Hogyan használjuk a termisztort a hőmérséklet mérésére: működés, áramkörök, alkalmazások

Amikor beállít egy légsütőt, és az éppen a megfelelő pillanatban kapcsol ki, vagy a rizsfőző pontosan akkor esik le, hogy melegen tartsa, amikor a gabona már elegendő vizet magába szívott, egy apró alkatrész dolgozik a készülékért. Ez az alkatrész a termisztor, egy kétpólusú ellenállás, amelynek ellenállása a hőmérséklettel változik. Ez a cikk elmagyarázza, hogyan használják a termisztort a hőmérséklet mérésére: a működést biztosító fizikai elvet, az ellenállását leolvasó áramkört, a leolvasott értékeket hőmérsékletgé alakító matematikát, valamint azokat a gyakorlati részleteket, amelyek eldöntik, hogy a mérés pontos marad-e az évek során.

A hőmérséklettel változó ellenállás

Első következtetés: egy NTC termisztor méri a hőmérsékletet, mert ellenállása a hőmérséklet emelkedésével ismert, megismételhető módon csökken. Ez az egyetlen tulajdonság az, ami a passzív komponenst érzékelővé változtatja.

A termisztor kerámia félvezető anyagokból, általában fém-oxidokból készül, kis gyöngyökké, chipekké vagy korongokká szinterezve. Két család van. A negatív hőmérsékleti együttható (NTC) termisztorok csökkentik az ellenállást a hőmérséklet növekedésével; A pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok növelik az ellenállást, és gyakrabban használják túláramvédelemre vagy önszabályozó fűtőberendezésekre. A hőmérsékletmérésnél az NTC típus dominál.

A változás elég nagy ahhoz, hogy bonyolult elektronika nélkül is leolvasható legyen. Egy tipikus 10 kΩ-os 25°C-os NTC termisztor 0°C-on körülbelül 33,6 kΩ-ot, 100°C-on pedig körülbelül 700 Ω-t mér – ez közel 50:1-es kilengés a legtöbb háztartási készülék működési tartományában. An NTC hőmérséklet érzékelő ezért csak egy alap analóg bemenetre van szüksége egy mikrokontrolleren, míg a hőelemhez erősítést és hidegátmenet kompenzációt igényel. A nagy jel, az alacsony költség és a kis méret kombinációja miatt a termisztorok szinte minden hőmérséklet-szabályozott készülékben megjelennek.

Hogyan olvassa be a mikrokontroller a termisztort

Első következtetés: egy mikrokontroller egy feszültségosztón keresztül olvassa be a termisztort, mivel az analóg-digitális átalakító (ADC) feszültséget mér, nem ellenállást.

A szabványos elrendezés a termisztort és a rögzített ellenállást sorba köti a tápsínen keresztül, köztük a mérőcsomóponttal. Az ADC méri a csomóponti feszültséget, és ebből a feszültségből számítja ki az ellenállást. Ha a termisztor az alsó, a fix ellenállás pedig a felső oldalon van:

Vout = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rtermisztor)

Amikor a termisztor felmelegszik és az ellenállása csökken, a tápfeszültség nagyobb része csökken a rögzített ellenálláson, így a Vout emelkedik. Amikor lehűl, Vout leesik.

A gyakorlati mérési lánc négy részből áll:

• Stabil tápfeszültség, jellemzően 3,3 V vagy 5 V
• Rögzített ellenállás szűk tűréssel, lehetőleg 1% vagy jobb
• Az NTC termisztor a működési környezetnek megfelelő csomagban
• Egy ADC, amely elegendő felbontással rendelkezik ahhoz, hogy megkülönböztesse a legkisebb hőmérsékleti fokozatot, amelyre a tervezés fontos

Egy tipikus 10 kΩ-os NTC termisztor 3950 B értékű, 10 kΩ-os fix ellenállással és 5 V-os tápellátással párosítva a következő értékeket produkálja:

Figyelje meg az egyenetlen távolságot: 0°C és 25°C között a kimenet 1,35 V-tal, míg 75°C és 100°C között csak 0,32 V-tal változik. Az érzékenység természetesen magasabb alacsonyabb hőmérsékleten. A tervezők vagy elfogadják ezt, átrendezik az elválasztót, hogy az érzékenységet a kezelőablak felé tolják, vagy kijavítják a firmware-ben, mert a görbe sima és megismételhető.

Az ellenállás átalakítása hőmérsékletté

Első következtetés: ha az ellenállás ismert, három szabványos módszer alakítja át hőmérsékletté: egy keresőtábla, a B-paraméter egyenlet vagy a Steinhart-Hart egyenlet. A választás kompromisszum az egyszerűség, a memóriahasználat és a pontosság között.

Keresőtábla (R-T táblázat)

A gyártók minden érzékelőtípushoz közzétesznek egy ellenállás-hőmérséklet-táblázatot. A firmware tárolja ezt a táblázatot, megkeresi az áramellenállást zárójelben lévő két bejegyzést, és lineárisan interpolál köztük. Ez a leggyorsabb módszer kis mikrokontrollereken, és a legelterjedtebb a készülék vezérlőkártyáiban. A bökkenő az, hogy a táblázatnak meg kell egyeznie az érzékelő B értékével. A B = 3435 táblázat és a B = 3950 érzékelő párosítása több fokos hibát eredményez a tartomány mindkét végén.

B-paraméter egyenlet

Mérsékelt hőmérsékleti tartomány esetén az ellenállás a következő:

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

ahol T kelvinben van megadva, R25 az ellenállás 25°C-on, B pedig az anyagállandó, NTC termisztorok esetében jellemzően 3000 K és 5000 K között. Ennek az egyenletnek csak két állandóra van szüksége, és egyszerűen megvalósítható. Pontosságát veszti, ha a fesztáv meghaladja az 50°C-ot, de szűk ablakon belül ez a leggyorsabb módja a hőmérséklet becslésének táblázat nélkül.

Steinhart-Hart egyenlet

A legszélesebb tartomány és a legjobb pontosság érdekében a Steinhart-Hart egyenlet a standard választás:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

A három együttható, A, B és C (nem tévesztendő össze a fenti anyagállandóval) az érzékelő mért görbéjére illesztve. Jó együtthatókkal ez az egyenlet néhány század fokon belül érvényesül a névleges tartományban. Egy mikrokontroller másodpercenként néhányszor kiértékeli, így a számítási költség elhanyagolható.

Bármelyik módszert is alkalmazzuk, az érzékelő maga viseli a tűréshatárt. Egy szabványos NTC termisztor ellenállástűrése körülbelül ±1% 25 °C-on, a B-érték tűrése pedig ±1%, ami együttesen nagyjából ±0,5 °C és ±1 °C közötti hibatűrést jelent 100 °C-on. Ha a tervezés nagyobb pontosságot igényel, adjon meg egy magasabb minőségű érzékelőt, vagy végezzen egypontos kalibrálást a gyártósoron.

Gyakorlati megfontolások, amelyek meghatározzák a valódi pontosságot

Első következtetés: a termisztoros mérés pontosságát éppúgy a beépítési és működési feltételek, mint maga az érzékelőelem határozza meg. A valódi készülékekben négy tényező okozza a legtöbb hibát.

Önmelegedő. Az előfeszítő áram az érzékelőt valamivel a mért közeg fölé melegíti, állandó hibát okozva. Az üveggyöngy-érzékelő esetében tartsa körülbelül 1 mW alatt a teljesítménydisszipációt. Referenciaként egy 10 kΩ-os érzékelő egy 10 kΩ-os osztóban 3,3 V-os tápellátással körülbelül 0,27 mW-ot disszipál 25 °C-on – biztonságos, de könnyen túlléphető, ha a tápfeszültséget emelik, vagy a fix ellenállást sokkal nagyobbra alakítják.

B-érték egyeztetés. Két 25°C-on azonos ellenállású, de eltérő B-értékkel rendelkező érzékelő szobahőmérsékleten ugyanazt olvassa le, és fokozatosan tér el attól. Győződjön meg arról, hogy a gyártási érzékelő B értéke megegyezik a firmware-ben szereplő jellemzéssel; az eltérés a "25°C-on jó, 90°C-on rossz" viselkedés gyakori oka.

Csomagolás és válaszidő. A csupasz kerámia elem a másodperc töredéke alatt reagál, de a tokozás lelassítja. Az epoxibevonatú gyöngyök gyorsan reagálnak, és megfelelnek a fűtőelemen áthaladó száraz levegőnek; A fém vagy szilikon tömítésű szondák lassabbak, de túlélik a vizet, a gőzt és a tisztítószereket. A zárt szonda kiválasztása nedves alkalmazáshoz vagy egy gyors epoxigyöngy kiválasztása légáramhoz ugyanolyan fontos, mint az elektromos specifikáció.

Elhelyezés. A termisztor a saját helyi hőmérsékletét méri. A lehető legközelebb kell ülnie a szabályozott ponthoz - a fűtőelemhez, a főzőüreghez vagy a melegített folyadékhoz. Néhány milliméteres távolság, a hűtőventilátorból származó huzat vagy a hőt elnyelő vastag fémkonzol több fokkal eltolhatja a leolvasott értéket.

Egy készülék-minőségű termisztorrendszer, amelyet e négy tényező figyelembevételével határoztak meg és telepítettek, évekig megőrzik kalibrációját. A kiszámíthatóság ezen szintjére támaszkodnak a gyártók, amikor egy alacsony költségű komponens köré vezérlő algoritmust építenek.

Termisztoros mérés valódi háztartási készülékekben

Gyártó berendezésekben a termisztor soha nem működik elszigetelten. Kábelkötegen keresztül csatlakozik a vezérlőkártyához, a csatlakozó, a vezetékek és a szigetelés pedig a mérőrendszer részét képezik. A laza kapcsokkal vagy repedt szigeteléssel rendelkező érzékelő szaggatott leolvasást ad, amelyet semmilyen kalibráció nem tud korrigálni. A gyártók ezért az érzékelőt, a kábelköteget és a csatlakozót egy szerelvényként értékelik, nem pedig külön árualkatrészként.

Légsütőben az NTC érzékelő figyeli a sütési üreget, és jelentést küld a vezérlőnek, amely átkapcsolja a fűtőtestet, hogy tartsa a beállított hőmérsékletet. Az érzékelőnek gyorsan kell reagálnia, és stabilnak kell maradnia széles hőmérséklet-ingadozások esetén is; a lassú érzékelő túllövést és egyenetlen barnulást okoz.

Air Fryer NTC hőmérséklet-érzékelő a Cixi Tengyu-tól Egy kínai gyártó gyors reagálású NTC érzékelői stabil hőmérséklet-szabályozást támogatnak a légsütőkben, így elkerülhetők a túlmelegedés és az egyenetlen barnulás a főzési ciklusok során. Termék megtekintése →

Az elektromos vízforraló egy másik teszt. Az érzékelő a fűtőlemezhez van rögzítve hőszigeteléssel, és a firmware figyeli a gyors hőmérséklet-emelkedést. Ha a hőcsatolás gyengül, a vízforraló tovább melegítheti a forráspontot, mielőtt a vezérlő reagálna. A gyors reagálású elem megbízható rögzítési szerkezettel kombinálva az elektromos vízforralót minden alkalommal megbízhatóan kikapcsolja.

Elektromos vízforraló NTC hőmérséklet-érzékelő szállító Ez a szállító NTC érzékelőket kínál az elektromos vízforralókhoz, hőcsatlakozóval és gyors reagálással a túlmelegedés megelőzése érdekében, biztosítva a megbízható lekapcsolást forrás közben. Termék megtekintése →

A rizsfőző ugyanezt az elvet továbbviszi. Az érzékelő a belső edény alatt helyezkedik el, és a vezérlő figyeli a hőmérséklet-emelkedés sebességét, hogy eldöntse, mikor szívódott fel a víz, majd csökkenti a teljesítményt, hogy melegen tartsa. Ez egy klasszikus termisztor-alkalmazás: egy alacsony költségű érzékelő, egy egyszerű elválasztó és egy jól jellemezhető görbe együttesen biztosít egyenletes főzési eredményt. Ugyanez a megközelítés jelenik meg a szójatej-készítőkben, az élelmiszer-feldolgozókban és az elektromos gyorsfőző berendezésekben.

Rizsfőző NTC hőmérséklet-érzékelő gyártó Ennek a készítőnek az érzékelői alkalmasak rizsfőzőkhöz, figyelik a hőmérséklet-emelkedést a vízfelvétel és a melegen tartás funkciójának szabályozására, így biztosítva az egyenletes főzési eredményeket. Termék megtekintése →

Beszerzési szempontból a gyakorlati kérdés nem az, hogy a termisztorok jól mérik-e a hőmérsékletet - igen -, hanem az, hogy a szállított érzékelőt a megfelelő R-T görbével jellemezték-e, a valós környezethez csomagolva, és olyan vezetékekkel szállítják-e, amelyek túlélik az összeszerelést és a napi használatot. Kiválasztva a kábelköteg és NTC hőmérséklet-érzékelő gyártója amely ezeket az elemeket együttesen vezérli, elkerüli az eltérési problémákat, amelyek azután jelennek meg, hogy a termékek elérik a teret.

A lényeg

A termisztor hőmérsékletet mér, mert ellenállása megismételhető, jól érthető görbét követ. A lánc rövid: egy feszültségosztó alakítja át az ellenállást feszültséggé, egy ADC digitalizálja ezt a feszültséget, és egy keresőtábla vagy a Steinhart-Hart egyenlet alakítja át hőmérsékletté. Az igazi pontosság azokból a részletekből fakad, amelyeket az egyenletek nem mutatnak meg - önmelegedés, B-érték egyeztetés, csomagolás, elhelyezés és az érzékelőt a vezérlővel összekötő vezetékek. Kezelje megfelelően ezeket a részleteket, és az egységenként néhány centbe kerülő alkatrész egy-két fokon belül tartja a készüléket a kitűzött célhoz képest, és évekig használható.