Как термистор используется для измерения температуры: принцип работы, схемы, применение

Когда вы включаете фритюрницу, и она выключается в нужный момент, или рисоварка опускается, чтобы сохранить тепло именно тогда, когда зерно впитало достаточно воды, за прибор думает небольшой компонент. Этот компонент — термистор, двухполюсный резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. В этой статье объясняется, как термистор используется для измерения температуры: физический принцип, который заставляет его работать, схема, которая считывает его сопротивление, математические методы, которые преобразуют это показание в температуру, и практические детали, которые определяют, останутся ли измерения точными в течение многих лет использования.

Сопротивление, которое меняется с температурой

Вывод первый: Термистор NTC измеряет температуру, поскольку его сопротивление падает известным и повторяемым образом при повышении температуры. Это единственное свойство превращает пассивный компонент в датчик.

Термистор изготавливается из керамических полупроводниковых материалов, обычно оксидов металлов, спеченных в небольшой шарик, чип или диск. Есть две семьи. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) уменьшают сопротивление при повышении температуры; Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) увеличивают сопротивление и чаще используются для защиты от перегрузки по току или саморегулирующихся нагревателей. Для измерения температуры преобладает тип NTC.

Изменение достаточно велико, чтобы его можно было прочитать без сложной электроники. Типичный NTC-термистор сопротивлением 10 кОм, рассчитанный на температуру 25°С, имеет сопротивление около 33,6 кОм при 0°С и около 700 Ом при 100°С — размах почти 50 к 1 в диапазоне, в котором работает большинство бытовых приборов. Ан Датчик температуры NTC поэтому требуется только базовый аналоговый вход на микроконтроллере, в то время как термопара потребует усиления и компенсации холодного спая. Сочетание мощного сигнала, низкой стоимости и небольшого размера является причиной того, что термисторы используются почти в каждом приборе с регулируемой температурой.

Как микроконтроллер считывает термистор

Вывод первый: микроконтроллер считывает данные термистора через делитель напряжения, поскольку аналого-цифровой преобразователь (АЦП) измеряет напряжение, а не сопротивление.

В стандартной схеме термистор и постоянный резистор соединяются последовательно по шине питания, а между ними находится измерительный узел. АЦП измеряет напряжение узла, и на основе этого напряжения рассчитывается сопротивление. Если термистор находится на низкой стороне, а фиксированный резистор на высокой стороне:

Vвых = Vcc × Rфиксированный / (Rфиксированный Rтермистор)

Когда термистор нагревается и его сопротивление падает, большая часть напряжения питания падает на фиксированном резисторе, поэтому Воут возрастает. Когда он остывает, Воут падает.

Практическая цепочка измерений состоит из четырех частей:

• Стабильное напряжение питания, обычно 3,3 В или 5 В.
• Постоянный резистор с жестким допуском, предпочтительно 1% или выше.
• Термистор NTC в корпусе, соответствующем рабочей среде.
• АЦП с достаточным разрешением, чтобы различить наименьший температурный шаг, который важен для конструкции.

Типичный NTC-термистор сопротивлением 10 кОм со значением B 3950 в сочетании с постоянным резистором сопротивлением 10 кОм и источником питания 5 В дает следующие показания:

Обратите внимание на неравномерность интервала: между 0°C и 25°C выходное напряжение изменяется на 1,35 В, а между 75°C и 100°C — всего на 0,32 В. Чувствительность, естественно, выше при более низких температурах. Разработчики либо принимают это, либо переставляют делитель, чтобы сместить чувствительность к рабочему окну, либо исправляют это в прошивке, поскольку кривая плавная и повторяемая.

Преобразование сопротивления в температуру

Вывод первый: как только сопротивление известно, три стандартных метода преобразуют его в температуру: справочная таблица, уравнение B-параметра или уравнение Стейнхарта-Харта. Выбор представляет собой компромисс между простотой, использованием памяти и точностью.

Таблица поиска (таблица RT)

Производители публикуют таблицу зависимости сопротивления от температуры для каждого типа датчика. Прошивка сохраняет эту таблицу, находит две записи, которые заключают в себе текущее сопротивление, и линейно интерполирует между ними. Это самый быстрый метод для небольшого микроконтроллера и наиболее распространенный в платах управления устройствами. Загвоздка в том, что таблица должна соответствовать значению B датчика. Сопряжение таблицы B = 3435 с датчиком B = 3950 приводит к ошибкам в несколько градусов на обоих концах диапазона.

Уравнение B-параметра

Для умеренного диапазона температур сопротивление следующее:

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

где T — в Кельвинах, R25 — сопротивление при 25 °C, а B — константа материала, обычно от 3000 до 5000 К для термисторов NTC. Для этого уравнения нужны только две константы, и его легко реализовать. Он теряет точность, когда диапазон превышает примерно 50°C, но в пределах узкого окна это самый быстрый способ оценить температуру без таблицы.

Уравнение Стейнхарта-Харта

Для самого широкого диапазона и наилучшей точности стандартным выбором является уравнение Стейнхарта-Харта:

1/T = А B × ln(R) C × (ln R)^3

Три коэффициента, A, B и C (не путать с константой материала, указанной выше), подгоняются к измеренной кривой датчика. При хороших коэффициентах это уравнение сохраняется с точностью до нескольких сотых градуса по всему номинальному диапазону. Микроконтроллер оценивает его несколько раз в секунду, поэтому вычислительные затраты незначительны.

Какой бы метод ни использовался, сам датчик имеет допуск. Стандартный термистор NTC имеет допуск сопротивления около ±1% при 25°C и допуск значения B ±1%, что в совокупности соответствует погрешности примерно от ±0,5°C до ±1°C при 100°C. Если конструкция требует более высокой точности, выберите датчик более высокого класса или выполните калибровку по одной точке на производственной линии.

Практические соображения, определяющие реальную точность

Вывод первый: Точность измерения термистора определяется как условиями установки и эксплуатации, так и самим сенсорным элементом. В реальных приборах большую часть ошибок вызывают четыре фактора.

Самонагревание. Ток смещения слегка нагревает датчик над измеряемой средой, создавая постоянную ошибку. Для датчика со стеклянными шариками рассеиваемая мощность должна быть ниже примерно 1 мВт. Для справки: датчик 10 кОм в делителе 10 кОм с питанием 3,3 В рассеивает около 0,27 мВт при 25°C – безопасно, но легко превысить, если повысить напряжение питания или сделать фиксированный резистор значительно большего размера.

Соответствие B-значений. Два датчика с одинаковым сопротивлением при 25°C, но разными значениями B, показывают одинаковые показания при комнатной температуре и постепенно расходятся от нее. Убедитесь, что значение B производственного датчика соответствует характеристике встроенного ПО; несоответствие является распространенной основной причиной поведения «хорошо при 25 ° C, неправильно при 90 ° C».

Упаковка и время ответа. Голый керамический элемент реагирует за доли секунды, но герметизация замедляет его. Шарики с эпоксидным покрытием быстро реагируют и подходят для прохождения сухого воздуха через нагревательный элемент; металлические или силиконовые датчики работают медленнее, но выдерживают воздействие воды, пара и чистящих средств. Выбор герметичного зонда для влажной среды или быстродействующего эпоксидного шарика для воздушного потока имеет такое же значение, как и электрические характеристики.

Размещение. Термистор измеряет собственную локальную температуру. Он должен располагаться как можно ближе к контролируемой точке – нагревательному элементу, камере для приготовления пищи или нагреваемой жидкости. Расстояние в несколько миллиметров, сквозняк охлаждающего вентилятора или толстый металлический кронштейн, отводящий тепло, могут сместить показания на несколько градусов.

Термисторная система бытовой техники, выбранная и установленная с учетом этих четырех факторов, сохраняет свою калибровку в течение многих лет. Именно на этот уровень предсказуемости полагаются производители, когда строят алгоритм управления на основе недорогого компонента.

Измерение термисторов в реальной бытовой технике

В производственных приборах термистор никогда не работает изолированно. Он подключается к плате управления через жгут проводов, а разъем, подводящие провода и изоляция являются частью измерительной системы. Датчик с незакрепленными клеммами или треснутой изоляцией выдает прерывистые показания, которые невозможно исправить никакой калибровкой. Поэтому производители оценивают датчик, жгут проводов и разъем как один узел, а не как отдельные товарные детали.

В аэрофритюрнице датчик NTC контролирует рабочую камеру и сообщает об этом контроллеру, который включает нагреватель для поддержания заданной температуры. Датчик должен быстро реагировать и оставаться стабильным при резких колебаниях температуры; медленный датчик вызывает перерегулирование и неравномерное подрумянивание.

Датчик температуры NTC для фритюрницы от Cixi Tengyu Быстродействующие датчики NTC от китайского производителя поддерживают стабильный контроль температуры в аэрофритюрницах, помогая избежать перегрева и неравномерного подрумянивания во время циклов приготовления. Посмотреть продукт →

Электрический чайник — другое испытание. Датчик крепится к нагревательной пластине с помощью термоизоляции, а встроенное программное обеспечение отслеживает быстрое повышение температуры. Если тепловая связь ослабевает, чайник может продолжать нагреваться выше точки кипения, прежде чем контроллер среагирует. Быстродействующий элемент в сочетании с надежной монтажной конструкцией обеспечивает надежное выключение электрочайника каждый раз.

Поставщик датчиков температуры NTC для электрического чайника Этот поставщик предлагает датчики NTC для электрических чайников с термической муфтой и быстрым откликом для предотвращения перегрева, гарантируя надежное отключение во время закипания. Посмотреть продукт →

Рисоварка использует тот же принцип. Датчик расположен под внутренней кастрюлей, и контроллер наблюдает за скоростью повышения температуры, чтобы определить, когда вода впиталась, а затем отключает питание, чтобы сохранить тепло. Это классическое применение термистора: недорогой датчик, простой делитель и хорошо охарактеризованная кривая работают вместе, чтобы обеспечить стабильный результат приготовления. Тот же подход применяется в производителях соевого молока, кухонных комбайнах и электрических скороварках.

Производитель датчиков температуры NTC для рисоварки Датчики этого производителя подходят для рисоварок, контролируют повышение температуры для управления поглощением воды и функцией поддержания тепла, обеспечивая стабильные результаты приготовления. Посмотреть продукт →

С точки зрения закупок практический вопрос заключается не в том, хорошо ли термисторы измеряют температуру (а они это делают), а в том, имеет ли поставляемый датчик правильную кривую R-T, упакован ли он для реальной окружающей среды и поставляется ли с проводкой, выдерживающей сборку и ежедневное использование. Выбор производитель жгута проводов и датчика температуры NTC который контролирует все эти элементы вместе, позволяет избежать проблем несоответствия, которые возникают после того, как продукты попадают на поле.

Итог

Термистор измеряет температуру, потому что его сопротивление следует повторяемой, хорошо понятной кривой. Цепочка короткая: делитель напряжения преобразует сопротивление в напряжение, АЦП оцифровывает это напряжение, а справочная таблица или уравнение Стейнхарта-Харта преобразует его в температуру. Настоящая точность достигается за счет деталей, которые не отражаются в уравнениях: самонагревание, согласование значений B, упаковка, размещение и проводка, соединяющая датчик с контроллером. Обращайтесь с этими деталями правильно, и компонент, стоимость которого составляет несколько центов за единицу, будет удерживать устройство в пределах одного-двух градусов от его целевого значения в течение многих лет ежедневной эксплуатации.