Czujnik temperatury termistora

Istnieją dwa rodzaje termistorów: 

ujemny współczynnik temperaturowy (NTC lub CTN) 

oraz dodatni współczynnik temperaturowy (PTC lub CTP). 

W przypadku sondy NTC, gdy temperatura wzrasta, rezystancja spada. I odwrotnie, gdy temperatura spada, opór wzrasta. Ten rodzaj termistora jest najczęściej używany.

Termistor PTC działa trochę inaczej. Wraz ze wzrostem temperatury rezystancja rośnie, a gdy temperatura spada, opór maleje. Zazwyczaj termistor osiąga wysoką dokładność w ograniczonym zakresie temperatur około 50 ° C wokół temperatury docelowej. Zakres ten zależy od podstawowego oporu.

Strzałka obok T oznacza, że ​​opór jest zmienny w zależności od temperatury. Kierunek strzałki lub paska nie jest istotny.

Czujniki termistorowe są łatwe w użyciu, niedrogie, solidne i przewidywalnie reagują na zmiany. Chociaż nie sprawdzają się dobrze w bardzo niskich lub wysokich temperaturach, są to czujniki z wyboru do zastosowań, w których temperatura przekracza dolny zakres pomiarowy. Termistor jest idealny, gdy wymagana jest precyzyjna kontrola temperatury.

Niektóre z najczęstszych zastosowań termistorów to termometry cyfrowe, pomiary temperatury oleju i chłodziwa, urządzenia gospodarstwa domowego, takie jak piekarniki i lodówki.

Rysunek 1: Symbol termistora - Stany Zjednoczone i Japonia

W rzeczywistości termistor niczego nie „odczytuje”, rezystancja termistora zmienia się wraz z temperaturą. Stopień zmiany rezystancji zależy od rodzaju materiału zastosowanego w termistorze.

W przeciwieństwie do innych sond pomiarowych, termistory są nieliniowe, co oznacza, że ​​punkty na wykresie przedstawiające zależność między rezystancją a temperaturą nie utworzą linii prostej. Budowa termistora determinuje położenie linii i jej przebieg. Typowy wykres termistora wygląda tak:

Rysunek 2: opór jako funkcja temperatury

Oprócz termistorów stosuje się kilka innych typów czujników temperatury. Najczęściej spotykane są rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) i układy scalone (IC). Sonda pomiarowa, która najlepiej sprawdza się w określonym celu, opiera się na wielu czynnikach. 

Zakres temperatur: Przybliżony globalny zakres temperatur, w których można używać danego typu sondy. W danym zakresie temperatur niektóre czujniki działają lepiej niż inne.

Koszt: Względny koszt porównania tych czujników ze sobą. Na przykład termistory są niedrogie w porównaniu z RTD, po części dlatego, że materiałem z wyboru dla RTD jest platyna.

Czułość: przybliżony czas potrzebny do przejścia z jednej wartości temperatury na inną. Jest to czas w sekundach, w którym termistor osiąga 63,2% różnicy temperatury między początkowym a ostatnim odczytem.

Czujniki temperatury termistorowej występują w różnych formach — tarczowych, chipowych, kulkowych lub prętowych — i mogą być montowane na powierzchni lub zintegrowane z systemem. Mogą być zatopione w żywicy epoksydowej, szkle, spieczonej żywicy fenolowej lub malowane. Najlepszy kształt często zależy od monitorowanego materiału, takiego jak ciało stałe, ciecz lub gaz.

Chip termistora jest zwykle montowany na płytce drukowanej. Istnieje wiele, wiele różnych form termistorów.

Wybierz kształt, który umożliwia maksymalny kontakt powierzchniowy z urządzeniem monitorowanym przez temperaturę. Niezależnie od rodzaju termistora, połączenie z monitorowanym urządzeniem należy wykonać przy użyciu pasty o wysokiej przewodności cieplnej lub kleju epoksydowego. Generalnie ważne jest, aby ta pasta lub klej nie przewodziła prądu elektrycznego.dokładność.

Termistor służy głównie do pomiaru temperatury urządzenia. W systemie z kontrolowaną temperaturą termistor jest małą, ale ważną częścią większego systemu. Regulator temperatury monitoruje temperaturę termistora. Następnie informuje grzejnik lub chłodnicę, kiedy należy włączyć lub wyłączyć, aby utrzymać temperaturę sondy.

Głowica czujnika jest zamocowana na płycie chłodzącej, która musi utrzymywać określoną temperaturę, aby schłodzić urządzenie, a przewody są podłączone do regulatora temperatury. Regulator temperatury jest również elektronicznie połączony z urządzeniem Peltiera, które ogrzewa i chłodzi urządzenie docelowe. Radiator jest przymocowany do urządzenia Peltiera w celu ułatwienia rozpraszania ciepła.

Lokalizacja sondy termistorowej w układzie wpływa zarówno na stabilność, jak i dokładność pomiaru układu sterowania. Dla lepszej stabilności termistor powinien być umieszczony jak najbliżej grzejnika termoelektrycznego lub oporowego. Aby uzyskać najlepszą dokładność, termistor powinien znajdować się w pobliżu urządzenia wymagającego kontroli temperatury.

W idealnym przypadku termistor jest zintegrowany z urządzeniem, ale można go również przymocować za pomocą pasty termoprzewodzącej lub kleju. Nawet jeśli zintegrowane jest urządzenie pomiarowe, szczeliny powietrzne należy wyeliminować pastą termoprzewodzącą lub klejem.

Granice napięcia czujnika zwracanego do regulatora temperatury określa producent. Ideałem jest wybranie termistora i kombinacji prądu polaryzacji, które wytwarzają napięcie w zakresie dozwolonym przez regulator temperatury.

Prawo Ohma

Napięcie jest powiązane z rezystancją (prawo Ohma). To równanie służy do określenia, jaki prąd polaryzacji jest potrzebny. Prawo Ohma mówi, że prąd przepływający przez przewodnik między dwoma punktami jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów między dwoma punktami i że dla tego prądu polaryzacji jest napisane:

U = R x I

où:

U to napięcie w woltach (V)

I BIAS to prąd w amperach lub amperach (A)

I BIAS oznacza, że ​​prąd jest ustalony

R jest rezystancją w omach (Ω)

Sterownik wytwarza prąd polaryzacji, aby przekształcić rezystancję termistora w mierzalne napięcie. Sterownik akceptuje tylko określony zakres napięcia. Na przykład, jeśli zakres regulatora wynosi od 0 do 5 V, napięcie termistora nie powinno być mniejsze niż 0,25 V, aby niski poziom szumów elektrycznych nie zakłócał odczytu i nie był wyższy niż 5 V, aby był czytelny.

Przykłady

Załóżmy, że użyjemy kontrolera ATR121 oraz termistor 10 kΩ (B25/85: 3435K), taki jak czujniki Uniwersalny wodoodporny 10kOhm NTC B3435 1500mm - Guilcor oraz że temperatura jaką urządzenie powinno utrzymywać to 20 ° C. Zgodnie z kartą techniczną rezystancja wynosi 10 Ω przy 000 ° C.Aby określić, czy termistor może współpracować ze sterownikiem, musimy znać zakres użytkowy prądów polaryzacji . Korzystając z prawa Ohma, aby rozwiązać za mnie, wiemy, co następuje:

Z/R=I BIAS
0,25 / 10 000 = 25 µA to dolna granica zakresu
5,0 / 126700 = 500 µA jest najwyższa

Tak, ten termistor będzie działał, jeśli prąd polaryzacji regulatora temperatury można ustawić w zakresie od 25 µA do 500 µA.

Przy doborze termistora i prądu polaryzacji najlepiej wybrać czujnik, którego napięcie jest w środku zakresu. Wejście sprzężenia zwrotnego sterownika musi być pod napięciem, wyprowadzone z rezystancji termistora.

Najdokładniejszy model używany do przeliczania rezystancji termistorów na temperaturę nazywa się równaniem Steinharta-Harta.

Równanie Steinharta-Harta to model, który powstał w czasach, gdy komputery nie były wszechobecne, a większość obliczeń matematycznych była wykonywana przy użyciu suwaków i innych narzędzi matematycznych, takich jak tabele funkcji transcendentalnych. Równanie zostało opracowane jako prosta metoda łatwego i dokładniejszego modelowania temperatur termistorów. Równanie Steinharta-Harta jest następujące:

1 / T = A + B (lnR) + C (lnR) 2 + re (lnR) 3 + mi (lnR) 4…

où:

T to temperatura w kelwinach (K, kelwin = stopnie Celsjusza + 273,15),

R jest rezystancją w T, w omach (Ω).

A, B, C, D i E to współczynniki Steinharta-Harta, które różnią się w zależności od typu. użyty termistor i wykryto zakres temperatur.

ln jest logiem naturalnym lub podstawą dziennika Napierian 2.71828

Zastosowane standardowe równanie Steinharta-Harta jest następujące:

1 / T = A + B (lnR) + C (lnR) 3

Jedną z zalet programów komputerowych jest to, że równania, których rozwiązanie zajęłoby dni, a nawet tygodnie, rozwiązuje się w kilka chwil. Wpisz „Kalkulator równania Steinharta-Harta” w dowolnej wyszukiwarce, a zostaną zwrócone strony z linkami do kalkulatorów online.

To równanie dokładniej oblicza rzeczywistą rezystancję termistora w funkcji temperatury. Im węższy zakres temperatur, tym dokładniejsze będą obliczenia rezystancji. Większość producentów termistorów podaje współczynniki A, B i C dla typowego zakresu temperatur.

John S. Steinhart i Stanley R. Hart jako pierwsi opracowali i opublikowali równanie Steinharta-Harta w artykule zatytułowanym „Krzywe kalibracyjne dla termistorów” w 1968 r., Kiedy byli badaczami w Carnegie Institution w Waszyngtonie. Steinhart został następnie profesorem geologii i geofizyki, następnie studiował nauki o morzu na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, a Stanley R. Hart został starszym badaczem w Woods Hole Oceanographic Institution.