Kako se termistor koristi za mjerenje temperature: rad, strujni krugovi, primjene

Kada namjestite fritezu i ona se isključi u pravom trenutku, ili kuhalo za rižu padne kako bi održalo toplinu točno kada zrno upije dovoljno vode, mala komponenta razmišlja umjesto uređaja. Ta komponenta je termistor, otpornik s dva priključka čiji se otpor mijenja s temperaturom. Ovaj članak objašnjava kako se termistor koristi za mjerenje temperature: fizikalni princip koji omogućuje njegov rad, krug koji očitava njegov otpor, matematiku koja pretvara to očitanje u temperaturu i praktične detalje koji odlučuju hoće li mjerenje ostati točno tijekom godina korištenja.

Otpor koji se mijenja s temperaturom

Prvi zaključak: NTC termistor mjeri temperaturu jer njegov otpor opada na poznat, ponovljiv način kako temperatura raste. To jedino svojstvo je ono što pretvara pasivnu komponentu u senzor.

Termistor je izrađen od keramičkih poluvodičkih materijala, obično metalnih oksida, sinteriranih u malo zrno, čip ili disk. Postoje dvije obitelji. Termistori s negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC) smanjuju otpor kako temperatura raste; termistori s pozitivnim temperaturnim koeficijentom (PTC) povećavaju otpor i češće se koriste za prekostrujnu zaštitu ili samoregulirajuće grijače. Za mjerenje temperature dominira NTC tip.

Promjena je dovoljno velika da se može očitati bez složene elektronike. Tipični NTC termistor od 10 kΩ ocijenjen na 25°C mjeri oko 33,6 kΩ na 0°C i oko 700 Ω na 100°C - zaokret od gotovo 50 prema 1 u rasponu u kojem radi većina kućanskih aparata. An NTC senzor temperature stoga treba samo osnovni analogni ulaz na mikrokontroleru, dok bi termopar zahtijevao pojačanje i kompenzaciju hladnog spoja. Ova kombinacija velikog signala, niske cijene i male veličine razlog je zašto se termistori pojavljuju u gotovo svakom uređaju s kontroliranom temperaturom.

Kako mikrokontroler očitava termistor

Prvi zaključak: mikrokontroler očitava termistor kroz razdjelnik napona, jer analogno-digitalni pretvarač (ADC) mjeri napon, a ne otpor.

Standardni raspored povezuje termistor i fiksni otpornik u seriju preko dovodne tračnice, s mjernim čvorom između njih. ADC mjeri napon čvora, a otpor se izračunava iz tog napona. Ako je termistor na niskoj strani, a fiksni otpornik na visokoj strani:

Vout = Vcc × Rfiksni / (Rfiksni Rtermistor)

Kada se termistor zagrije i njegov otpor opadne, više napona napajanja padne preko fiksnog otpornika, tako da Vout raste. Kad se ohladi, Vout pada.

Praktični mjerni lanac ima četiri dijela:

• Stabilan napon napajanja, obično 3,3 V ili 5 V
• Fiksni otpornik s malom tolerancijom, po mogućnosti 1% ili boljom
• NTC termistor u pakiranju prilagođenom radnom okruženju
• ADC s dovoljnom rezolucijom da razlikuje najmanji temperaturni korak koji je dizajnu stalo

Tipični NTC termistor od 10 kΩ s B vrijednošću od 3950, uparen s fiksnim otpornikom od 10 kΩ i napajanjem od 5 V, daje ova očitanja:

Primijetite neravnomjeran razmak: između 0°C i 25°C izlaz se mijenja za 1,35 V, dok se između 75°C i 100°C mijenja za samo 0,32 V. Osjetljivost je prirodno veća na nižim temperaturama. Dizajneri to prihvaćaju, preuređuju razdjelnik prema osjetljivosti prednaprezanja prema radnom prozoru ili ga ispravljaju u firmveru jer je krivulja glatka i ponovljiva.

Pretvaranje otpora u temperaturu

Prvi zaključak: kada je otpor poznat, tri standardne metode pretvaraju ga u temperaturu: pregledna tablica, jednadžba B-parametra ili Steinhart-Hart jednadžba. Izbor je kompromis između jednostavnosti, korištenja memorije i točnosti.

Pregledna tablica (RT tablica)

Proizvođači objavljuju tablicu otpora prema temperaturi za svaki tip senzora. Firmware pohranjuje tu tablicu, pronalazi dva unosa koji označavaju trenutni otpor i linearno ih interpolira. Ovo je najbrža metoda na malom mikrokontroleru i najčešća u upravljačkim pločama uređaja. Kvaka je u tome što tablica mora odgovarati B vrijednosti senzora. Uparivanje tablice B = 3435 sa senzorom B = 3950 proizvodi pogreške od nekoliko stupnjeva na oba kraja raspona.

Jednadžba B-parametra

Za umjeren temperaturni raspon otpor je sljedeći:

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

gdje je T u kelvinima, R25 je otpor na 25°C, a B je konstanta materijala, obično između 3000 K i 5000 K za NTC termistore. Ova jednadžba zahtijeva samo dvije konstante i jednostavna je za implementaciju. Gubi točnost kada raspon prijeđe otprilike 50°C, ali unutar uskog prozora to je najbrži način za procjenu temperature bez tablice.

Steinhart-Hartova jednadžba

Za najširi raspon i najbolju točnost, Steinhart-Hart jednadžba je standardni izbor:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Tri koeficijenta, A, B i C (ne treba ih brkati s gornjom konstantom materijala), prilagođavaju se izmjerenoj krivulji senzora. S dobrim koeficijentima, ova jednadžba vrijedi unutar nekoliko stotinki stupnja u nazivnom rasponu. Mikrokontroler ga procjenjuje nekoliko puta u sekundi, tako da je trošak računanja zanemariv.

Bez obzira koja se metoda koristi, sam senzor nosi toleranciju. Standardni NTC termistor ima toleranciju otpora od oko ±1% na 25°C i toleranciju B-vrijednosti od ±1%, što zajedno znači otprilike ±0,5°C do ±1°C pogreške na 100°C. Ako dizajn zahtijeva veću točnost, odredite senzor višeg stupnja ili izvedite kalibraciju u jednoj točki na proizvodnoj liniji.

Praktična razmatranja koja odlučuju o stvarnoj točnosti

Prvi zaključak: o točnosti mjerenja termistora odlučuju uvjeti instalacije i rada koliko i sam senzorski element. U stvarnim uređajima četiri faktora uzrokuju većinu pogreške.

Samozagrijavanje. Struja prednapona zagrijava senzor malo iznad mjerenog medija, stvarajući stalnu pogrešku. Održavajte disipaciju snage ispod otprilike 1 mW za senzor od staklenih perli. Kao referenca, senzor od 10 kΩ u razdjelniku od 10 kΩ s napajanjem od 3,3 V rasipa oko 0,27 mW na 25°C - sigurno, ali se lako premašuje ako se povisi napon napajanja ili je fiksni otpornik mnogo veći.

Usklađivanje B-vrijednosti. Dva senzora s istim otporom na 25°C, ali različitim B vrijednostima očitavaju isto na sobnoj temperaturi i postupno odstupaju od nje. Potvrdite da vrijednost B proizvodnog senzora odgovara karakterizaciji u firmveru; neusklađenost je čest uzrok ponašanja "dobro na 25°C, pogrešno na 90°C".

Pakiranje i vrijeme odgovora. Goli keramički element reagira u djeliću sekunde, ali ga inkapsulacija usporava. Kuglice obložene epoksidom brzo reagiraju i odgovaraju suhom zraku koji se kreće preko grijaćeg elementa; metalne ili silikonom zabrtvljene sonde su sporije, ali podnose vodu, paru i sredstva za čišćenje. Odabir zatvorene sonde za mokru primjenu ili brze epoksidne kuglice za struju zraka važan je jednako kao i električna specifikacija.

Plasman. Termistor mjeri vlastitu lokalnu temperaturu. Mora biti što je moguće bliže točki koja se kontrolira - grijaćem elementu, pećnici ili tekućini koja se zagrijava. Nekoliko milimetara razmaka, propuh iz ventilatora za hlađenje ili debeli metalni nosač koji odvodi toplinu mogu pomaknuti očitanje za nekoliko stupnjeva.

Sustav termistora za uređaje, specificiran i instaliran imajući na umu ova četiri faktora, održava svoju kalibraciju godinama. Ova razina predvidljivosti ono je na što se proizvođači oslanjaju kada grade kontrolni algoritam oko jeftine komponente.

Mjerenje termistora u pravim kućanskim aparatima

U proizvodnim uređajima, termistor nikada ne radi izolirano. Spaja se na upravljačku ploču preko kabelskog svežnja, a konektor, vodovi i izolacija dio su mjernog sustava. Senzor s labavim terminalima ili napuklom izolacijom proizvodi isprekidana očitanja koja nijedna kalibracija ne može ispraviti. Proizvođači stoga ocjenjuju senzor, kabelski svežanj i konektor kao jedan sklop, a ne kao zasebne dijelove robe.

U zračnoj fritezi, NTC senzor nadzire pećnicu i javlja upravljaču koji prebacuje grijač da održava zadanu temperaturu. Senzor mora brzo reagirati i ostati stabilan tijekom velikih oscilacija temperature; spor senzor uzrokuje prekoračenje i neravnomjerno tamnjenje.

NTC senzor temperature friteze iz Cixi Tengyu NTC senzori brzog odziva kineskog proizvođača podržavaju stabilnu kontrolu temperature u fritezama, pomažući u izbjegavanju prekoračenja i neravnomjernog tamnjenja tijekom ciklusa kuhanja. Pogledajte proizvod →

Električni kuhalo je drugačiji test. Senzor se montira na grijaću ploču s toplinskom brtvom, a firmware prati brzi porast temperature. Ako toplinska veza oslabi, kuhalo za vodu može nastaviti grijati iznad točke vrenja prije nego što regulator reagira. Element brzog odziva u kombinaciji s pouzdanom konstrukcijom za montažu ono je što čini kuhalo za vodu sigurnim isključivanjem svaki put.

Dobavljač senzora temperature NTC za električno kuhalo Ovaj dobavljač nudi NTC senzore za kuhala za vodu, s toplinskom spojkom i brzim odzivom za sprječavanje pregrijavanja, osiguravajući pouzdano isključivanje tijekom vrenja. Pogledajte proizvod →

Kuhalo za rižu nastavlja isti princip. Senzor se nalazi ispod unutarnjeg lonca, a kontroler prati brzinu porasta temperature kako bi odlučio kada je voda apsorbirana, a zatim ispušta snagu radi održavanja topline. To je klasična primjena termistora: jeftini senzor, jednostavan razdjelnik i dobro karakterizirana krivulja rade zajedno kako bi proizveli dosljedan rezultat kuhanja. Isti se pristup pojavljuje kod proizvođača sojinog mlijeka, procesora hrane i električnih ekspres lonca.

Proizvođač NTC temperaturnog senzora za kuhalo riže Senzori ovog proizvođača prikladni su za kuhala riže, prate porast temperature radi upravljanja upijanjem vode i funkcije održavanja topline, podržavajući dosljedne rezultate kuhanja. Pogledajte proizvod →

Sa stajališta nabave, praktično pitanje nije mjere li termistori dobro temperaturu - oni to čine - već je li isporučeni senzor karakteriziran ispravnom R-T krivuljom, pakiran za stvarno okruženje i isporučen s ožičenjem koje može preživjeti sastavljanje i svakodnevnu upotrebu. Odabir a proizvođač kabelskog svežnja i NTC senzora temperature koji kontrolira sve te elemente zajedno izbjegava probleme neusklađenosti koji se pojavljuju nakon što proizvodi stignu na polje.

Suština

Termistor mjeri temperaturu jer njegov otpor slijedi ponovljivu, dobro razumljivu krivulju. Lanac je kratak: razdjelnik napona pretvara otpor u napon, ADC digitalizira taj napon, a tablica za pretraživanje ili Steinhart-Hart jednadžba pretvaraju ga u temperaturu. Prava točnost proizlazi iz detalja koje jednadžbe ne pokazuju - samozagrijavanje, podudaranje B-vrijednosti, pakiranje, smještaj i ožičenje koje povezuje senzor s regulatorom. Pravilno postupajte s tim detaljima i komponenta koja košta nekoliko centi po jedinici držat će uređaj unutar stupnja ili dva od cilja tijekom godina svakodnevnog rada.