Hőmérsékletszenzorok az Endrich kínálatában
A hőmérséklet-érzékelés a szenzortechnika egyik legszerteágazóbb tudományos területe. Cikkünkben azon változatokkal foglalkozunk, melyek érzékelője közvetlen termikus kapcsolatban van a mérendő hőmérsékletű tárggyal vagy környezettel.

 

Az elektronikus áramköri hőmérsékletérzékelés során alkalmazott szenzor a hőt, mint fizikai mennyiséget elektronikus jellé, feszültséggé vagy elektromos ellenállássá alakítja, melyet aztán a kiértékelő elektronika képes feldolgozni. Számos technológia és ezek használatára kifejlesztett érzékelő eszköz áll a fejlesztők rendelkezésére hőmérsékletmérési funkciók integrálására. Ezek közül az egyik a hőelem, mely két különböző fém vezeték összehegesztésével, vagy összeforrasztásával készül.

A hőmérséklet-érzékelés fizikai alapjai

Az összeillesztési pont környezetében, a vezetékek szabad végéhez képesti hőmérsékletváltozás elektromotoros erőt gerjeszt, mely jelenséget Seebeck effektus néven ismerjük fizikai tanulmányainkból. A vezetékek szabad vége közt keletkező potenciálkülönbség a termikus elektromotoros erő (TEMF). A melegpont hőmérsékletének emelkedésével a keletkező potenciálkülönbség növekszik, és bár ez a változás nemlineáris, a hőmérsékletérzékelés feszültségméréssel megoldható.

A termoelem, illetve a számos termoelem sorba kapcsolásával létrehozott halmaz, angol nevén a thermopile hőmérsékletszenzorok tehát a Seebeck effektus alapján működnek és alkalmasak két eltérő hőmérsékletű közeg közti differenciális hőérzékelésre. A hidegpont referencia hőmérsékleten való tartásával (pl. 0 oC) elérhető, hogy az indukált feszültség a melegpont hőmérsékletével legyen arányos, tehát ezek az eszközök hőmérséklet-feszültség átalakítóknak tekinthetők. A feszültség és a hőmérséklet közti összefüggést az alábbi integrál írja le:

ahol az Emf a termoelem által indukált és a vezetékek szabad végén mérhető termikus elektromotoros erő, a Treferencia és Tmért értékek a hidegpont és a melegpont hőmérsékletei, az S12 a termoelemre jellemző úgynevezett Seebeck koefficiens, míg az S1 és S2 a két vezetékre jellemző Seebeck állandó. Meg kell jegyeznünk, hogy ezen állandók értékei a vezetékek anyagára jellemzők, és hőmérsékletfüggők is, ami további non-linearitást eredményez.

Ahogy említettük a termoelemes érzékelés differenciális mérés, melyben a mért közeg hőmérséklete (melegpont) és a hidegponti referencia hőmérséklet (általában a környezet hőmérséklete) vesz részt. A szenzorban tehát az erősítő áramkör mellett helyet kap egy hidegponti hőmérséklet kiegyenlítő funkciót ellátó egység is, mely akkora korrekciós potenciálkülönbséget hoz létre, amekkora feszültség a termoelem környezeti hőmérsékleten lévő melegpontja és 0oC-on lévő hidegpontja esetén indukálódna.

A termoelem “oszlopok” (thermopile) több termoelem soros összekapcsolásával kialakított hőmérsékletszenzorok, melyek nagyon érzékenyek, kis hőmérsékletkülönbség mérésére is alkalmasak. Kimenetükön néhány tíz, esetleg száz mV nagyságrendű jel mérhető, és alkalmazhatóak érintésmentes mérésre is, hiszen érzékelik az infravörös sugárzás által keltett hőmérsékletemelkedést.

 

 

Egy másik hőmérséklet-érzékelésre szolgáló lehetőség a bimetál technológia alkalmazása, melynek működési elve két eltérő hőtágulású fém együttes alkalmazásán alapul.  A két összeragasztott fémcsík hőmérsékletváltozás hatására eltérő módon változtatja alakját, a fellépő mechanikai erőhatás felhasználható például egy mechanikus kapcsoló működtetésére. Mivel az eszköz nem igényel tápellátást és kellőképpen robosztus, gyakran használják nagy pontosságot nem igénylő feladatokra hőkapcsolóként. Mivel mérési célokra nem alkalmas, elsősorban védelmi funkciók megvalósítására alkalmazzák.

A legnépszerűbb és az elektronikában legfontosabb hőmérsékletszenzorok a hőmérsékletfüggő ellenállások. Ezeknek az érzékelőknek a működése az alapanyaguk hőmérséklettel arányosan változó elektromos ellenállásán alapszik. Két legfontosabb csoportjuk a fémes és a félvezető alapú hőmérséklet szenzorok. Előbbiek összefoglaló neve ellenállásos hőmérséklet detektor (RTD – resistive temperature detector), míg az utóbbiakat termisztornak hívjuk.

A fémes ellenállásos hőmérséklet szenzorok (RTD) hőmérséklet-ellenállás karakterisztikája pozitív hőmérsékleti együtthatójú, azaz a hőmérséklet növekedésével lineárisan növekszik ellenállásuk is. Ez a linearitás előnyös tulajdonság, mert rendkívül pontos hőmérsékletmérést tesz lehetővé, azonban termikus érzékenységük nagyon gyenge, hiszen a hőmérséklet változása csak nagyon kis, kb. 1Ω/oC mértékű ellenállásváltozást eredményez. Ez a jelenség a fémes RTD, a termoelem és a félvezető alapanyagú NTC termisztor jelleggörbéit összehasonlító ábrán is látható.

 

 

A könnyű érzékelhetőségben a lineáris karakterisztika mellett a meredekségnek is nagy szerepe van, ez adja a szenzor érzékenységét.  A meredek jelleggörbe sajátossága, hogy kis hőmérsékletváltozásra is nagy elektromos válaszjel, esetünkben az ellenállásváltozás jelentkezik. Az RTD szenzorok általában nagy tisztaságú, jól vezető fémekből készülnek, mint a réz, a nikkel vagy a platina. Ez utóbbi az alapanyaga az úgynevezett „platina hőmérőknek” (RTD - Platinum Temperature Detector), mint a jól ismert Pt100 szenzor, melynek 0oC-on az ellenállása 100Ω. Mivel a platina nagyon drága fém, az RTD érzékenységi problémája mellett a költségtényező is jelentős hátrány lehet.

A tipikus ellenállásos hőmérsékletérzékelő ellenállása kb. 100Ω 0oC-on, ami egészen 140Ω-ig növekedhet a hőmérséklet 100oC-ra történő emelkedésekor, -200oC és +600oC közötti működési hőmérséklet tartományon. Az ellenállásos hőmérsékletmérés elengedhetetlen feltétele az, hogy mérőáramot folyassunk át a komponensen, mert csak a szenzoron eső feszültséget lehet könnyen elektromos jelként feldolgozni. Természetesen bármekkora is a pillanatnyi ellenállás, a mérőáram okozta I2R fűtőteljesítmény mindenképpen hibát okoz a mérésben. Ez a hiba az áramerősség négyzetével arányos, tehát minimalizálásához mindenképpen kis mérőáramra van szükség, vagy érdemes a hőmérsékletszenzort Wheatstone híd elemeként használni a hiba kiküszöböléséhez.

Termisztorok

Az ellenállás hő függésén alapuló szenzorok másik nagy csoportját a termisztorok alkotják. Ezeket a félvezető kerámia alapanyagú alkatrészeket nemlineáris ellenállás-hőmérséklet karakterisztika jellemzi. Ha a hőmérséklet emelkedésének hatására jobb áramvezetőkké válnak, akkor NTC-nek, fordított esetben PTC-nek hívjuk az ilyen típusú termisztort. Ha ismét az összehasonlító ábrát tekintjük, a PTC jellegű RTD szenzorok lineáris R-T karakterisztikával szemben az NTC erősen nemlineáris viselkedést mutat, azonban az NTC-k előnye a nagyobb érzékenység, hiszen ugyanakkora hőmérsékletváltozás jelentősebb mértékben változtatja meg az ellenállás értékét, ezáltal a kiértékelő elektronika könnyebben dolgozhatja fel a nagyobb elektronikus válaszjelet. További előnye az NTC szenzoroknak az alacsony ár is.

Az NTC ellenállás – hőfüggés karakterisztikája első közelítésben exponenciális függvénynek tekinthető, mely az alábbi képlettel közelíthető: 

T25 = 298,15 [K] (25 oC), T: hőmérséklet [K]

Az R25 a +25°C referencia hőmérsékleten felvett ellenállás értéket jelenti, az ún. B-érték [K] pedig a következő (1)-ből adódó logaritmikus összefüggéssel jellemezhető módon teremt összefüggést az ellenállás és a hőmérséklet között:

A legtöbb alkalmazásban (1) elégséges matematikai korrelációt ad az ellenállás hőmérsékletfüggésének egy széles hőmérséklettartományon (0 °C -100 °C) való ±1°C pontosságú leírásához, azonban, ha ennél akkurátusabb összefüggésre van szükség, akkor bonyolultabb képlet alkalmazása válik szükségessé. A ma ismert és leginkább elfogadott közelítést a Steinhart-Hart féle egyenlet adja:

Az R a T hőmérsékleten mért ellenállás értéke a (3) összefüggésben, az A, B és C együtthatók pedig a kísérleti mérésekből származó Steinhart-Hart koefficiensek, melyeket az NTC chip gyártója tesz közzé. Ez a formula kb. ±0.15° pontosságot ad a -50°C +150°C hőmérséklettartományon, ami a legtöbb alkalmazásban messzemenőkig megfelelő. Ha elegendő csak a 0°C -+100°C tartományon közelíteni a függvényértékeket, akkor elérhető vele a ±0.01°C pontosság is.

Amikor NTC szenzort használunk, nagy figyelmet kell fordítani a mérőáram erősségének megfelelő megválasztására, ha az túl nagy, akkor az NTC melegedése (I2R) hibát okozhat a mérésben.  A gyártói adatlap tartalmazza a disszipációs faktor értékét, ami megmutatja, hogy mekkora elektromos teljesítményre van szükség a termisztor a környezeti hőmérséklet fölé 1°C-al való felmelegedéséhez. A gyakorlatban érdemes ezen érték alatt maradni. Végezetül tervezéskor szem előtt kell tartani az NTC hő tehetetlenségét is, hiszen a hőmérsékletváltozást az elektronikus válaszjel (az ellenállás változása) némi késleltetéssel követi csak, minél kisebb az NTC chip, annál gyorsabban. A termikus időállandó „T” definíció szerint az az idő, mely alatt egységnyi hőmérsékletlépcsőt véve alapul, az ellenállás az új hőmérséklethez tartozó végértékének 63.2%-át eléri.

Ha vevő-, vagy alkalmazás specifikus jellemzők egyedi beállítására van szükség az NTC tervezésekor, akkor feltétlenül olyan gyártópartnerre van szükség, aki eléggé flexibilis ahhoz, hogy az akár gyakran változó vevői igényekre is gyorsan reagáljon.  Ehhez saját komponensfejlesztésre és saját NTC chipgyártásra van leginkább szükség. Az R25 és a B értéket a félvezető anyagösszetétele és a szinterezési folyamat előtt hozzáadott nanorészecskék határozzák meg. Ezután történik meg a wafer szeletelése (chipekre való szétvágása). A precíz gyártástechnológiával válogatás nélkül is el lehet érni a ± 0.05% toleranciát.

Kivételesen nagy pontosság

Nagy méréspontosságot igénylő feladatok esetén nem csak az ellenállásérték kezdeti alacsony toleranciája lényeges, hanem annak hosszú távú időbeni stabilitása is. A kezdeti szűk tolerancia és ezzel együtt járó kis hiba szokásos elvárás az NTC-vel szemben, de mi történik, ha az ellenállásérték az idő előrehaladtával változik? Ennek a fő oka a levegő nedvességtartalmának esetleges behatolása a porózus kerámia félvezető anyagba, melynek negatív hatását üveg passzivációs védőréteg kialakításával lehet csökkenteni. Vezető Japán gyártónk, a Tateyama vastagréteg SMD termisztorai kerámia szubsztrátra (96% Al2O3) kerülnek, és az NTC anyagát üveg védőréteg borítja a pára és a jelenlévő egyéb káros gázok behatolásának megelőzésére (lásd ábra).

 

 

Ez a felépítés továbbá kellőképpen ellenállóvá teszi a komponenst a hő tágulás okozta mechanikai stressz-hatásokkal szemben is, gyártói és vevői tesztek is bizonyítják, hogy az NTC nem sérül még többszöri nagy hőmérséklet különbségnek való kitettség esetén sem. Ez kiváló forraszthatóságot és nagyfokú megbízhatóságot biztosít az alkatrész számára. Az alkalmazott üvegborítás miatt sem a páratartalomra sem az olyan agresszív korrodáló gázok jelenlétére, mint a például a kéndioxid sem érzékeny.

További előnye a Tateyama szabadalmaztatott vastag-réteg gyártástechnológiájának, hogy tetszőlegesen beállítható R25 - (100 Ω - 2 MΩ) és B ​​(2700 - 5000 K) értékek valósíthatók meg, és ezek toleranciája is megfelelő (± 1 .. ± 10). SMD termisztoraik mindegyike rendelkezik az autóipar számára fontos TS16949 / AEC-Q tanúsítvánnyal és 0201… 0805 méretekben rendelhetők. Kedvező áruk és hosszú távú stabilitásuk miatt eredményesen integrálhatóak klímavezérlőkbe, háztartási gépek elektronikájába, hőmennyiség mérőkbe, vagy éppen akkumulátoros kéziszerszámok töltőelektronikájába.

A vastagréteg termisztor technológia egészen 150 °C-ig használható. Minél kisebb a komponens, annál kisebb a hő tehetetlensége, azaz válaszideje is, alacsony termikus időállandóval rendelkeznek. Az olyan alkalmazásban, ahol a hőmérséklet gyors változásait kell követni, a lehető legkisebb, 0201 méretű szenzor használata javasolt.

 

 

A másik Japán NTC beszállítónk a Semitec nem vastagréteg technológiát használ, az ő termisztoraik kerámia félvezető anyagból készülnek. Jellemzőjük a B és az R25 értékre vonatkoztatott alacsony tolerancia (±1 %). Az „AP” sorozat a legpontosabb NTC család (± 0.5 % B érték / R25), a -50 - +70 °C hőmérséklettartományon, rendszerkalibrálás nélkül lehetővé téve a 0.5 K-nél is pontosabb mérést. A vékony, mindössze 0.5mm vastag kapton szalag NTC-k elsősorban a tölthető elem technikában használatosak.

A "KT" család a Semitec SMD NTC sorozata, kiváló ára mellett legnagyobb előnye az üveg védőréteg biztosította hosszú távú stabilitás, melyet a hőmennyiség mérőórák számára elengedhetetlenül szükséges, mert azok kalibrálás nélkül is minimum 10 évig pontosan kell, hogy működjenek. Az "AT-4" sorozat elsősorban kéziszerszámokban való használatra lett kifejlesztve, különösen a 6.8 kΩ-os típus, mely ajánlott felhasználási területe az akkumulátor töltőelektronika hőmérséklet monitorozása.

Az NTC, vagy a Platina RTD (Pt100-PT1000) chipek, melyek a fent leírt technológiák valamelyikével készülnek nem csak önállóan, hanem valamilyen konfekcionált, egyedi kialakítású hőmérsékletszenzorba építve is használhatók. Speciális kábelkivezetéssel (PVC, Teflon, hidegkötéses huzal, halogénmentes, IP68 védett, élelmiszer-konform stb.) és egyedi alkalmazás specifikus csatlakozókkal szerelve, rozsdamentes acél, réz, bronz vagy műanyag házban is rendelhetők a vevő igénye szerint. Ezeket a szerelt szenzorokat európai beszállítónk a TEWA gyártja.

A hőmérsékletszenzorok felhasználási terület szerint is nagy változatosságot mutatnak. Bizonyos alkalmazások nagy mérési pontosságot és kis szórást igányelnek, másoknál az a fontos elvárás, hogy zord környezeti feltételek mellett is működjenek, ahol a környezeti hőmérséklet elérheti az akár +1000 °C-t is. Egyes orvos elektronikai alkalmazásokban a miniatűr kivitel az elvárás, mert például katéter részeként a vénában áramló vér hőmérsékletének mérése a feladat, máshol, ahol csak egyszerű hőmérsékletkompenzálást kell végezni, az ár lehet kritikus tényező.

Piaci trendek

A legutóbbi pénzügy válság után helyreálló gazdasági környezetben 2009-től a hőmérsékletszenzorok piaca teljesen átalakult, mára stabil növekedést mutat változatos területeken. A nemzeti szabályzások, mint például Németországban a béringatlanokban kötelezően előírt füst- és tűzérzékelők alkalmazása is segíti a hőmérsékletszenzorok terjedését. A következő évek várakozása is a piac e szegmensek mentén való bővülését valószínűsíti, azonban az erősen exportfüggő és hagyományosan konzervatív autóipar igényét nagyon nehéz megbecsülni. A hibrid és az elektromos járművek felé tolódó hangsúly azonban valószínűsíti a hőmérsékletszenzorok, elsősorban a vevő specifikus kivitelek iránti növekvő igényt, hiszen az akkumulátor csomagok, a DC/DC átalakítók és az elektromos motorok igénylik az ilyen érzékelőket.

A hagyományos járműgyártás egyes területein is szükség van speciális kivitelű hőmérsékletérzékelőkre, az olyan cégek, mint az Endrich is, akik rendelkeznek az elsősorban dízel járművek nagy hőmérsékletű kipufogó gázainak hőmérsékletmérésére szolgáló megoldást kínálni nagy reményekkel tekinthetnek a jövőre, hiszen az újonnan forgalomba kerülő járművek EURO 6 környezetvédelmi besorolásához szükséges elektronika egyik alapja ez a szenzortípus. A kipufogógáz analizálásához speciális hőmérsékletszenzorra van szükség, mint a Pt200 RTD platinaszenzor, melynek 0 °C-on az ellenállása 200 Ω és -40-től +1000 °C-ig terjedő hőmérséklettartománybeli mérésre tervezték ± 10 °K pontossággal -40 és +300 °C között, vagy ± 3 °K pontossággal +300 és +900 °C között. A Pt200 jellemzői megfelelnek a DIN IEC 751 szabványban előírtaknak. Speciális felépítése ötvözi a vékony- és vastagréteg technológiát ez által biztosítva a kiváló hő-, mechanikai ellenállóságot illetve a nagy hőingadozással szembeni immunitást. Az alkalmazott felületi bevonat biztosítja a kipufogó gázban való használatát.

 

 

Mi, az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH-nál készek vagyunk arra, hogy technikai és kereskedelmi oldalról is támogassuk vevőink egyedi vagy sztenderd hőmérsékletszenzort igénylő alkalmazásfejlesztését. Évtizedes tapasztalatunk a területen és a mögöttünk álló beszállítók professzionalitása a biztosíték, hogy sikeresen tudjunk együttműködni akár orvos elektronikai, általános ipari, háztartási elektronikai vagy autóipari területen is.

 

Cikkünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH közreműködésével készült. Szerzője Kiss Zoltán okleveles villamosmérnök, kelet-európai értékesítési vezető és Oliver Gräf termékmenedzser.
 
Értékesítési iroda: H-1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A.
 
E-mail: z.kiss@endrich.com
 
Web: www.endrich.com
 
További konzultációért és mintákért, adatlapokért keresse a szerzőket!

 

3 tipp, hogy hogyan fejleszd a munkahely biztonságát és hatékonyságát
Cél nulla baleset a munkahelyen.
TwinCAT-megoldások az IoT és az ipar számára
Az automatizálási technológia és az informatika konvergenciája ideális táptalaj az IoT-hez és az ipar 4.0-hoz kötődő projektek számára.
Az 5G-vel az ipar is jól jár
Várhatóan 2020-ra beindulhatnak az első kereskedelmi 5G hálózatok, az ötödik generációs mobilhálózatok kutatás-fejlesztési, szabványosítási, és kivitelezési folyamata jóval rövidebb időt vesz igénybe, mint a 3G vagy a 4G bevezetése.
Kulcstechnológia a dolgok internetéhez
A Bosch egymilliárd eurós beruházással új, 700 munkatársat foglalkoztató félvezető-gyártó egységet épít Drezdában. Az üzem a Bosch több mint 130 éves történetének legnagyobb önálló beruházása.
Újabb fázisához érkezett a hazai Siemens bővítése
Új típusú gázturbina-lapátok gyártását kezdi meg Magyarországon a Siemens, amelynek érdekében további, legalább 150, magasan képzett szakembert tervez felvenni budapesti Power and Gas üzemébe.