Платиновые датчики температуры Heraeus

Компания Heraeus Sensor Techology (Германия) хорошо известна на рынке датчиков температуры. Она выпускает только тонкопленочные платиновые датчики. Датчики можно условно разделить на следующие группы:

• выводные датчики температуры общего применения
• безвыводные (SMD) датчики температуры общего применения
• корпусированные датчики температуры для автомобильного применения
• датчики температуры специального назначения (на высокие – более 1000°С и низкие – менее -100° С)

Преимуществами датчиков на основе платины являются

• высокая точность
• долгий срок службы
• долговременная стабильность параметров
• линейность характеристики во всем рабочем диапазоне

Основные области промышленности, которые стабильно потребляют платиновые датчики температуры - это:

• Системы промышленной автоматики
• Автомобильная электроника (исключая отечественную, где массово используются устаревшие и деградирующие, но дешевые термисторы)
• Системы вентиляции и кондиционирования
• Пищевая и фармацевтическая промышленность
• Нефтехимия и органический синтез
• Медицина
• Метеорология
• Бытовая техника (плиты, стиральные машины, кондиционеры и т.д.)
• Авиация

Тонкопленочные датчики температуры изготавливаются методом вакуумного напыления платины на подложку из Al₂O₃ с последующей фотолитографией по полученной пленке. Термочувствительные дорожки представляют собой протяженный плоский меандр. Электроды и термочувствительные дорожки, таким образом, состоят из одного и того же материала и не имеют дополнительных переходных контактов. После создания рисунка на контактные площадки наносится припойный материал, остальная площадь пассивируется окислом SiO₂. Область контактных площадок дополнительно пассивируется стекло-керамической отверждаемой пастой. Конструкция датчика зависит от его целевого назначения. Технологические допуска при изготовлении не превышают 3-х микрон. Схематическая конструкция чувствительного элемента датчика представлена на Рис. 0

Рис. 0. Схематическая конструкция чувствительного элемента датчика Heraeus

Платиновые термо сопротивления для своего функционирования требуют, что бы по ним был пропущен измерительный ток. В связи с тем, что  ток I текущий по активному сопротивлению величины R, в соответствии с законом Ома производит выделение мощности, равное

P = I²R

Изменение температуры при этом равно

Δt = P*S

Где S – коэффициент само нагрева в K/mW. Для каждого типа датчиков он имеет свою величину и зависит от конструкции и материала датчика.

Для того, что бы эта мощность не приводила к заметному увеличению температуры, она не должна превышать мощность рассеяния, которую может передать во внешнюю среду термо выделяющая часть датчика. В руководствах по применению указывается максимальная величина измерительного тока. Общие рекомендации таковы:

Следующим важным параметром датчика считается время ответа на изменение температуры. В связи с тем, что существует тепловая инерция датчик прогревается не мгновенно, а с некоторой скоростью, которая зависит от перепада температур и конструкции. Время ответа зависит так же от теплового потока, который может обеспечит внешняя среда. В руководствах приводятся времена ответа для изменения температуры на уровне 50% и 90% изменения от допустимого диапазона. Они называются t0.5 и t0.9 и различаются для воды и потока воздуха в пределах 0.4 или 2.0 м/с. В том случае, когда конкретные условия применения отличаются от табличных, время ответа можно пересчитать по методике, приведенной в руководстве VDI/VDE 3522.

У датчиков на основе платиновых термосопротивлений практически отсутствует термоэлектрический эффект, поэтому применять дополнительные меры по его компенсации нет необходимости. Поскольку платиновые термосопротивления фактически являются твердотельными, допустимые воздействия на них мало отличаются от аналогичных параметров для микросхем. Что позволяет устанавливать их в конструкцию совместно.

Допустимая вибрация: 40 g в диапазоне от 10 Гц до 2 кГц.
Сопротивление ударным нагрузкам: 100 g, при 8 мс полу синусном воздействии. Общие электрические характеристики выглядят следующим образом:

Двуокись аллюминия, на которую напылена платина материал хрупкий, поэтому сосредоточенные механические воздействия могут привести к его разрушению, и выходу датчика из строя. Это необходимо учитывать при монтаже и эксплуатации прибора.

Одними из основных характеристик датчиков является воспроизводимость характеристик и класс точности.

Датчики Heraeus выпускаются 2-х основных классов точности A и B, и двух дополнительных, которые изготавливаются в меньших количествах. Дополнительные классы это 2B  и 1/3DIN. Ниже приводятся формулы расчета погрешности для разных классов точности.

Данные соотношения хорошо иллюстрируются следующим графиком на рис.1.

Рис. 1 Зависимость погрешности от температуры для разных классов точности

В табличном виде та же зависимость для наиболее употребимых классов А и В приведена на рис. 2.

Рис.2. Табличная зависимость погрешности от температуры для классов А и В

Платиновые тонкопленочные датчики также могут подразделяться на группы точности с максимальным значением Δt = 0.1 K в диапазоне 0°C…+100°C. Для приложений, требующих более высокой чувствительности, производятся специальные датчики. Так же производятся датчики на расширенные диапазоны температур.

Производственную линейку можно представить следующим образом:

• Проводные платиновые датчики температуры:
  • датчики сверхнизкой температуры (-196°C…+500°C)
  • низкотемпературные датчики (-50°C…+400°C)
  • датчики измерения средних температур (-70°C…+600°C)
  • высокотемпературные датчики (-70°C…+1000°C)
• Датчики температуры для поверхностного монтажа
• Датчики температуры для автомобильной электроники

Проводные датчики

Датчики сверхнизкой температуры (-196°C…+500°C)

Датчики температуры серии С являются тонкопленочными платиновыми резистивными элементами, имеющими широкий рабочий диапазон от -196°C до +500°C, отличаются высокой стабильностью параметров в течение всего срока службы и стойкостю к чрезмерным температурным нагрузкам. Корпус датчиков позволяет выдерживать механические нагрузки до 100 g. Рабочие характеристики датчиков серии C соответствуют стандарту DIN EN 60751 (IEC 751) и не имеют гистерезиса. Они наиболее пригодны для использования в авиакосмической, химической и установках по производству электроэнергии и тепла, а также в аналитическом оборудовании.

Низкотемпературные датчики (-50°C…+400°C)

Серия L низкотемпературных платиновых термо сопротивлений предназначена для широкого применения, где существенными являются требования длительной стабильной работы, взаимозаменяемость и точность измерений во всем рабочем диапазоне температур. Стабильность сопротивления составляет 0.04% после 1000 часов эксплуатации при температуре +400°C.

Датчики этого типа применяются в автомобильной промышленности, бытовой техники, устройства контроля и вентиляции воздуха, при контроле расхода энергии, медицинском и индустриальном оборудовании.

Датчики измерения средних температур (-70°C…+600°C)

Платиновые резистивные датчики имеют широкий круг применений и отличаются высокой стабильностью рабочих параметров, взаимозаменяемостью без дополнительной калибровки и точностью измерений во всем диапазоне температур. Стабильность выходного сопротивления составляет 0.04% после 1000 часов эксплуатации при температуре +500°C. Также, датчики выдерживают механическую нагрузку до 100 g.

Возможные области применения: автомобильная промышленность, бытовая техника, системы вентиляции, кондиционирования и обогрева воздуха, контроль расхода энергии, медицинское и индустриальное оборудование.

Датчики температуры соответствуют стандарту DIN EN 60751 (IEC 751).

* DBS: Direct Bonding Strip (плоские выводы прямоугольной формы)
DBW: Direct Bonding Wire (прямые проволочные выводы)
ax: Аксиальные выводы

Высокотемпературные датчики (-70°C…+1000°C)

Датчики для измерения высоких температур имеют стабильность и точность выходного сигнала во всем рабочем диапазоне. Дополнительным преимуществом датчиков является их компактный дизайн. Терморезистивные датчики высоких температур используются для специальных приложений, в бытовой технике, в системах высокотемпературного нагрева и в других технологических процессах.

Датчики, содержащие в маркировке –А предназначены для автоэлектроники.

* DBS: Direct Bonding Strip (плоские выводы прямоугольной формы)

Датчики температуры для поверхностного монтажа

Датчики температуры для автомобильной электроники

Датчики температуры для автомобильной электроники представляют собой законченные изделия, созданные по спецификации производителей авто техники и предназначены для измерения температуры технологических жидкостей, воздуха и поверхностей в автомобиле. Они имеют конструктив, зависящий от их назначения и требований заказчика. Датчики Heraeus применяют практически все европейские производители автомобилей.

Сравнение датчиков температуры

Способность выдерживать высокие температурные нагрузки, устойчивость к химическим воздействиям, биологическая инертность и высокая стабильность делают платину уникальным материалом для терморезистивных измерительных элементов, нагревателей и электродов. В связи с особыми свойствами платины, температурные резисторы 1, 2 и 10 кОм имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными полупроводниковыми датчиками (KTY) и термисторами (NTC).

 Электрическое сопротивление платиновых терморезисторов зависит от длины токопроводящей дорожки. Выпускается два типа датчиков: базовые элементы и специализированные датчики по спецификации заказчика.