Cum este folosit un termistor pentru a măsura temperatura: funcționare, circuite, aplicații

Când setați o friteuză cu aer și aceasta se oprește la momentul potrivit, sau un aparat de gătit de orez scade pentru a se menține cald exact când boabele au absorbit suficientă apă, o componentă mică se gândește la aparat. Acea componentă este termistorul, un rezistor cu două terminale a cărui rezistență se modifică odată cu temperatura. Acest articol explică modul în care un termistor este utilizat pentru a măsura temperatura: principiul fizic care o face să funcționeze, circuitul care îi citește rezistența, matematica care convertește acea citire într-o temperatură și detaliile practice care decid dacă măsurarea rămâne precisă de-a lungul anilor de utilizare.

O rezistență care se schimbă cu temperatura

Concluzia intai: un termistor NTC măsoară temperatura deoarece rezistența sa scade într-un mod cunoscut și repetabil pe măsură ce temperatura crește. Această proprietate unică este cea care transformă o componentă pasivă într-un senzor.

Un termistor este fabricat din materiale semiconductoare ceramice, de obicei oxizi metalici, sinterizați într-o sferă mică, cip sau disc. Sunt două familii. Termistorii cu coeficient de temperatură negativ (NTC) scad rezistența pe măsură ce temperatura crește; termistorii cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC) măresc rezistența și sunt mai des utilizați pentru protecția la supracurent sau încălzitoarele cu autoreglare. Pentru măsurarea temperaturii domină tipul NTC.

Schimbarea este suficient de mare pentru a fi citită fără electronice elaborate. Un termistor NTC tipic de 10 kΩ evaluat la 25°C măsoară aproximativ 33,6 kΩ la 0°C și aproximativ 700 Ω la 100°C - o variație de aproape 50 la 1 în intervalul în care funcționează majoritatea aparatelor de uz casnic. An Senzor de temperatură NTC prin urmare, are nevoie doar de o intrare analogică de bază pe un microcontroler, în timp ce un termocuplu ar necesita amplificare și compensare a joncțiunii la rece. Această combinație de semnal mare, cost redus și dimensiuni reduse este motivul pentru care termistorii apar în aproape fiecare aparat cu temperatură controlată.

Cum citește un microcontroler termistorul

Concluzia intai: un microcontroler citește un termistor printr-un divizor de tensiune, deoarece un convertor analog-digital (ADC) măsoară tensiunea, nu rezistența.

Aranjamentul standard conectează termistorul și un rezistor fix în serie peste șina de alimentare, cu nodul de măsurare între ele. ADC măsoară tensiunea nodului, iar rezistența este calculată din acea tensiune. Dacă termistorul este pe partea inferioară și rezistorul fix pe partea superioară:

Vout = Vcc × Rfixat / (Rtermistor fix)

Când termistorul se încălzește și rezistența sa scade, mai mult din tensiunea de alimentare scade pe rezistorul fix, astfel încât Vout crește. Când se răcește, Vout cade.

Un lanț de măsurare practic are patru părți:

• O tensiune de alimentare stabilă, de obicei 3,3 V sau 5 V
• Un rezistor fix cu o toleranță strânsă, de preferință 1% sau mai bună
• Termistorul NTC într-un pachet potrivit mediului de operare
• Un ADC cu rezoluție suficientă pentru a distinge cea mai mică treaptă de temperatură la care ține designul

Un termistor NTC tipic de 10 kΩ cu o valoare B de 3950, asociat cu un rezistor fix de 10 kΩ și o alimentare de 5 V, produce următoarele citiri:

Observați distanța neuniformă: între 0°C și 25°C ieșirea se modifică cu 1,35 V, în timp ce între 75°C și 100°C se modifică doar cu 0,32 V. Sensibilitatea este în mod natural mai mare la temperaturi mai scăzute. Designerii fie acceptă acest lucru, rearanjează divizorul pentru a orienta sensibilitatea către fereastra de operare, fie o corectează în firmware, deoarece curba este netedă și repetabilă.

Transformarea rezistenței într-o temperatură

Concluzia intai: odată ce rezistența este cunoscută, trei metode standard o convertesc într-o temperatură: un tabel de căutare, ecuația parametrului B sau ecuația Steinhart-Hart. Alegerea este un compromis între simplitate, utilizarea memoriei și acuratețe.

Tabel de căutare (Tabel R-T)

Producătorii publică un tabel de rezistență versus temperatură pentru fiecare tip de senzor. Firmware-ul stochează acel tabel, găsește cele două intrări care includ rezistența curentă și interpolează liniar între ele. Aceasta este cea mai rapidă metodă pe un microcontroler mic și cea mai comună în plăcile de control a aparatelor. Problema este că tabelul trebuie să se potrivească cu valoarea B a senzorului. Asocierea unui tabel B = 3435 cu un senzor B = 3950 produce erori de câteva grade la ambele capete ale intervalului.

Ecuația parametrului B

Pentru o temperatură moderată, rezistența este următoarea:

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

unde T este în kelvin, R25 este rezistența la 25°C și B este constanta materialului, de obicei între 3000 K și 5000 K pentru termistorii NTC. Această ecuație are nevoie doar de două constante și este ușor de implementat. Pierde acuratețea atunci când intervalul depășește aproximativ 50°C, dar într-o fereastră îngustă este cel mai rapid mod de a estima temperatura fără un tabel.

Ecuația Steinhart-Hart

Pentru cea mai largă gamă și cea mai bună acuratețe, ecuația Steinhart-Hart este alegerea standard:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Cei trei coeficienți, A, B și C (a nu se confunda cu constanta materialului de mai sus), sunt potriviți pe curba măsurată a senzorului. Cu coeficienți buni, această ecuație se menține la câteva sutimi de grad de-a lungul intervalului nominal. Un microcontroler îl evaluează de câteva ori pe secundă, astfel încât costul de calcul este neglijabil.

Indiferent de metoda folosită, senzorul în sine poartă toleranță. Un termistor NTC standard are o toleranță de rezistență de aproximativ ±1% la 25°C și o toleranță de valoare B de ±1%, care împreună se traduc la aproximativ ±0,5°C până la ±1°C de eroare la 100°C. Dacă designul necesită o precizie mai strictă, specificați un senzor de calitate superioară sau efectuați o calibrare într-un punct pe linia de producție.

Considerații practice care decid exactitatea reală

Concluzia intai: acuratețea măsurării unui termistor este decisă atât de condițiile de instalare și de funcționare cât și de elementul senzor însuși. În aparatele reale, patru factori cauzează cea mai mare parte a erorii.

Autoincalzire. Curentul de polarizare încălzește senzorul ușor peste mediul măsurat, creând o eroare persistentă. Păstrați puterea de disipare sub aproximativ 1 mW pentru un senzor de sticlă. Ca referință, un senzor de 10 kΩ într-un divizor de 10 kΩ cu o sursă de 3,3 V disipează aproximativ 0,27 mW la 25°C - sigur, dar ușor de depășit dacă tensiunea de alimentare este crescută sau rezistența fixă ​​este mult mai mare.

Potrivirea valorii B. Doi senzori cu aceeași rezistență la 25°C, dar cu valori B diferite citesc la fel la temperatura camerei și se îndepărtează progresiv de aceasta. Confirmați că valoarea B a senzorului de producție se potrivește cu caracterizarea din firmware; o nepotrivire este o cauză comună a comportamentului „bine la 25°C, greșit la 90°C”.

Ambalare și timp de răspuns. Elementul ceramic gol răspunde într-o fracțiune de secundă, dar încapsularea îl încetinește. Granulele acoperite cu epoxi reacţionează rapid şi se potrivesc aerului uscat care se deplasează pe un element de încălzire; Sondele sigilate cu metal sau silicon sunt mai lente, dar supraviețuiesc apei, aburului și agenților de curățare. Selectarea unei sonde sigilate pentru o aplicare umedă sau a unei sferă epoxidice rapidă pentru un flux de aer contează la fel de mult ca și specificațiile electrice.

Plasarea. Termistorul își măsoară propria temperatură locală. Trebuie să stea cât mai aproape de punctul controlat - elementul de încălzire, cavitatea de gătit sau lichidul care se încălzește. Câțiva milimetri de separare, un curent de aer de la un ventilator de răcire sau un suport metalic gros care absorbă căldura pot schimba citirea cu câteva grade.

Un sistem cu termistori de calitate pentru aparate, specificat și instalat având în vedere acești patru factori, își menține calibrarea de ani de zile. Acest nivel de predictibilitate este pe care se bazează producătorii atunci când construiesc un algoritm de control în jurul unei componente cu costuri reduse.

Măsurarea termistorului în aparatele electrocasnice reale

În aparatele de producție, termistorul nu funcționează niciodată izolat. Se conectează la placa de control printr-un cablaj, iar conectorul, cablurile și izolația fac parte din sistemul de măsurare. Un senzor cu terminale slăbite sau izolație crăpată produce citiri intermitente pe care nicio calibrare nu le poate corecta. Prin urmare, producătorii evaluează senzorul, cablajul și conectorul ca un singur ansamblu, mai degrabă decât ca piese de marfă separate.

Într-o friteuză cu aer, senzorul NTC monitorizează cavitatea de gătit și raportează controlerului, care comută încălzitorul pentru a menține temperatura setată. Senzorul trebuie să reacționeze rapid și să rămână stabil în timpul variațiilor mari de temperatură; un senzor lent provoacă depășire și rumenire neuniformă.

Senzor de temperatură NTC pentru friteuza de aer de la Cixi Tengyu Senzorii NTC cu răspuns rapid de la un producător chinez susțin controlul stabil al temperaturii în friteuzele cu aer, ajutând la evitarea depășirii și rumenirea neuniformă în timpul ciclurilor de gătit. Vizualizare produs →

Un fierbător electric este un test diferit. Senzorul se montează pe placa de încălzire cu o etanșare termică, iar firmware-ul monitorizează o creștere rapidă a temperaturii. Dacă cuplajul termic slăbește, fierbătorul poate continua să se încălzească dincolo de punctul de fierbere înainte ca regulatorul să reacționeze. Un element cu răspuns rapid combinat cu o structură de montare fiabilă este ceea ce face ca un fierbător electric să se oprească în mod fiabil de fiecare dată.

Furnizor de senzori de temperatură pentru ceainic electric NTC Acest furnizor oferă senzori NTC pentru ceainice electrice, cu cuplare termică și răspuns rapid pentru a preveni supraîncălzirea, asigurând o oprire sigură în timpul fierberii. Vizualizare produs →

Un aragaz de orez duce același principiu mai departe. Senzorul se află sub vasul interior, iar controlerul urmărește rata de creștere a temperaturii pentru a decide când apa a fost absorbită, apoi scade puterea pentru a se menține cald. Este o aplicație clasică cu termistor: un senzor cu costuri reduse, un divizor simplu și o curbă bine caracterizată care lucrează împreună pentru a produce un rezultat consistent de gătit. Aceeași abordare apare la producătorii de lapte de soia, procesoarele de alimente și oalele electrice sub presiune.

Producător de senzori de temperatură NTC pentru aragazul de orez Senzorii acestui producător sunt potriviți pentru mașinile de gătit de orez, monitorizează creșterea temperaturii pentru a gestiona absorbția de apă și funcția de menținere la cald, susținând rezultate consistente la gătit. Vizualizare produs →

Din punct de vedere al achizițiilor, întrebarea practică nu este dacă termistorii măsoară temperatura bine - o fac - ci dacă senzorul furnizat este caracterizat cu curba R-T corectă, ambalat pentru mediul real și livrat cu cablaje care supraviețuiesc asamblării și utilizării zilnice. Alegerea unui producătorul cablajului și al senzorului de temperatură NTC care controlează toate aceste elemente împreună evită problemele de nepotrivire care apar după ce produsele ajung pe teren.

Concluzia

Un termistor măsoară temperatura deoarece rezistența sa urmează o curbă repetabilă, bine înțeleasă. Lanțul este scurt: un divizor de tensiune convertește rezistența în tensiune, un ADC digitalizează acea tensiune, iar un tabel de căutare sau ecuația Steinhart-Hart o convertește la o temperatură. Acuratețea reală vine din detaliile pe care ecuațiile nu le arată - auto-încălzire, potrivirea valorii B, ambalare, plasare și cablarea care conectează senzorul la controler. Gestionați aceste detalii în mod corespunzător, iar o componentă care costă câțiva cenți pe unitate menține un aparat la un grad sau două din ținta pentru ani de funcționare zilnică.