Miten termistoria käytetään lämpötilan mittaamiseen: toiminta, piirit, sovellukset

Kun asetat ilmakeittimen ja se sammuu juuri oikealla hetkellä tai riisinkeitin putoaa pysymään lämpimänä juuri silloin, kun vilja on imenyt tarpeeksi vettä, pieni komponentti tekee ajattelua laitteen puolesta. Tämä komponentti on termistori, kaksinapainen vastus, jonka resistanssi muuttuu lämpötilan mukaan. Tässä artikkelissa kerrotaan, kuinka termistoria käytetään lämpötilan mittaamiseen: fyysinen periaate, joka saa sen toimimaan, piiri, joka lukee sen resistanssin, matematiikka, joka muuntaa lukeman lämpötilaksi, ja käytännön yksityiskohdat, jotka ratkaisevat, pysyykö mittaus tarkkana vuosien käytön aikana.

Vastus, joka muuttuu lämpötilan mukaan

Johtopäätös ensin: NTC-termistori mittaa lämpötilaa, koska sen vastus putoaa tunnetulla, toistettavalla tavalla lämpötilan noustessa. Tämä yksittäinen ominaisuus muuttaa passiivisen komponentin anturin.

Termistori valmistetaan keraamisista puolijohdemateriaaleista, yleensä metallioksideista, jotka on sintrattu pieneksi helmeksi, siruksi tai levyksi. Perheitä on kaksi. Negatiiviset lämpötilakertoimet (NTC) -termistorit vähentävät vastusta lämpötilan noustessa; positiivisen lämpötilakertoimen (PTC) termistorit lisäävät vastusta ja niitä käytetään useammin ylivirtasuojaukseen tai itsesäätyviin lämmittimiin. Lämpötilan mittauksessa NTC-tyyppi hallitsee.

Muutos on riittävän suuri luettavaksi ilman monimutkaista elektroniikkaa. Tyypillinen 10 kΩ:n NTC-termistori, joka on mitoitettu 25 °C:ssa, mittaa noin 33,6 kΩ 0 °C:ssa ja noin 700 Ω 100 °C:ssa – heilahdus lähes 50–1 alueella, jolla useimmat kodinkoneet toimivat. An NTC lämpötila-anturi siksi tarvitsee vain perus analogisen tulon mikro-ohjaimessa, kun taas termopari vaatisi vahvistusta ja kylmäliitoksen kompensointia. Tämä suuren signaalin, alhaisen hinnan ja pienen koon yhdistelmä tekee termistoreista melkein jokaisessa lämpötilasäädetyssä laitteessa.

Kuinka mikro-ohjain lukee termistorin

Johtopäätös ensin: mikrokontrolleri lukee termistorin jännitteenjakajan kautta, koska analogia-digitaalimuunnin (ADC) mittaa jännitettä, ei vastusta.

Vakiojärjestely yhdistää termistorin ja kiinteän vastuksen sarjaan syöttökiskon poikki, ja mittaussolmu on niiden välissä. ADC mittaa solmujännitteen ja resistanssi lasketaan tästä jännitteestä. Jos termistori on alapuolella ja kiinteä vastus yläpuolella:

Vout = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rthermistor)

Kun termistori lämpenee ja sen vastus laskee, enemmän syöttöjännitettä putoaa kiinteän vastuksen yli, joten Vout nousee. Kun se jäähtyy, Vout putoaa.

Käytännön mittausketjussa on neljä osaa:

• Vakaa syöttöjännite, tyypillisesti 3,3 V tai 5 V
• Kiinteä vastus, jonka toleranssi on tiukka, mieluiten 1 % tai parempi
• NTC-termistori käyttöympäristöön sopivassa paketissa
• ADC, jolla on tarpeeksi resoluutio erottaakseen pienimmän lämpötila-asteen, josta suunnittelu välittää

Tyypillinen 10 kΩ NTC-termistori, jonka B-arvo on 3950, yhdistettynä 10 kΩ:n kiinteään vastukseen ja 5 V:n syöttöjännitteeseen, tuottaa seuraavat lukemat:

Huomaa epätasainen etäisyys: välillä 0 °C - 25 °C lähtö muuttuu 1,35 V, kun taas välillä 75 °C - 100 °C se muuttuu vain 0,32 V. Herkkyys on luonnollisesti suurempi alhaisemmissa lämpötiloissa. Suunnittelijat joko hyväksyvät tämän, järjestävät jakajaa uudelleen niin, että herkkyys kohdistuu käyttöikkunaan, tai korjaa se laiteohjelmistossa, koska käyrä on tasainen ja toistettavissa.

Resistanssin muuntaminen lämpötilaksi

Johtopäätös ensin: Kun resistanssi tunnetaan, kolme standardimenetelmää muuntaa sen lämpötilaksi: hakutaulukko, B-parametriyhtälö tai Steinhart-Hart-yhtälö. Valinta on kompromissi yksinkertaisuuden, muistin käytön ja tarkkuuden välillä.

Hakutaulukko (R-T-taulukko)

Valmistajat julkaisevat vastus-lämpötila-taulukon jokaiselle anturityypille. Laiteohjelmisto tallentaa tämän taulukon, löytää kaksi merkintää, jotka sulkevat virran vastuksen, ja interpoloi lineaarisesti niiden välillä. Tämä on nopein menetelmä pienessä mikro-ohjaimessa ja yleisin laitteiden ohjauskorteissa. Ongelmana on, että taulukon on vastattava anturin B-arvoa. B = 3435 taulukon yhdistäminen B = 3950 anturin kanssa tuottaa usean asteen virheitä alueen molemmissa päissä.

B-parametriyhtälö

Kohtalaisen lämpötila-alueen kohdalla vastus on seuraava:

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

missä T on kelvineinä, R25 on resistanssi 25 °C:ssa ja B on materiaalivakio, tyypillisesti välillä 3000 K ja 5000 K NTC-termistoreille. Tämä yhtälö tarvitsee vain kaksi vakiota ja on helppo toteuttaa. Se menettää tarkkuutensa, kun jänneväli ylittää noin 50°C, mutta kapeassa ikkunassa se on nopein tapa arvioida lämpötila ilman taulukkoa.

Steinhart-Hart yhtälö

Steinhart-Hart-yhtälö on vakiovalinta laajimman alueen ja parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Kolme kerrointa, A, B ja C (ei pidä sekoittaa yllä olevaan materiaalivakioon), sovitetaan anturin mitattuun käyrään. Hyvillä kertoimilla tämä yhtälö pätee muutaman sadasosan sisällä nimellisvälillä. Mikrokontrolleri arvioi sen muutaman kerran sekunnissa, joten laskentakustannukset ovat mitättömät.

Mitä tahansa menetelmää käytetään, anturissa itsessään on toleranssi. Tavallisen NTC-termistorin resistanssitoleranssi on noin ±1 % 25°C:ssa ja B-arvon toleranssi ±1 %, mikä yhdessä tarkoittaa noin ±0,5°C - ±1°C virhettä 100°C:ssa. Jos suunnittelu vaatii suurempaa tarkkuutta, määritä korkealaatuisempi anturi tai suorita yhden pisteen kalibrointi tuotantolinjalla.

Käytännön huomioita, jotka ratkaisevat todellisen tarkkuuden

Johtopäätös ensin: termistorimittauksen tarkkuus määräytyy niin asennus- ja käyttöolosuhteiden kuin anturielementin itsensä mukaan. Oikeissa laitteissa neljä tekijää aiheuttaa suurimman osan virheistä.

Itsestään lämpenevä. Bias-virta lämmittää anturia hieman mitatun väliaineen yläpuolelle, mikä aiheuttaa jatkuvan virheen. Pidä lasihelmianturin tehohäviö alle noin 1 mW. Vertailuna voidaan mainita, että 10 kΩ anturi 10 kΩ:n jakajassa 3,3 V:n jännitteellä haihduttaa noin 0,27 mW 25°C:ssa - turvallinen, mutta helppo ylittää, jos syöttöjännitettä nostetaan tai kiinteä vastus tehdään paljon suuremmaksi.

B-arvon vastaavuus. Kaksi anturia, joilla on sama resistanssi 25 °C:ssa, mutta eri B-arvot, lukevat saman huoneenlämpötilassa ja poikkeavat siitä asteittain. Varmista, että tuotantoanturin B-arvo vastaa laiteohjelmiston luonnehdintaa; yhteensopimattomuus on yleinen syy käyttäytymiseen "hyvä 25 °C:ssa, väärä 90 °C:ssa".

Pakkaus ja vasteaika. Paljas keraaminen elementti reagoi sekunnin murto-osassa, mutta kapselointi hidastaa sitä. Epoksipinnoitetut helmet reagoivat nopeasti ja sopivat kuivaan ilmaan, joka liikkuu lämmityselementin poikki; metalli- tai silikonitiivistetyt anturit ovat hitaampia, mutta kestävät vettä, höyryä ja puhdistusaineita. Suljetun anturin valitseminen märkäsovellukseen tai nopean epoksihelmen valitseminen ilmavirtaukselle on yhtä tärkeä kuin sähköiset tiedot.

Sijoitus. Termistori mittaa oman paikallisen lämpötilansa. Sen on oltava mahdollisimman lähellä ohjattavaa pistettä - lämmityselementtiä, keittotilaa tai kuumennettavaa nestettä. Muutaman millimetrin etäisyys, jäähdytystuulettimesta tuleva veto tai paksu metallirunko, joka imee lämpöä, voivat siirtää lukemaa useita asteita.

Laiteluokan termistorijärjestelmä, joka on määritetty ja asennettu nämä neljä tekijää ajatellen, säilyttää kalibrointinsa vuosia. Tämä ennustettavuustaso on se, mihin valmistajat luottavat rakentaessaan ohjausalgoritmia edullisen komponentin ympärille.

Termistorimittaukset oikeissa kodinkoneissa

Tuotantolaitteissa termistori ei koskaan toimi erikseen. Se liitetään ohjauskorttiin johtosarjan kautta, ja liitin, johdot ja eristys ovat osa mittausjärjestelmää. Anturi, jossa on löysät liittimet tai murtunut eristys, tuottaa ajoittaisia ​​lukemia, joita mikään kalibrointi ei voi korjata. Valmistajat arvioivat siksi anturin, johtosarjan ja liittimen yhdeksi kokoonpanoksi eikä erillisiksi hyödykeosiksi.

Ilmakeittimessä NTC-anturi valvoo keittoonteloa ja raportoi ohjaimelle, joka kytkee lämmittimen pitämään asetetun lämpötilan. Anturin on reagoitava nopeasti ja pysyttävä vakaana suurissa lämpötilanvaihteluissa; hidas anturi aiheuttaa ylityksen ja epätasaisen ruskistumisen.

Air Fryer NTC lämpötila-anturi Cixi Tengyulta Kiinalaisen valmistajan nopean vasteen NTC-anturit tukevat vakaata lämpötilan säätöä ilmakeittimissä, mikä auttaa välttämään ylilyöntejä ja epätasaista ruskistumista kypsennysjaksojen aikana. Näytä tuote →

Vedenkeitin on eri testi. Anturi kiinnitetään lämpölevyä vasten lämpötiivisteellä, ja laiteohjelmisto tarkkailee nopeaa lämpötilan nousua. Jos lämpökytkentä heikkenee, kattila voi jatkaa kuumenemista kiehumispisteen yli ennen kuin säädin reagoi. Nopeasti reagoiva elementti yhdistettynä luotettavaan kiinnitysrakenteeseen tekee vedenkeittimen sammuvan luotettavasti joka kerta.

Vedenkeitin NTC lämpötila-anturin toimittaja Tämä toimittaja tarjoaa NTC-antureita vedenkeittimille, joissa on lämpöliitäntä ja nopea vaste ylikuumenemisen estämiseksi, mikä varmistaa luotettavan sammutuksen keittämisen aikana. Näytä tuote →

Riisinkeitin vie samaa periaatetta pidemmälle. Anturi sijaitsee sisemmän kattilan alla, ja säädin seuraa lämpötilan nousunopeutta päättääkseen, milloin vesi on imeytynyt, ja laskee sitten tehoa pitääkseen lämpimänä. Se on klassinen termistorisovellus: edullinen anturi, yksinkertainen jakaja ja hyvin karakterisoitu käyrä toimivat yhdessä tuottamaan tasaisen kypsennystuloksen. Sama lähestymistapa näkyy soijamaidon valmistajissa, monitoimikoneissa ja sähköpainekattiloissa.

Riisikeitin NTC-lämpötila-anturin valmistaja Tämän valmistajan anturit soveltuvat riisinkeittimiin, jotka valvovat lämpötilan nousua veden imeytymisen ja lämpimänäpitotoiminnon hallitsemiseksi, mikä tukee tasaisia kypsennystuloksia. Näytä tuote →

Hankinnan näkökulmasta käytännön kysymys ei ole siitä, mittaavatko termistorit hyvin lämpötilaa - kyllä ne - vaan onko toimitetulla anturilla oikea R-T-käyrä, joka on pakattu todelliseen ympäristöön ja toimitetaan johdotuksen kanssa, joka kestää asennuksen ja päivittäisen käytön. Valitsemalla a johtosarjan ja NTC-lämpötila-anturin valmistaja joka hallitsee kaikkia näitä elementtejä yhdessä, välttää yhteensopimattomuusongelmat, jotka ilmenevät tuotteiden saapuessa kentälle.

Bottom Line

Termistori mittaa lämpötilaa, koska sen vastus noudattaa toistettavaa, hyvin ymmärrettävää käyrää. Ketju on lyhyt: jännitteenjakaja muuntaa resistanssin jännitteeksi, ADC digitoi jännitteen ja hakutaulukko tai Steinhart-Hart-yhtälö muuntaa sen lämpötilaksi. Todellinen tarkkuus tulee yksityiskohdista, joita yhtälöt eivät näytä - itsestään lämpeneminen, B-arvon sovitus, pakkaus, sijoitus ja johdotus, joka yhdistää anturin ohjaimeen. Käsittele näitä yksityiskohtia oikein, ja komponentti, joka maksaa muutaman sentin yksikköä kohden, pitää laitteen muutaman asteen sisällä tavoitteestaan ​​päivittäisen käytön vuosiksi.