Jak termistor służy do pomiaru temperatury: praca, obwody, zastosowania

Kiedy ustawisz frytkownicę powietrzną, która wyłączy się w odpowiednim momencie, lub urządzenie do gotowania ryżu opadnie, aby podgrzać dokładnie wtedy, gdy ziarno wchłonie wystarczającą ilość wody, za urządzenie odpowiada mały element. Elementem tym jest termistor, rezystor z dwoma zaciskami, którego rezystancja zmienia się wraz z temperaturą. W tym artykule wyjaśniono, w jaki sposób termistor jest używany do pomiaru temperatury: zasada fizyczna, która sprawia, że ​​działa, obwód odczytujący jego rezystancję, obliczenia matematyczne, które przekształcają odczyt na temperaturę oraz praktyczne szczegóły decydujące o tym, czy pomiar pozostanie dokładny przez lata użytkowania.

Opór, który zmienia się wraz z temperaturą

Wniosek pierwszy: termistor NTC mierzy temperaturę, ponieważ jego rezystancja spada w znany i powtarzalny sposób wraz ze wzrostem temperatury. Ta pojedyncza właściwość sprawia, że ​​element pasywny staje się czujnikiem.

Termistor jest wykonany z ceramicznych materiałów półprzewodnikowych, zwykle tlenków metali, spiekanych w małą kulkę, chip lub krążek. Są dwie rodziny. Termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) zmniejszają rezystancję wraz ze wzrostem temperatury; Termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) zwiększają rezystancję i są częściej stosowane w zabezpieczeniach nadprądowych lub grzejnikach samoregulujących. W przypadku pomiaru temperatury dominuje typ NTC.

Zmiana jest na tyle duża, że ​​można ją odczytać bez skomplikowanej elektroniki. Typowy termistor NTC 10 kΩ o temperaturze znamionowej 25°C mierzy około 33,6 kΩ w temperaturze 0°C i około 700 Ω w temperaturze 100°C – co oznacza wahanie od prawie 50 do 1 w zakresie, w którym działa większość urządzeń gospodarstwa domowego. An Czujnik temperatury NTC dlatego potrzebuje jedynie podstawowego wejścia analogowego na mikrokontrolerze, podczas gdy termopara wymagałaby wzmocnienia i kompensacji zimnego złącza. To połączenie dużego sygnału, niskiego kosztu i małych rozmiarów sprawia, że ​​termistory pojawiają się w prawie każdym urządzeniu z kontrolowaną temperaturą.

Jak mikrokontroler odczytuje termistor

Wniosek pierwszy: mikrokontroler odczytuje termistor przez dzielnik napięcia, ponieważ przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) mierzy napięcie, a nie rezystancję.

Standardowy układ łączy termistor i stały rezystor szeregowo w poprzek szyny zasilającej, a węzeł pomiarowy znajduje się pomiędzy nimi. ADC mierzy napięcie węzła i na podstawie tego napięcia obliczana jest rezystancja. Jeśli termistor znajduje się po stronie niskiego napięcia, a rezystor stały po stronie wysokiej:

Vout = Vcc × Rstały / (Rstały Rtermistor)

Kiedy termistor nagrzewa się i jego rezystancja spada, większa część napięcia zasilania spada na stałym rezystorze, więc Vout wzrasta. Kiedy ostygnie, Vout upada.

Praktyczny łańcuch pomiarowy składa się z czterech części:

• Stabilne napięcie zasilania, zazwyczaj 3,3 V lub 5 V
• Stały rezystor z wąską tolerancją, najlepiej 1% lub lepszą
• Termistor NTC w obudowie dostosowanej do środowiska pracy
• ADC o wystarczającej rozdzielczości, aby rozróżnić najmniejszy krok temperatury, na którym zależy projektowi

Typowy termistor NTC 10 kΩ i wartość B 3950, w połączeniu ze stałym rezystorem 10 kΩ i zasilaniem 5 V, daje następujące odczyty:

Zwróć uwagę na nierówne odstępy: pomiędzy 0°C a 25°C moc wyjściowa zmienia się o 1,35 V, podczas gdy pomiędzy 75°C a 100°C zmienia się tylko o 0,32 V. Czułość jest naturalnie wyższa w niższych temperaturach. Projektanci albo to akceptują, przestawiają dzielnik, aby odchylić czułość w stronę okna operacyjnego, albo korygują to w oprogramowaniu sprzętowym, ponieważ krzywa jest gładka i powtarzalna.

Zamiana oporu na temperaturę

Wniosek pierwszy: gdy znany jest opór, trzy standardowe metody przekształcają go w temperaturę: tabela przeglądowa, równanie parametru B lub równanie Steinharta-Harta. Wybór jest kompromisem pomiędzy prostotą, wykorzystaniem pamięci i dokładnością.

Tabela przeglądowa (tabela R-T)

Producenci publikują tabelę rezystancji w zależności od temperatury dla każdego typu czujnika. Oprogramowanie sprzętowe przechowuje tę tabelę, znajduje dwa wpisy obejmujące aktualną rezystancję i interpoluje liniowo między nimi. Jest to najszybsza metoda na małym mikrokontrolerze i najczęściej stosowana w płytach sterujących urządzeń. Problem polega na tym, że tabela musi odpowiadać wartości B czujnika. Połączenie tabeli B = 3435 z czujnikiem B = 3950 powoduje błędy rzędu kilku stopni na obu końcach zakresu.

Równanie parametru B

Dla umiarkowanego zakresu temperatur rezystancja jest następująca:

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

gdzie T jest wyrażone w stopniach Kelwina, R25 to rezystancja w temperaturze 25°C, a B to stała materiałowa, zazwyczaj w zakresie od 3000 K do 5000 K w przypadku termistorów NTC. To równanie wymaga tylko dwóch stałych i jest proste do wdrożenia. Traci dokładność, gdy rozpiętość przekracza około 50°C, ale w wąskim oknie jest najszybszym sposobem oszacowania temperatury bez tabeli.

Równanie Steinharta-Harta

Aby uzyskać najszerszy zakres i najlepszą dokładność, standardowym wyborem jest równanie Steinharta-Harta:

1/T = ZA B × ln(R) C × (ln R)^3

Trzy współczynniki A, B i C (nie mylić ze stałą materiałową powyżej) są dopasowane do zmierzonej krzywej czujnika. Przy dobrych współczynnikach równanie to mieści się w zakresie kilku setnych stopnia w całym zakresie znamionowym. Mikrokontroler ocenia to kilka razy na sekundę, więc koszt obliczeń jest znikomy.

Niezależnie od zastosowanej metody, sam czujnik charakteryzuje się tolerancją. Standardowy termistor NTC ma tolerancję rezystancji około ±1% przy 25°C i tolerancję wartości B wynoszącą ±1%, co razem przekłada się na błąd w przybliżeniu od ±0,5°C do ±1°C przy 100°C. Jeśli projekt wymaga większej dokładności, wybierz czujnik wyższej klasy lub wykonaj kalibrację jednopunktową na linii produkcyjnej.

Względy praktyczne decydujące o rzeczywistej dokładności

Wniosek pierwszy: o dokładności pomiaru termistora decydują w równym stopniu warunki instalacji i pracy, jak i sam element czujnikowy. W prawdziwych urządzeniach cztery czynniki powodują większość błędów.

Samonagrzewające się. Prąd polaryzacji podgrzewa czujnik nieco powyżej mierzonego medium, powodując trwały błąd. Utrzymuj straty mocy poniżej około 1 mW dla czujnika z kulką szklaną. Dla porównania, czujnik 10 kΩ w dzielniku 10 kΩ z zasilaniem 3,3 V rozprasza około 0,27 mW w temperaturze 25°C – jest to bezpieczne, ale łatwe do przekroczenia, jeśli napięcie zasilania zostanie zwiększone lub stały rezystor zostanie znacznie większy.

Dopasowanie wartości B. Dwa czujniki o tej samej rezystancji w temperaturze 25°C, ale różnych wartościach B, odczytują to samo w temperaturze pokojowej i stopniowo się od niej oddalają. Potwierdź, że wartość B czujnika produkcyjnego odpowiada charakterystyce w oprogramowaniu sprzętowym; niedopasowanie jest częstą przyczyną zachowania „dobrego w 25°C, złego w 90°C”.

Opakowanie i czas reakcji. Goły element ceramiczny reaguje w ułamku sekundy, ale hermetyzacja go spowalnia. Koraliki pokryte żywicą epoksydową reagują szybko i dostosowują się do suchego powietrza przepływającego przez element grzejny; sondy z uszczelnieniem metalowym lub silikonowym są wolniejsze, ale wytrzymują wodę, parę i środki czyszczące. Wybór uszczelnionej sondy do zastosowań na mokro lub szybkiej kulki epoksydowej do strumienia powietrza jest tak samo ważny, jak specyfikacja elektryczna.

Umieszczenie. Termistor mierzy własną lokalną temperaturę. Musi znajdować się jak najbliżej kontrolowanego punktu – elementu grzejnego, komory gotowania lub podgrzewanej cieczy. Kilka milimetrów odległości, przeciąg z wentylatora chłodzącego lub gruby metalowy wspornik pochłaniający ciepło mogą przesunąć odczyt o kilka stopni.

System termistorowy klasy sprzętowej, określony i zainstalowany z uwzględnieniem tych czterech czynników, zachowuje swoją kalibrację przez lata. Na tym poziomie przewidywalności polegają producenci, budując algorytm sterowania wokół taniego komponentu.

Pomiar termistora w rzeczywistych urządzeniach gospodarstwa domowego

W urządzeniach produkcyjnych termistor nigdy nie działa w izolacji. Łączy się z płytą sterującą poprzez wiązkę przewodów, a złącze, przewody doprowadzające i izolacja stanowią część układu pomiarowego. Czujnik z luźnymi zaciskami lub pękniętą izolacją generuje sporadyczne odczyty, których żadna kalibracja nie jest w stanie skorygować. Dlatego producenci oceniają czujnik, wiązkę przewodów i złącze jako jeden zespół, a nie jako oddzielne części towarowe.

We frytkownicy czujnik NTC monitoruje komorę gotowania i raportuje do sterownika, który przełącza grzałkę tak, aby utrzymywała ustawioną temperaturę. Czujnik musi reagować szybko i zachować stabilność przy dużych wahaniach temperatury; powolny czujnik powoduje przeregulowanie i nierówne brązowienie.

Czujnik temperatury NTC frytkownicy firmy Cixi Tengyu Szybko reagujące czujniki NTC chińskiego producenta zapewniają stabilną kontrolę temperatury we frytownicach, pomagając uniknąć przeregulowania i nierównomiernego brązowienia podczas cykli gotowania. Zobacz produkt →

Czajnik elektryczny to inny test. Czujnik montowany jest na płycie grzewczej za pomocą uszczelki termicznej, a oprogramowanie monitoruje szybki wzrost temperatury. Jeśli połączenie termiczne osłabnie, czajnik może kontynuować ogrzewanie powyżej temperatury wrzenia, zanim sterownik zareaguje. Szybko reagujący element w połączeniu z niezawodną konstrukcją montażową sprawia, że ​​czajnik elektryczny wyłącza się niezawodnie za każdym razem.

Dostawca czujników temperatury NTC do czajników elektrycznych Dostawca ten oferuje czujniki NTC do czajników elektrycznych ze sprzężeniem termicznym i szybką reakcją, aby zapobiec przegrzaniu, zapewniając niezawodne wyłączenie podczas gotowania. Zobacz produkt →

Urządzenie do gotowania ryżu idzie dalej tą samą zasadą. Czujnik znajduje się pod doniczką wewnętrzną, a sterownik monitoruje tempo wzrostu temperatury, aby zdecydować, kiedy woda zostanie wchłonięta, a następnie zmniejsza moc, aby utrzymać ciepło. Jest to klasyczne zastosowanie termistora: niedrogi czujnik, prosty rozdzielacz i dobrze scharakteryzowana krzywa współpracują ze sobą, aby zapewnić spójny wynik gotowania. To samo podejście widać w urządzeniach do wytwarzania mleka sojowego, robotach kuchennych i szybkowarach elektrycznych.

Producent czujnika temperatury NTC do urządzenia do gotowania ryżu Czujniki tego producenta nadają się do urządzeń do gotowania ryżu i monitorują wzrost temperatury w celu zarządzania absorpcją wody i funkcją utrzymywania ciepła, zapewniając spójne rezultaty gotowania. Zobacz produkt →

Z punktu widzenia zaopatrzenia praktyczne pytanie nie dotyczy tego, czy termistory dobrze mierzą temperaturę – rzeczywiście tak jest – ale czy dostarczony czujnik charakteryzuje się prawidłową krzywą R-T, jest zapakowany do użytku w rzeczywistych warunkach i dostarczony z okablowaniem, które wytrzymuje montaż i codzienne użytkowanie. Wybór producent wiązek przewodów i czujnika temperatury NTC który kontroluje wszystkie te elementy razem, pozwala uniknąć problemów z niedopasowaniem, które pojawiają się po dotarciu produktów na pole.

Konkluzja

Termistor mierzy temperaturę, ponieważ jego rezystancja ma powtarzalną, dobrze poznaną krzywą. Łańcuch jest krótki: dzielnik napięcia przekształca rezystancję na napięcie, przetwornik ADC digitalizuje to napięcie, a tabela przeglądowa lub równanie Steinharta-Harta przekształca je na temperaturę. Prawdziwa dokładność wynika ze szczegółów, których nie pokazują równania – samonagrzewania, dopasowania wartości B, opakowania, umiejscowienia i okablowania łączącego czujnik ze sterownikiem. Należy odpowiednio obchodzić się z tymi szczegółami, a komponent, który kosztuje kilka centów za sztukę, utrzyma urządzenie w stopniu o jeden lub dwa od jego docelowej wartości przez lata codziennej pracy.