Ako sa termistor používa na meranie teploty: práca, obvody, aplikácie

Keď nastavíte vzduchovú fritézu a vypne sa v správnom momente, alebo hrniec na ryžu spadne, aby sa udržal teplý presne vtedy, keď zrno absorbuje dostatok vody, za spotrebič premýšľa malý komponent. Tým komponentom je termistor, dvojpólový odpor, ktorého odpor sa mení s teplotou. Tento článok vysvetľuje, ako sa termistor používa na meranie teploty: fyzikálny princíp, vďaka ktorému funguje, obvod, ktorý sníma jeho odpor, matematiku, ktorá prevádza tento údaj na teplotu, a praktické detaily, ktoré rozhodujú o tom, či meranie zostane počas rokov používania presné.

Odolnosť, ktorá sa mení s teplotou

Najprv záver: NTC termistor meria teplotu, pretože jeho odpor klesá známym, opakovateľným spôsobom, keď teplota stúpa. Táto jediná vlastnosť robí z pasívneho komponentu senzor.

Termistor je vyrobený z keramických polovodičových materiálov, zvyčajne oxidov kovov, spekaných do malej guľôčky, čipu alebo disku. Sú dve rodiny. Termistory so záporným teplotným koeficientom (NTC) znižujú odpor so zvyšujúcou sa teplotou; termistory s kladným teplotným koeficientom (PTC) zvyšujú odpor a častejšie sa používajú na nadprúdovú ochranu alebo samoregulačné ohrievače. Pre meranie teploty dominuje typ NTC.

Zmena je dostatočne veľká na to, aby sa dala prečítať bez komplikovanej elektroniky. Typický 10 kΩ NTC termistor dimenzovaný na 25 °C meria približne 33,6 kΩ pri 0 °C a približne 700 Ω pri 100 °C – výkyv takmer 50 ku 1 v rozsahu, v ktorom funguje väčšina domácich spotrebičov. An NTC snímač teploty preto potrebuje iba základný analógový vstup na mikrokontroléri, zatiaľ čo termočlánok by vyžadoval zosilnenie a kompenzáciu studených spojov. Táto kombinácia veľkého signálu, nízkej ceny a malých rozmerov je dôvodom, prečo sa termistory objavujú takmer v každom zariadení s regulovanou teplotou.

Ako mikrokontrolér číta termistor

Najprv záver: mikrokontrolér číta termistor cez delič napätia, pretože analógovo-digitálny prevodník (ADC) meria napätie, nie odpor.

Štandardné usporiadanie spája termistor a pevný odpor v sérii cez napájaciu koľajnicu s meracím uzlom medzi nimi. ADC meria napätie uzla a z tohto napätia sa vypočíta odpor. Ak je termistor na nízkej strane a pevný odpor na vysokej strane:

Vout = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rtermistor)

Keď sa termistor zahreje a jeho odpor klesne, na pevnom odpore klesne väčšia časť napájacieho napätia, takže Vout stúpa. Keď sa ochladí, Vout padne.

Praktický merací reťazec má štyri časti:

• Stabilné napájacie napätie, zvyčajne 3,3 V alebo 5 V
• Pevný odpor s úzkou toleranciou, najlepšie 1% alebo lepšou
• NTC termistor v balení prispôsobenom prevádzkovému prostrediu
• ADC s dostatočným rozlíšením na rozlíšenie najmenšieho teplotného kroku, na ktorom dizajn záleží

Typický 10 kΩ NTC termistor s hodnotou B 3950, spárovaný s 10 kΩ pevným odporom a napájaním 5 V, produkuje tieto hodnoty:

Všimnite si nerovnomerné rozostupy: medzi 0°C a 25°C sa výkon mení o 1,35 V, zatiaľ čo medzi 75°C a 100°C sa mení len o 0,32 V. Citlivosť je prirodzene vyššia pri nižších teplotách. Konštruktéri to buď akceptujú, preusporiadajú delič tak, aby citlivosť smerovala k operačnému oknu, alebo to opravia vo firmvéri, pretože krivka je hladká a opakovateľná.

Premena odporu na teplotu

Najprv záver: akonáhle je odpor známy, tri štandardné metódy ho prevedú na teplotu: vyhľadávacia tabuľka, rovnica B-parametra alebo Steinhart-Hartova rovnica. Voľba je kompromisom medzi jednoduchosťou, využitím pamäte a presnosťou.

Vyhľadávacia tabuľka (R-T tabuľka)

Výrobcovia zverejňujú tabuľku odporu verzus teplota pre každý typ snímača. Firmvér uloží túto tabuľku, nájde dva záznamy, ktoré zachycujú aktuálny odpor, a lineárne medzi nimi interpoluje. Toto je najrýchlejšia metóda na malom mikrokontroléri a najbežnejšia v ovládacích doskách spotrebičov. Háčik je v tom, že tabuľka sa musí zhodovať s hodnotou B snímača. Spárovanie tabuľky B = 3435 so snímačom B = 3950 vytvára chyby niekoľkých stupňov na oboch koncoch rozsahu.

B-parametrová rovnica

Pre mierny teplotný rozsah je odpor nasledovný:

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298,15)]

kde T je v kelvinoch, R25 je odpor pri 25 °C a B je materiálová konštanta, typicky medzi 3000 K a 5000 K pre termistory NTC. Táto rovnica potrebuje iba dve konštanty a je jednoduchá na implementáciu. Stráca presnosť, keď rozpätie presiahne zhruba 50 °C, ale v úzkom okne je to najrýchlejší spôsob odhadu teploty bez tabuľky.

Steinhart-Hartova rovnica

Pre najširší rozsah a najlepšiu presnosť je Steinhart-Hartova rovnica štandardnou voľbou:

1/T = A B x ln (R) C x (ln R) 3

Tri koeficienty, A, B a C (nezamieňať s vyššie uvedenou materiálovou konštantou), sú prispôsobené meranej krivke snímača. Pri dobrých koeficientoch sa táto rovnica drží v rozmedzí niekoľkých stotín stupňa v rámci menovitého rozpätia. Mikrokontrolér to vyhodnocuje niekoľkokrát za sekundu, takže výpočtové náklady sú zanedbateľné.

Bez ohľadu na to, ktorá metóda sa použije, samotný snímač nesie toleranciu. Štandardný NTC termistor má toleranciu odporu približne ±1% pri 25°C a toleranciu B-hodnoty ±1%, čo spolu znamená chybu približne ±0,5°C až ±1°C pri 100°C. Ak si návrh vyžaduje väčšiu presnosť, špecifikujte snímač vyššej triedy alebo vykonajte jednobodovú kalibráciu na výrobnej linke.

Praktické úvahy, ktoré rozhodujú o skutočnej presnosti

Najprv záver: o presnosti merania termistora rozhodujú tak inštalačné a prevádzkové podmienky, ako aj samotný senzorový prvok. V skutočných spotrebičoch spôsobujú väčšinu chýb štyri faktory.

Samozahrievanie. Predpätý prúd ohrieva snímač mierne nad meraným médiom, čím vzniká trvalá chyba. V prípade snímača zo sklenených guľôčok udržujte stratový výkon pod približne 1 mW. Na porovnanie, 10 kΩ snímač v 10 kΩ deličoch s napájaním 3,3 V rozptýli asi 0,27 mW pri 25 °C – bezpečné, ale ľahko sa to prekročí, ak sa zvýši napájacie napätie alebo sa pevný odpor výrazne zväčší.

Zhoda B-hodnoty. Dva snímače s rovnakým odporom pri 25 °C, ale rôznymi hodnotami B, snímajú pri izbovej teplote rovnaké a postupne sa od nej odchyľujú. Potvrďte, že hodnota B výrobného snímača sa zhoduje s charakteristikou vo firmvéri; nesúlad je častou hlavnou príčinou správania „dobré pri 25 °C, nesprávne pri 90 °C“.

Balenie a doba odozvy. Obnažený keramický prvok reaguje v zlomku sekundy, no zapuzdrenie ho spomaľuje. Guľôčky potiahnuté epoxidom reagujú rýchlo a vyhovujú suchému vzduchu, ktorý sa pohybuje cez vykurovacie teleso; kovové alebo silikónové utesnené sondy sú pomalšie, ale prežijú vodu, paru a čistiace prostriedky. Na výbere utesnenej sondy pre mokrú aplikáciu alebo rýchlej epoxidovej guľôčky pre prúd vzduchu záleží rovnako ako na elektrických špecifikáciách.

Umiestnenie. Termistor meria svoju vlastnú lokálnu teplotu. Musí sedieť čo najbližšie k bodu, ktorý je ovládaný - vykurovacie teleso, varný priestor alebo ohrievaná kvapalina. Niekoľko milimetrov oddelenia, prievan z chladiaceho ventilátora alebo hrubá kovová konzola, ktorá pohlcuje teplo, môže posunúť čítanie o niekoľko stupňov.

Termistorový systém na úrovni spotrebičov, špecifikovaný a inštalovaný s ohľadom na tieto štyri faktory, si zachováva svoju kalibráciu roky. Na túto úroveň predvídateľnosti sa spoliehajú výrobcovia, keď vytvárajú riadiaci algoritmus okolo lacného komponentu.

Meranie termistorov v skutočných domácich spotrebičoch

Vo výrobných zariadeniach termistor nikdy nepracuje izolovane. S riadiacou doskou sa pripája pomocou káblového zväzku a konektor, zvodové vodiče a izolácia sú súčasťou meracieho systému. Senzor s uvoľnenými svorkami alebo prasknutou izoláciou vytvára prerušované údaje, ktoré žiadna kalibrácia nedokáže opraviť. Výrobcovia preto hodnotia snímač, zväzok a konektor ako jednu zostavu a nie ako samostatné časti komodít.

Vo fritéze snímač NTC monitoruje priestor na pečenie a podáva správy do ovládača, ktorý prepne ohrievač, aby udržal nastavenú teplotu. Senzor musí reagovať rýchlo a zostať stabilný pri veľkých teplotných výkyvoch; pomalý snímač spôsobuje prekmitnutie a nerovnomerné zhnednutie.

Snímač teploty vzduchovej fritézy NTC od Cixi Tengyu Senzory NTC s rýchlou odozvou od čínskeho výrobcu podporujú stabilnú reguláciu teploty vo fritézach, čím pomáhajú predchádzať pretáčaniu a nerovnomernému zhnednutiu počas cyklov varenia. Zobraziť produkt →

Rýchlovarná kanvica je iný test. Senzor je pripevnený k vyhrievacej doske s tepelným tesnením a firmvér monitoruje rýchly nárast teploty. Ak sa tepelná väzba oslabí, kanvica sa môže zohrievať nad bod varu, kým ovládač zareaguje. Prvok s rýchlou odozvou v kombinácii so spoľahlivou montážnou konštrukciou je to, vďaka čomu sa rýchlovarná kanvica vždy spoľahlivo vypne.

Dodávateľ snímača teploty NTC pre rýchlovarnú kanvicu Tento dodávateľ ponúka snímače NTC pre rýchlovarné kanvice s tepelnou väzbou a rýchlou odozvou, aby sa zabránilo prehriatiu, čím sa zabezpečí spoľahlivé vypnutie počas varu. Zobraziť produkt →

Ryžovar posúva rovnaký princíp ďalej. Senzor je umiestnený pod vnútorným hrncom a ovládač sleduje rýchlosť nárastu teploty, aby rozhodol, kedy bola voda absorbovaná, a potom zníži výkon, aby sa udržal v teple. Ide o klasickú termistorovú aplikáciu: lacný snímač, jednoduchý rozdeľovač a dobre charakterizovaná krivka, ktoré spolu vytvárajú konzistentný výsledok varenia. Rovnaký prístup sa objavuje v zariadeniach na výrobu sójového mlieka, kuchynských robotoch a elektrických tlakových hrncoch.

Výrobca ryžovar NTC snímača teploty Senzory od tohto výrobcu sú vhodné pre variče ryže, monitorujú nárast teploty, riadia absorpciu vody a funkciu udržiavania teploty, čím podporujú konzistentné výsledky varenia. Zobraziť produkt →

Z hľadiska obstarávania praktickou otázkou nie je, či termistory merajú teplotu dobre – merajú –, ale či je dodaný snímač charakterizovaný správnou R-T krivkou, zabalený do reálneho prostredia a dodávaný s kabelážou, ktorá prežije montáž a každodenné používanie. Výber a výrobca káblového zväzku a snímača teploty NTC ktorý riadi všetky tieto prvky spolu, predchádza problémom s nesúladom, ktoré sa objavia po tom, čo sa produkty dostanú na pole.

Zrátané a podčiarknuté

Termistor meria teplotu, pretože jeho odpor sleduje opakovateľnú, dobre pochopenú krivku. Reťazec je krátky: delič napätia prevádza odpor na napätie, ADC toto napätie digitalizuje a vyhľadávacia tabuľka alebo Steinhart-Hartova rovnica ho prevádza na teplotu. Skutočná presnosť vychádza z detailov, ktoré rovnice neukazujú – samozahrievanie, prispôsobenie B-hodnoty, balenie, umiestnenie a zapojenie, ktoré spája senzor s regulátorom. Zaobchádzajte s týmito detailmi správne a komponent, ktorý stojí niekoľko centov za jednotku, udrží zariadenie v rámci jedného alebo dvoch stupňov od svojho cieľa na roky dennej prevádzky.