Датчик серии Т5400

Датчики давления и температуры корпорации TDK-EPC:
номенклатура, особенности и применение

PDF версия
В этой статье мы продолжим [1] описание продуктов корпорации TDK-EPC. Датчики и актюаторы базируются на объединении технологий обеих компаний в области производства ферритовых, магнитных, пьезоэлектрических материалов и электронных схем. В номенклатуре сенсорной продукции TDK-EPC наиболее массовые категории — это датчики давления и температуры. Они не только составляют значительную долю по объемам их выпуска, но и выделяются в технологическом плане и впечатляют уровнем достигнутых характеристик, исполнения и надежности. Например, специалисты TDK разработали кристалл NTC, наименьший на рынке, и многослойные пьезоэлектрические элементы, а в компании EPCOS применяют технологию пьезорезистивных МЭМС датчиков давления.

Спектр продукции датчиков и актюаторов TDK и EPCOS

Обе компании, входящие в корпорацию — TDK и EPCOS — выпускают широкую номенклатуру различных датчиков физических величин. К категории сенсоров и актюаторов, представленных в каталогах корпорации 2013 года, относятся следующие продукты (рис. 1):

Основные типы датчиков TDK-EPC

Рис. 1. Основные типы датчиков TDK-EPC

  • Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (продукция TDK). Приборы выпускаются с проволочными выводами, в корпусах для монтажа на поверхность, с креплениями под винты, на стеклянной подложке, в пластиковых водонепроницаемых корпусах, а также для работы в нефтепродуктах и при высокой температуре.
  • Термисторы для измерителей температуры (EPCOS). Предлагается более трех десятков серий приборов, в том числе выполненных в виде законченных узлов.
  • Датчики для схем температурной защиты (EPCOS). Восемь серий датчиков в корпусах для монтажа на поверхность и с проволочными выводами.
  • Датчики влажности (TDK). Эти компоненты выпускаются в круглых и прямоугольных корпусах, а также в защищенных от воздействий внешней среды исполнениях.
  • Датчики уровня сыпучих материалов (TDK).
  • Датчики для схем защиты двигателей (EPCOS).
  • Датчики давления (EPCOS). Более двадцати серий компонентов, в том числе с цифровым интерфейсом, выполненных в виде кристаллов, в корпусах для монтажа на поверхность и стальных корпусах. Диапазон измеряемых давлений — 16–25 000 мбар.
  • Ультразвуковые распылители (TDK).
  • Датчики уровня (EPCOS). Три серии компонентов для схем измерения и ограничения уровня жидкости, выполненных на основе термисторов с положительным температурным коэффициентом.

Наибольшее число продуктов рассматриваемой категории составляют датчики температуры (TDK, EPCOS) и давления (EPCOS).

 

NTC-термисторы

Значительное число типов датчиков температуры TDK-EPC выполнено на основе терморезисторов с отрицательным (NTC) температурным коэффициентом. NTC-термисторы являются необходимыми компонентами в схемах температурной компенсации и используются в качестве датчиков температуры в бытовых приборах, например в кондиционерах, холодильниках, электрических плитах. Наиболее широкое распространение получили NTC-термисторы в исполнениях для поверхностного монтажа (NTC-чипы). Вначале такие чипы применялись в схемах температурной компенсации портативных ЖК-мониторов и телевизоров, а затем их стали включать в схемы автоматической фокусировки видеокамер и мобильных гаджетов, например в карманных персональных компьютерах (Personal Digital Assistants, PDA). Наиболее ходовыми типоразмерами чипов в мобильных устройствах стали 0603 (0,6×0,3 мм), 1005 (1×0,5 мм) и 1608 (1,6×0,8 мм). NTC-чипы также применяются в схемах температурной компенсации кварцевых генераторов, ВЧ-модулей и для контроля температуры литиевых и никель-водородных аккумуляторов.

Термисторы обычного типа, состоящие из терморезиста и выводов, не в состоянии обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики при миниатюрных размерах, что объясняется физическими ограничениями, связанными с малыми размерами чипов. Для разрешения проблемы корпорация разработала многослойные чипы, изготавливаемые методом ламинирования. Многослойная структура (рис. 2) чипов с чередующимися слоями внутренних электродов позволила существенно улучшить технические параметры термисторов, увеличить диапазон сопротивлений и одновременно уменьшить размеры чипа.

Структура многослойных термисторов

Рис. 2. Структура многослойных термисторов

Термисторы отличаются следующими основными параметрами:

  • Температурная характеристика, определяемая выражением:

     R = Rc exp{B/T},

     где В — коэффициент температурной чувствительности, Rc — постоянная, зависящая от материала и размеров термистора.

  • Номинальное сопротивление Rn  при Т = +25 °C.
  • Коэффициент температурной чувствительности (постоянная В), который зависит от свойств материала и практически постоянен для конкретного термистора.
  • Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), определяемый выражением:

     ТКС = (1/R)×(dR/dT) = –B/T2.

  • Максимальная допустимая температура термистора — температура, при которой еще не происходит необратимых изменений параметров прибора.
  • Постоянная времени — время, в течение которого температура термистора уменьшается в несколько раз по отношению к разности температур термистора и окружающей среды [2].

NTC-термисторы TDK-EPC являются полупроводниками, состоящими в основном из оксидов переходных металлов, таких как марганец, никель, кобальт и медь, спекаемых при температуре +1200…1500 °C. Применение собственных технологий позволило корпорации создать термисторы как с низким удельным сопротивлением и высоким значением постоянной В, так и с высоким удельным сопротивлением и низким значением В. В схемах термокомпенсации кварцевых генераторов (TXCO) сопротивление термисторов должно быть низким (30–150 Ом), а постоянная В — высокой (порядка 2750 К) [3].

Использование миниатюрных чип-термисторов в электронных и электронно-механических наручных часах ведущих производителей (Casio, Seiko, Orient) позволило добиться очень высокой стабильности кварцевых генераторов и низкой погрешности хода в несколько секунд в течение многих месяцев, а то и лет.

В ассортименте продукции корпорации имеются также NTC чип-термисторы, предназначенные для схем контроля температуры, встроенных в высокопроизводительные аккумуляторы для мобильных устройств. Большинство аккумуляторов можно безопасно заряжать при их температуре от 0 до +60 °C. Точность определения температуры, особенно нижнего значения, является жизненно необходимой мерой, так как зарядка «замороженных» аккумуляторов очень опасна. К термисторам, предназначенным для этой цели, предъявляются более высокие требования по точности, чем для компонентов общего назначения. Допуск на отклонение номинального сопротивления и постоянной В для таких термисторов не должен превышать ±1%. Такие значения допуска реализованы в термисторах на чипе/кристалле TDK-EPC типоразмеров 1608 и 1005, эти компоненты также имеют меньший разброс температурных характеристик, что достигнуто введением специальных добавок в материалы, из которых изготовлены термисторы [4].

В ассортименте TDK-ЕРС представлено множество серий NTC-термисторов с проволочными выводами, в корпусах с покрытием из стекла и смолы, заключенных в конструкции датчиков температуры для жестких условий эксплуатации [5]. Рассмотрим некоторые области применения NTC-термисторов, приобретающих популярность в последнее время.

 

NTC-термисторы для бытовых приложений

Внешний вид некоторых типов NTC-термисторов, предназначенных для различных бытовых приборов, приведен на рис. 3.

Термисторы для бытовых применений

Рис. 3. Термисторы для бытовых применений

Такие компоненты широко используются в стиральных машинах, сушилках и фенах, посудомоечных машинах, холодильниках и морозильных камерах, микроволновых и духовых печах, в мелкой бытовой технике (кофеварки, чайники и т. п.). Датчики температуры также являются неотъемлемой частью систем отопления, кондиционирования и вентиляции помещений. В последние годы корпорация разработала несколько типов датчиков для бытовых приложений, отличающихся высокой точностью измерений и долговременной стабильностью параметров. Дизайн-центры корпорации EPCOS, расположенные в Берлине (Германия), Дойчландсберге (Австрия), Чжухае (КНР) и Батаме (Индонезия), сертифицированы по стандартам ISO 9001:2000, ISO/TS 16949:2002 и ISO14001:2004.

Использование датчиков в стиральных машинах

Рис. 4. Использование датчиков в стиральных машинах

Для использования в стиральных машинах и сушилках (рис. 4) компания предлагает следующие серии NTC-термисторов:

  • Z509, K514, K524 — для датчиков температуры внутри барабана;
  • K276, Z276, Z901, Z277 — для датчиков температуры воздуха;
  • K504, K514, K1560, K560 — для датчиков температуры парогенераторов, используемых для разглаживания складок при стирке и сушке.

Серия К514

К514 (рис. 5а) — NTC-термистор, встроенный в корпус из нержавеющей стали с запрессованным кабелем, изготовленным из стекловолокнистой трубки с тефлоновой (PTFE) изоляцией. Диапазон рабочих температур — –10…+200 °C, максимальная допустимая температура кабеля — +200 °C.

Термисторы серии: а) К514; б) К276

Рис. 5. Термисторы серии: а) К514; б) К276

Датчик можно легко и быстро установить в контролируемые узлы. Выпускаются модели с различной длиной кабеля, несколькими типами температурных характеристик, различными соединителями и корпусами.

Основные параметры датчика:

  • Сопротивление при температуре +25/100 °C — 4853/3300 Ом ±2,5%, В25/100 = 3988 К ±1%.
    Температурная характеристика нормирована от –55 °C (RT/R25 = 96,33) до +300 °C (RT/R25 = 0,0013444).
  • Тепловая постоянная времени τа в воде — 3 с.
  • Фактор рассеяния δth в воздухе — 3 мВт/К.
  • Сопротивление изоляции — 100 МОм.

Серия К276

К276 (рис. 5б) — NTC-термистор, герметично запрессованный в корпус из нержавеющей стали с соединителем типа RAST 2,5 (опционно — RAST 5). Соединители RAST (Raster Anschluss Steck Technik) применяются для жгутовых соединений в различных бытовых приборах. Датчики могут быть использованы в коррозийных средах (вода, мыльный раствор). Они сертифицированы по стандартам EN60539-1, DIN EN60730-1/VDE class 2, UL (file E69802) и отличаются высокой стабильностью при высоких эксплуатационных температурах.

Основные параметры датчиков:

  • Диапазон рабочих температур — –10…+100 °C.
  • Сопротивление при температуре +25/63 °C — 4829/1082 Ом ±2%, В25/100 = 3980 К ±1,5%.
    Температурные характеристики (№ 2003/2901) нормированы от –55 °C (RT/R25 = 97,578/63,969) до +155 °C (RT/R25 = 0,016612/0,020231).
  • Фактор рассеяния в воде — 20 мВт/К.
  • Сопротивление изоляции — более 100 МОм.

Для применения в системах отопления (рис. 6а), вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях (рис. 6б) (Heating, Ventilation and Air-Conditioning, HVAC) корпорация предлагает несколько серий датчиков температуры на основе NTC-термисторов:

  • T120, F120, Z81, K301, M834 — для систем отопления;
  • К500, К501, К502, К505, К510, М500, М800 — для систем вентиляции и кондиционирования.
Датчики в системах: а) отопления; б) кондиционирования

Рис. 6. Датчики в системах:
а) отопления;
б) кондиционирования

Рассмотрим особенности некоторых из этих датчиков:

  • Т120 (рис. 7а) — NTC-термистор в медном корпусе, предназначенный для схем измерения температуры жидкостей в диапазоне 5…110 °C в трубопроводах диаметром 13,5/15/18/19/22 мм. Тепловая постоянная датчика относительно трубопровода — 5 с.
  • Z81 (рис. 7б) — NTC-термистор в корпусе из материала CuZn36Pb2As/CZ132, устойчивом к потере латунью цинка (Dezincification-Resistant Brass Case, DZR case). Датчик предназначен для измерения температуры горячей воды, в том числе воды для хозяйственных нужд (Domestic Hot Water), в диапазоне 5…110 °C. Датчики этой серии отличаются малым значением тепловой постоянной в воде — не более 5 с.
  • К500 (рис. 7в) — NTC-термистор с медным покрытием. Предназначен для измерения температуры в диапазоне –30…+100 °C в испарителях холодильных установок и систем кондиционирования. Датчик подключается двухпроводным кабелем AWG22/24/26 и кабелем с двойной изоляцией.
Термисторы серии: Т120; Z81; К500

Рис. 7. Термисторы серии:
а) Т120;
б) Z81;
в) К500

Серии NTCGP, NTCDP и NTCRP

В 2013 году корпорация представила три серии многослойных термисторов — NTCGP, NTCDP и NTCRP (разработка TDK, спецификации — февраль 2013 г.). Они предназначены как для бытовых, так и для промышленных приложений. Благодаря малым размерам новые термисторы отличаются быстрой реакцией на изменение температуры.

Термистор серии NTCGP: в эпоксидном корпусе; с винтовым креплением

Рис. 8. Термистор серии NTCGP:
а) в эпоксидном корпусе;
б) с винтовым креплением

Термисторы серии NTCGP выпускаются в двух исполнениях: с оболочкой из эпоксидной смолы (рис. 8а) и с креплением под винт (рис. 8б).

Основные особенности и параметры приборов с оболочкой из эпоксидной смолы/с креплением под винт:

  • Номинальное сопротивление R25 — 15/20/50 кОм ±3%/50 кОм ±3%. Возможны поставки приборов с R25 в диапазоне 5–50 кОм.
  • Постоянная В25/50 — 3950 К ±3%/3950 К ±2% или в диапазоне 3400–4100 К.
  • Диапазон рабочих температур — –20…+80/–40…+125 °C.
  • Температурная постоянная τа — 6 с.
  • Фактор рассеяния в воздухе δth — 2,8/3 мВт/°C.

Термисторы Resin DIP рекомендованы для применения в качестве датчиков температуры в помещениях для кондиционеров и обогревателей, датчиков температуры воды, датчиков температуры для холодильников, оболочек нагревателей. Приборы Lud Terminal, кроме того, можно использовать в качестве датчиков температуры инверторов солнечных батарей и подложек силовых приборов.

Термисторы серии NTCDP выпускаются в трех исполнениях: в эпоксидно-пластиковом корпусе диаметром 5,5 и 6 мм (исполнение 1), в эпоксидном корпусе с креплением под винт (исполнение 2, рис. 9) и в пластиковом корпусе (исполнение 3).

Термистор серии NTCDP

Рис.9. Термистор серии NTCDP

Основные параметры термисторов исполнений 1, 2/исполнения 3:

  • Номинальное сопротивление R25 — 10 кОм ±5%/R3 — (5,6 ±0,2) кОм.
  • Постоянная В25/85 — 4000 К ±2%/В3/50 — (3850 ±100) К.
  • Диапазон рабочих температур — –40…+150/–40…+85 °C.
  • Температурная постоянная τа — не более 15 с/не более 30 с.
  • Фактор рассеяния в воздухе δth — 3,3/2,5 мВт/°C.

Термисторы исполнений 1 и 2 отличаются высокой надежностью, быстрой реакцией на изменение температуры и высокой рабочей температурой, а недорогие водонепроницаемые термисторы исполнения 3 совместимы с различными хладагентами. Основные области применения приборов этой серии: холодильные установки, стиральные машины и системы кондиционирования.

Термисторы серии NTCDP для масляных сред выпускаются в двух исполнениях: в пластиковом корпусе с креплением под винт (исполнение 1) и в пластиковом корпусе для датчиков температуры жидкостей для автоматической трансмиссии (исполнение 2, рис. 10).

Термистор серии NTCDP для масляных сред

Рис. 10. Термистор серии NTCDP для масляных сред

Основные параметры термисторов исполнения 1/исполнения 2:

  • Номинальное сопротивление R20 — 2,5 кОм ±3%/R145 — 0,111 кОм ±2,5%.
  • Постоянная В20/80 — 3250 К ±2%/В25/85 — 3528 К ±2%.
  • Диапазон рабочих температур — –40…+165/–40…+150 °C.
  • Температурная постоянная τа в масле — не более 60 с/не более 15 с.
  • Фактор рассеяния δth — 5/3,5 мВт/°C.

Приборы этой серии предназначены для применения в качестве датчиков температуры масел и нефтепродуктов в двигателях, нагревателях и системах трансмиссии, в качестве датчиков температуры обмоток двигателей электро- и гибридных автомобилей (EV, HEV, PHEV), а также серводвигателей для различных промышленных приложений.

Широкую номенклатуру NTC-термис-торов также производит компания EPCOS. Классификационные параметры термисторов, представленных в каталоге TDK-EPC 2013 года, приведены в таблице [6].

Корпорация TDK-EPC выпускает ряд серий датчиков для быстро меняющегося рынка медицинских приложений, к которым предъявляются особо высокие требования по точности, надежности и длительности эксплуатации. Компания EPCOS для медицинских приложений выпускает пьезоэлектрические датчики давления и температуры на основе NTC-термисторов, в том числе преобразователи давления в ток или напряжение для анестезии и специальные накожные датчики температуры, используемые для длительного мониторинга и способные выдерживать до 100 циклов стерилизации при Т = +134 °C.

Эти датчики могут быть использованы в таких медицинских приложениях, как:

  • респираторные аппараты;
  • чистящее оборудование;
  • клинические термометры;
  • аппараты для диализа;
  • эндоскопические приборы;
  • глюкометры;
  • инкубационные камеры;
  • инфузионные насосы;
  • системы мониторинга пациентов.

Медицинские приборы — это та сфера применения сенсорной продукции, непосредственно для которой разрабатывались датчики давления, выпускаемые фирмой EPCOS.

 

Датчики давления для медицинских приложений

Датчики давления и преобразователи «давление – ток/напряжение» выпускаются в виде кристаллов (серии С27–С29, С32, С33, С41), в корпусах для монтажа на поверхность (серия ASB), в виде законченных узлов (серии CAU-T, АС-Т) и предназначены для различных сфер применения.

Серия Т5400

Т5400 (рис. 11) — цифровой барометрический датчик давления (сентябрь 2012 г.), предназначенный для применения в барометрах систем прогноза погоды, альтиметрах, навигационных приемниках, мобильных телефонах, жестких дисках, беспроводных сенсорных сетях, вариометрах для индикации скорости в вертикальной плоскости. Прибор базируется на разработанной компанией пьезорезистивной МЭМС-технологии, обеспечивающей высокую точность и длительную стабильность измерений. После калибровки (программирования памяти микропроцессора) датчик по запросу выдает данные об измеряемом давлении или температуре (в диапазоне 0…+70 °C).

Датчик серии Т5400

Рис. 11. Датчик серии Т5400

Основные особенности и параметры прибора:

  • Размеры корпуса для монтажа на поверхность — 2,78×2,23×0,67 мм.
  • Диапазон измеряемых давлений — 300–1100 гПа, абсолютная точность измерения — –2/+4 гПа, разрешение — 2,9 Па.
  • Напряжение питания — 1,7–3,6 В.
  • Малое потребление тока — 3, 790, 500 мкА в зависимости от режима.
  • Отверстия для доступа измеряемой среды датчика на нижней стороне корпуса.
  • Диапазон рабочих температур — –30…+85 °C.
  • Малая чувствительность к пульсациям напряжения питания.
  • Интерфейсы — I2C (3,4 МГц), SPI (20 МГц).
  • Внутренний тактовый генератор.
  • 16‑разрядный АЦП.

Серия ASB

В серию ASB входят барометрические преобразователи давления в напряжение, выпускаемые на основе пьезорезистивных кремниевых МЭМС-сенсоров в чистых комнатах EPCOS. Приборы этой серии обеспечивают компенсацию нелинейности характеристик преобразования и температурных погрешностей путем прецизионной калибровки выходного сигнала. Они не чувствительны к электромагнитным излучениям.

Основные особенности приборов серии ASB:

  • Допустимые среды: воздух и неагрессивные газы (влажность — 0–100% RH). Возможно применение для приложений со степенью защиты IP54 (недопустим контакт со средами, вступающими в реакцию со стеклом, кремнием, нержавеющей сталью, керамикой, алюминием, силиконом).
  • Выходное напряжение пропорционально давлению в пределах 0–1 В.
  • Диапазон рабочих температур — –40…+85 °C.
  • Диапазон измеряемых давлений — 0,2–1,2 бар.
  • Напряжение питания — 2,7–5,5 В (ток потребления — не более 5 мА).

Серия АК2

Серия АК2 (рис. 12) — это преобразователи избыточного давления. Они выполнены в металлопластиковых корпусах с механической развязкой. В состав серии входят десять видов преобразователей с различными диапазонами измерения давления и чувствительностью.

Датчик давления серии АК2

Рис. 12. Датчик давления серии АК2

Основные особенности приборов:

  • Допустимые среды — воздух, неагрессивные газы и жидкости.
  • Измерительный мост с выходным напряжением, пропорциональным давлению.
  • Максимальное измеряемое давление — от 0,025 бар (исполнение С41) до 25 бар (С28).
  • Чувствительность — от 1000 мВ/бар (С41) до 4,8 мВ/бар (С28).
  • Нелинейность передаточных характеристик — от ±1% (С41) до ±0,25% (С28).

 

Заключение

Этот обзор датчиков давления и температуры рассчитан на знакомство с ними целевой аудитории — разработчиков и сопровождается всей необходимой информацией для принятия первоначального решения о выборе компонента (подходит/не подходит). Дополнительную информацию, в том числе по применениям, можно получить на сайтах обеих компаний, входящих в корпорацию, в том числе — непосредственно со страниц, приведенных в списке литературы

Литература
  1. Петропавловский Ю. Современные конденсаторы корпорации TDK-EPC // Компоненты и технологии. 2013. № 2.
  2. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Sensors/TemperatureMeasurement/PDF/PDF__General__technical__information,property=Data__en.pdf;/PDF_General_technical_information.pdf /ссылка утеряна/
  3. http://www.tdk.co.jp/tfl_e/sensor_actuator/NTCG1/index.html /ссылка утеряна/
  4. http://www.tdk.co.jp/tfl_e/sensor_actuator/NTCG2/index.html /ссылка утеряна/
  5. http://www.tdk.co.jp/tefe02/sensor_actuator.htm#aname1 /ссылка утеряна/
  6. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Sensors/Sensors,locale=en.html /ссылка утеряна/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

?>