Jak se termistor používá k měření teploty: Práce, obvody, aplikace

Když nastavíte vzduchovou fritézu a vypne se ve správnou chvíli nebo rýžovar klesne, aby se udržoval v teple přesně tehdy, když zrno absorbuje dostatek vody, za spotřebič přemýšlí malá součástka. Touto součástí je termistor, dvousvorkový rezistor, jehož odpor se mění s teplotou. Tento článek vysvětluje, jak se termistor používá k měření teploty: fyzikální princip, díky kterému funguje, obvod, který čte jeho odpor, matematiku, která převádí tento údaj na teplotu, a praktické detaily, které rozhodují o tom, zda měření zůstane přesné po léta používání.

Odolnost, která se mění s teplotou

Nejprve závěr: NTC termistor měří teplotu, protože jeho odpor klesá známým, opakovatelným způsobem, jak teplota stoupá. Tato jediná vlastnost je to, co mění pasivní součást na senzor.

Termistor je vyroben z keramických polovodičových materiálů, obvykle oxidů kovů, slinutých do malé kuličky, čipu nebo disku. Jsou dvě rodiny. Termistory se záporným teplotním koeficientem (NTC) snižují odpor s rostoucí teplotou; termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC) zvyšují odpor a častěji se používají pro nadproudovou ochranu nebo samoregulační ohřívače. Pro měření teploty dominuje typ NTC.

Změna je dostatečně velká, aby se dala přečíst bez složité elektroniky. Typický 10 kΩ NTC termistor dimenzovaný na 25 °C měří asi 33,6 kΩ při 0 °C a asi 700 Ω při 100 °C – výkyv téměř 50 ku 1 v rozsahu, kde pracuje většina domácích spotřebičů. An NTC teplotní senzor proto potřebuje pouze základní analogový vstup na mikrokontroléru, zatímco termočlánek by vyžadoval zesílení a kompenzaci studeného konce. Tato kombinace velkého signálu, nízké ceny a malých rozměrů je důvodem, proč se termistory objevují téměř v každém spotřebiči s řízenou teplotou.

Jak mikrokontrolér čte termistor

Nejprve závěr: mikrokontrolér čte termistor přes dělič napětí, protože analogově-digitální převodník (ADC) měří napětí, nikoli odpor.

Standardní uspořádání spojuje termistor a pevný odpor v sérii přes napájecí lištu, přičemž měřicí uzel je mezi nimi. ADC měří napětí uzlu a z tohoto napětí se vypočítá odpor. Pokud je termistor na spodní straně a pevný odpor na horní straně:

Vout = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rthermistor)

Když se termistor zahřeje a jeho odpor klesne, více napájecího napětí klesne na pevném odporu, takže Vout stoupne. Když se ochladí, Vout padá.

Praktický měřicí řetězec má čtyři části:

• Stabilní napájecí napětí, obvykle 3,3 V nebo 5 V
• Pevný odpor s úzkou tolerancí, nejlépe 1 % nebo lepší
• NTC termistor v balení vhodném pro provozní prostředí
• ADC s dostatečným rozlišením pro rozlišení nejmenšího teplotního kroku, na kterém design záleží

Typický 10 kΩ NTC termistor s B hodnotou 3950, spárovaný s 10 kΩ pevným rezistorem a 5 V napájením, produkuje tyto hodnoty:

Všimněte si nerovnoměrného rozestupu: mezi 0°C a 25°C se výkon mění o 1,35 V, zatímco mezi 75°C a 100°C se mění pouze o 0,32 V. Citlivost je přirozeně vyšší při nižších teplotách. Konstruktéři to buď akceptují, přeuspořádají dělič tak, aby byla citlivost vůči provoznímu oknu, nebo to opraví ve firmwaru, protože křivka je hladká a opakovatelná.

Převod odporu na teplotu

Nejprve závěr: jakmile je odpor znám, tři standardní metody jej převedou na teplotu: vyhledávací tabulka, rovnice B-parametru nebo Steinhart-Hartova rovnice. Volba je kompromisem mezi jednoduchostí, využitím paměti a přesností.

Vyhledávací tabulka (R-T tabulka)

Výrobci publikují pro každý typ snímače tabulku odporu proti teplotě. Firmware uloží tuto tabulku, najde dvě položky, které zachycují aktuální odpor, a lineárně mezi nimi interpoluje. Toto je nejrychlejší metoda na malém mikrokontroléru a nejběžnější v řídicích deskách spotřebičů. Háček je v tom, že tabulka musí odpovídat hodnotě B senzoru. Spárování tabulky B = 3435 se snímačem B = 3950 vytváří chyby několika stupňů na obou koncích rozsahu.

B-parametrová rovnice

Pro střední teplotní rozpětí je odpor následující:

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

kde T je v kelvinech, R25 je odpor při 25 °C a B je materiálová konstanta, typicky mezi 3000 K a 5000 K pro termistory NTC. Tato rovnice potřebuje pouze dvě konstanty a její implementace je jednoduchá. Ztrácí přesnost, když rozpětí překročí zhruba 50 °C, ale v úzkém okně je to nejrychlejší způsob, jak odhadnout teplotu bez tabulky.

Steinhart-Hartova rovnice

Pro nejširší rozsah a nejlepší přesnost je standardní volbou Steinhart-Hartova rovnice:

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

Tři koeficienty, A, B a C (nezaměňovat s materiálovou konstantou výše), jsou přizpůsobeny měřené křivce senzoru. S dobrými koeficienty se tato rovnice drží v rozmezí několika setin stupně přes jmenovité rozpětí. Mikrokontrolér to vyhodnocuje několikrát za sekundu, takže náklady na výpočet jsou zanedbatelné.

Ať už je použita jakákoli metoda, samotný senzor nese toleranci. Standardní termistor NTC má toleranci odporu asi ±1 % při 25 °C a toleranci hodnoty B ±1 %, což dohromady znamená chybu zhruba ±0,5 °C až ±1 °C při 100 °C. Pokud návrh vyžaduje větší přesnost, specifikujte snímač vyšší třídy nebo proveďte jednobodovou kalibraci na výrobní lince.

Praktické úvahy, které rozhodují o skutečné přesnosti

Nejprve závěr: o přesnosti měření termistoru rozhodují jak instalační a provozní podmínky, tak samotný snímací prvek. U skutečných spotřebičů způsobují většinu chyb čtyři faktory.

Samozahřívání. Zkreslený proud ohřívá snímač mírně nad měřeným médiem a vytváří trvalou chybu. U snímače ze skleněných kuliček udržujte ztrátový výkon pod zhruba 1 mW. Pro srovnání, 10 kΩ senzor v 10 kΩ děliči s napájením 3,3 V rozptýlí asi 0,27 mW při 25 °C - bezpečné, ale lze jej snadno překročit, pokud se zvýší napájecí napětí nebo se pevný odpor výrazně zvětší.

Shoda B-hodnoty. Dva senzory se stejným odporem při 25 °C, ale různými hodnotami B, snímají stejné při pokojové teplotě a postupně se od ní rozcházejí. Potvrďte, že hodnota B produkčního senzoru odpovídá charakterizaci ve firmwaru; nesoulad je běžnou hlavní příčinou chování „dobré při 25 °C, špatné při 90 °C“.

Balení a doba odezvy. Obnažený keramický prvek reaguje ve zlomku sekundy, ale zapouzdření jej zpomaluje. Kuličky potažené epoxidem reagují rychle a vyhovují suchému vzduchu pohybujícímu se přes topné těleso; kovové nebo silikonem utěsněné sondy jsou pomalejší, ale vydrží vodu, páru a čisticí prostředky. Na výběru utěsněné sondy pro mokrou aplikaci nebo rychlé epoxidové kuličky pro proud vzduchu záleží stejně jako na elektrických specifikacích.

Umístění. Termistor měří svou vlastní místní teplotu. Musí sedět co nejblíže k místu, které je ovládáno – topnému tělesu, pečícímu prostoru nebo ohřívané kapalině. Několik milimetrů oddělení, průvan z chladicího ventilátoru nebo silná kovová konzola, která pohlcuje teplo, může posunout hodnotu o několik stupňů.

Termistorový systém na úrovni spotřebičů, specifikovaný a nainstalovaný s ohledem na tyto čtyři faktory, si uchovává svou kalibraci roky. Na tuto úroveň předvídatelnosti spoléhají výrobci, když vytvářejí řídicí algoritmus kolem levné komponenty.

Termistorové měření ve skutečných domácích spotřebičích

Ve výrobních zařízeních termistor nikdy nepracuje izolovaně. Připojuje se k řídicí desce pomocí kabelového svazku a konektor, přívodní vodiče a izolace jsou součástí měřicího systému. Snímač s uvolněnými svorkami nebo prasklou izolací vytváří přerušované údaje, které nelze opravit žádnou kalibrací. Výrobci proto hodnotí snímač, kabelový svazek a konektor jako jednu sestavu, nikoli jako samostatné součásti zboží.

Ve fritéze NTC senzor monitoruje varnou dutinu a podává zprávy do ovladače, který přepne topné těleso, aby udrželo nastavenou teplotu. Senzor musí reagovat rychle a zůstat stabilní i při velkých teplotních výkyvech; pomalý snímač způsobuje překmit a nerovnoměrné zhnědnutí.

Snímač teploty vzduchové fritézy NTC od Cixi Tengyu Senzory NTC s rychlou odezvou od čínského výrobce podporují stabilní regulaci teploty ve fritéze, což pomáhá předcházet přepalům a nerovnoměrnému zhnědnutí během cyklů vaření. Zobrazit produkt →

Rychlovarná konvice je jiný test. Senzor se montuje na topnou desku pomocí tepelného těsnění a firmware monitoruje rychlý nárůst teploty. Pokud se tepelná vazba oslabí, konvice může udržovat ohřev nad bodem varu, než regulátor zareaguje. Rychlý prvek v kombinaci se spolehlivou montážní konstrukcí je to, co dělá rychlovarnou konvici pokaždé spolehlivě vypnutou.

Dodavatel teplotního senzoru rychlovarné konvice NTC Tento dodavatel nabízí NTC senzory pro rychlovarné konvice s tepelnou vazbou a rychlou odezvou, aby se zabránilo přehřátí a zajistilo spolehlivé vypnutí během varu. Zobrazit produkt →

Rýžovar posouvá stejný princip dále. Senzor je umístěn pod vnitřní nádobou a ovladač sleduje rychlost nárůstu teploty, aby rozhodl, kdy byla voda absorbována, a poté sníží výkon, aby se udržela v teple. Jedná se o klasickou termistorovou aplikaci: levný senzor, jednoduchý rozdělovač a dobře charakterizovaná křivka, které společně vytvářejí konzistentní výsledek vaření. Stejný přístup se objevuje u výrobníků sojového mléka, kuchyňských robotů a elektrických tlakových hrnců.

Rýžovar NTC výrobce snímače teploty Senzory tohoto výrobníku jsou vhodné pro rýžovary, sledují nárůst teploty pro řízení absorpce vody a funkce udržování teploty, čímž podporují konzistentní výsledky vaření. Zobrazit produkt →

Z hlediska nákupu není praktickou otázkou to, zda termistory měří teplotu dobře – to dělají –, ale zda je dodaný senzor charakterizován správnou křivkou R-T, zabalený pro reálné prostředí a dodáván s kabeláží, která přežije montáž a každodenní používání. Výběr a výrobce kabelového svazku a snímače teploty NTC který řídí všechny tyto prvky dohromady, zabraňuje problémům s nesouladem, které se objevují poté, co se produkty dostanou na pole.

Sečteno a podtrženo

Termistor měří teplotu, protože jeho odpor sleduje opakovatelnou, dobře srozumitelnou křivku. Řetězec je krátký: dělič napětí převádí odpor na napětí, ADC toto napětí digitalizuje a vyhledávací tabulka nebo Steinhart-Hartova rovnice je převádí na teplotu. Skutečná přesnost vychází z detailů, které rovnice neukazují – samozahřívání, přizpůsobení B-hodnoty, balení, umístění a kabeláž, která spojuje senzor s regulátorem. Zacházejte s těmito detaily správně a součást, která stojí několik centů za jednotku, udrží zařízení v rozmezí jednoho nebo dvou stupňů od svého cíle pro roky každodenního provozu.