчика.
Поскольку производитель датчика не знает условия его применения, документации указывается лишь коэффициент саморазогрева, который по сути является тепловым сопротивлением измерительный элемент-среда.
Так для уже упоминавшегося датчика серии M213 производства Heraeus Sensor Technology коэффициент саморазогрева равен 0.6К/мВт при 0 градусов Цельсия. Давайте оценим погрешность датчика сопротивлением 100 Ом при токе 10 мА. Выделяющаяся на датчике мощность при таком токе будет равна 10 мВт. А это даст погрешность измерения 6 градусов!
Можно ли избавиться от погрешности сделав цикл измерения коротким, а сами измерения редкими? В общем случае, нет. Во всяком случае, для современных тонкопленочных датчиков. Их тепловая инерция мала, поэтому разогрева собственно измерительного элемента полностью избежать не получится.
Поэтому, для уменьшения погрешности из-за саморазогрева ток через датчик должен быть ограничен. Так для датчика сопротивлением 100 Ом, который мы и рассматривали, рекомендуемый ток лежит в пределах 0.3-1.0 мА (по документации). А для датчика сопротивлением 1 кОм рекомендуемый ток лежит в пределах 0.1-0.3 мА.
Кстати, явление саморазогрева датчика температуры в процессе измерения касается не только резистивных датчиков температуры. Оно касается и полупроводниковых датчиков, и датчиков с цифровым выходом. Причем в датчиках с цифровым выходом ощутимый вклад в саморазогрев вносит собственно схема преобразования и формирования выходного сигнала. И если измерительный элемент находится на одном кристалле со схемой обработки (как в DS1820), то при высокой частоте опроса датчика он начинает выдавать неверные данные. И это не неисправность датчика, это ошибка разработчика устройства, которое измеряет температуру (а не разработчика датчика).
Заключение
Резистивные датчики температуры являются точными и линейными для очень многих применений. Использовать их проще, чем термопары. Но они обладают меньшим диапазоном измеряемых температур. Для них не нужна компенсация опорной температуры (опорного спая), но нужно следить за саморазогревом. При этом цена датчиков относительно высокая (платина) и они являются аналоговыми.
И еще раз хочу заметить, что резистивные датчики температуры не надо путать с термисторами.