نحوه استفاده از ترمیستور برای اندازه گیری دما: کار، مدارها، کاربردها

هنگامی که سرخ کن بادی را تنظیم می کنید و درست در لحظه مناسب خاموش می شود، یا پلوپز دقیقاً زمانی که دانه ها آب کافی جذب کرده اند برای گرم نگه داشتن می افتد، یک جزء کوچک در حال فکر کردن به دستگاه است. آن جزء ترمیستور است، یک مقاومت دو ترمینالی که مقاومت آن با دما تغییر می کند. این مقاله نحوه استفاده از ترمیستور را برای اندازه‌گیری دما توضیح می‌دهد: اصل فیزیکی که باعث کارکرد آن می‌شود، مداری که مقاومت آن را می‌خواند، ریاضیاتی که آن را به دما تبدیل می‌کند، و جزئیات عملی که تعیین می‌کند آیا اندازه‌گیری در طول سال‌ها استفاده دقیق باقی می‌ماند یا خیر.

مقاومتی که با دما تغییر می کند

نتیجه گیری اول: یک ترمیستور NTC دما را اندازه گیری می کند زیرا مقاومت آن به روشی شناخته شده و قابل تکرار با افزایش دما کاهش می یابد. این ویژگی واحد چیزی است که یک جزء غیرفعال را به یک حسگر تبدیل می کند.

ترمیستور از مواد نیمه هادی سرامیکی، معمولاً اکسیدهای فلزی، ساخته می شود که به صورت یک مهره، تراشه یا دیسک کوچک پخته می شوند. دو خانواده هستند. ترمیستورهای ضریب دمای منفی (NTC) با افزایش دما مقاومت را کاهش می دهند. ترمیستورهای ضریب دمای مثبت (PTC) مقاومت را افزایش می دهند و بیشتر برای حفاظت در برابر جریان اضافه یا گرمکن های خود تنظیم شونده استفاده می شوند. برای اندازه گیری دما، نوع NTC غالب است.

این تغییر به اندازه‌ای بزرگ است که بدون وسایل الکترونیکی دقیق خوانده شود. یک ترمیستور معمولی 10 کیلو اهم NTC با درجه حرارت 25 درجه سانتیگراد حدود 33.6 کیلو اهم در دمای 0 درجه سانتیگراد و حدود 700 Ω در 100 درجه سانتیگراد اندازه گیری می کند - یک نوسان تقریباً 50 به 1 در محدوده ای که اکثر لوازم خانگی در آن کار می کنند. یک سنسور دمای NTC بنابراین فقط به یک ورودی آنالوگ پایه روی یک میکروکنترلر نیاز دارد، در حالی که یک ترموکوپل به تقویت و جبران اتصال سرد نیاز دارد. این ترکیب سیگنال بزرگ، هزینه کم و اندازه کوچک به همین دلیل است که ترمیستورها تقریباً در هر دستگاه کنترل دما ظاهر می شوند.

چگونه یک میکروکنترلر ترمیستور را می خواند

نتیجه گیری اول: یک میکروکنترلر ترمیستور را از طریق یک تقسیم کننده ولتاژ می خواند، زیرا مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) ولتاژ را اندازه گیری می کند، نه مقاومت را.

آرایش استاندارد ترمیستور و یک مقاومت ثابت را به صورت سری در سرتاسر ریل منبع تغذیه و با گره اندازه گیری بین آنها متصل می کند. ADC ولتاژ گره را اندازه گیری می کند و مقاومت از روی آن ولتاژ محاسبه می شود. اگر ترمیستور در سمت پایین و مقاومت ثابت در سمت بالا باشد:

وات = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rthermistor)

هنگامی که ترمیستور گرم می شود و مقاومت آن کاهش می یابد، مقدار بیشتری از ولتاژ تغذیه در مقاومت ثابت کاهش می یابد، بنابراین Vout افزایش می یابد. وقتی خنک می شود، Vout می افتد.

یک زنجیره اندازه گیری عملی دارای چهار بخش است:

• یک ولتاژ تغذیه پایدار، معمولاً 3.3 ولت یا 5 ولت
• یک مقاومت ثابت با تلرانس محکم، ترجیحاً 1٪ یا بهتر
• ترمیستور NTC در بسته بندی مناسب برای محیط کار
• یک ADC با وضوح کافی برای تشخیص کوچکترین مرحله دمایی که طراحی به آن اهمیت می دهد

یک ترمیستور معمولی 10 کیلو اهم NTC با مقدار B 3950، همراه با یک مقاومت ثابت 10 کیلو اهم و یک منبع تغذیه 5 ولت، این قرائت ها را تولید می کند:

به فاصله ناهموار توجه کنید: بین 0 تا 25 درجه سانتی گراد خروجی 1.35 ولت تغییر می کند، در حالی که بین 75 درجه سانتی گراد تا 100 درجه سانتی گراد تنها 0.32 ولت تغییر می کند. حساسیت به طور طبیعی در دماهای پایین تر بیشتر است. طراحان یا این را می‌پذیرند، تقسیم‌کننده را به حساسیت سوگیری نسبت به پنجره عملیاتی بازآرایی می‌کنند، یا آن را در میان‌افزار تصحیح می‌کنند زیرا منحنی صاف و قابل تکرار است.

تبدیل مقاومت به دما

نتیجه گیری اول: هنگامی که مقاومت مشخص شد، سه روش استاندارد آن را به دما تبدیل می کند: یک جدول جستجو، معادله پارامتر B، یا معادله Steinhart-Hart. این انتخاب یک معامله بین سادگی، استفاده از حافظه و دقت است.

جدول جستجو (جدول R-T)

سازندگان جدول مقاومت در برابر دما را برای هر نوع سنسور منتشر می کنند. سفت‌افزار آن جدول را ذخیره می‌کند، دو ورودی را پیدا می‌کند که مقاومت جریان را در براکت قرار می‌دهند و به صورت خطی بین آنها درون‌یابی می‌کند. این سریعترین روش در یک میکروکنترلر کوچک و رایج ترین روش در بردهای کنترل لوازم خانگی است. نکته مهم این است که جدول باید با مقدار B سنسور مطابقت داشته باشد. جفت کردن یک جدول B = 3435 با یک سنسور B = 3950 باعث ایجاد خطاهای چند درجه در هر دو انتهای محدوده می شود.

B-معادله پارامتر

برای یک دامنه دمایی متوسط، مقاومت به شرح زیر است:

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298.15)]

در جایی که T بر حسب کلوین است، R25 مقاومت در 25 درجه سانتیگراد و B ثابت ماده است، معمولاً بین 3000 K و 5000 K برای ترمیستورهای NTC. این معادله تنها به دو ثابت نیاز دارد و پیاده سازی آن ساده است. هنگامی که دهانه از حدود 50 درجه سانتیگراد فراتر رود، دقت را از دست می دهد، اما در یک پنجره باریک، سریعترین راه برای تخمین دما بدون جدول است.

معادله استاینهارت-هارت

برای وسیع‌ترین محدوده و بهترین دقت، معادله Steinhart-Hart انتخاب استاندارد است:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

سه ضریب A، B و C (نباید با ثابت ماده بالا اشتباه گرفته شود)، به منحنی اندازه گیری سنسور برازش داده می شود. با ضرایب خوب، این معادله در عرض چند صدم درجه در عرض نامی باقی می ماند. یک میکروکنترلر آن را چند بار در ثانیه ارزیابی می کند، بنابراین هزینه محاسباتی ناچیز است.

هر روشی که استفاده شود، سنسور خود تحمل دارد. یک ترمیستور استاندارد NTC دارای تحمل مقاومت حدود 1% در 25 درجه سانتیگراد و تلورانس B-value 1% است که در مجموع تقریباً 0.5± تا 1± درجه سانتیگراد خطا در 100 درجه سانتیگراد است. اگر طراحی به دقت دقیق تری نیاز دارد، یک سنسور درجه بالاتر را مشخص کنید یا یک کالیبراسیون یک نقطه ای را در خط تولید انجام دهید.

ملاحظات عملی که دقت واقعی را تعیین می کند

نتیجه گیری اول: دقت اندازه گیری ترمیستور به همان اندازه که توسط خود عنصر سنسور بر اساس شرایط نصب و عملکرد تعیین می شود. در لوازم خانگی، چهار عامل باعث بیشتر خطا می شود.

خود گرمایشی. جریان بایاس سنسور را کمی بالاتر از محیط اندازه‌گیری شده گرم می‌کند و یک خطای دائمی ایجاد می‌کند. اتلاف توان را برای سنسور مهره‌های شیشه‌ای زیر حدود 1 مگاوات نگه دارید. به عنوان یک مرجع، یک سنسور 10 کیلو اهم در یک تقسیم کننده 10 کیلو اهم با منبع تغذیه 3.3 ولت حدود 0.27 مگاوات را در دمای 25 درجه سانتیگراد تلف می کند - ایمن است، اما اگر ولتاژ تغذیه افزایش یابد یا مقاومت ثابت بسیار بزرگتر شود، به راحتی قابل تجاوز است.

تطبیق ارزش B دو حسگر با مقاومت یکسان در دمای 25 درجه سانتیگراد اما مقادیر B متفاوت در دمای اتاق یکسان می‌خوانند و به تدریج از آن دور می‌شوند. تأیید کنید که مقدار B حسگر تولیدی با مشخصات موجود در سیستم عامل مطابقت دارد. عدم تطابق یکی از دلایل اصلی رفتار "در دمای 25 درجه سانتیگراد خوب، در دمای 90 درجه سانتیگراد اشتباه" است.

بسته بندی و زمان پاسخگویی عنصر سرامیکی لخت در کسری از ثانیه پاسخ می دهد، اما کپسوله شدن آن را کند می کند. دانه های پوشش داده شده با اپوکسی به سرعت واکنش نشان می دهند و با هوای خشک در حال حرکت در یک عنصر گرمایشی مناسب هستند. کاوشگرهای مهر و موم شده با فلز یا سیلیکون کندتر هستند اما در برابر آب، بخار و مواد پاک کننده مقاوم هستند. انتخاب یک پروب مهر و موم شده برای کاربرد مرطوب، یا یک مهره اپوکسی سریع برای جریان هوا، به اندازه مشخصات الکتریکی اهمیت دارد.

قرار دادن. ترمیستور دمای محلی خود را اندازه گیری می کند. باید تا حد امکان نزدیک به نقطه ای که کنترل می شود - عنصر گرما، حفره پخت و پز یا مایع در حال گرم شدن قرار گیرد. چند میلی‌متر فاصله، جریان هوا از یک فن خنک‌کننده یا یک براکت فلزی ضخیم که گرما را فرو می‌برد، می‌تواند مقدار را چندین درجه تغییر دهد.

یک سیستم ترمیستور درجه یک دستگاه که با در نظر گرفتن این چهار فاکتور مشخص و نصب شده است، کالیبراسیون خود را برای سالها حفظ می کند. این سطح از قابلیت پیش بینی چیزی است که سازندگان هنگام ایجاد یک الگوریتم کنترل حول یک جزء کم هزینه به آن تکیه می کنند.

اندازه گیری ترمیستور در لوازم خانگی واقعی

در وسایل تولیدی، ترمیستور هرگز به صورت مجزا کار نمی کند. از طریق یک دسته سیم به برد کنترل متصل می شود و کانکتور، سیم های سرب و عایق بخشی از سیستم اندازه گیری هستند. یک سنسور با پایانه های شل یا عایق ترک خورده، قرائت های متناوب ایجاد می کند که هیچ کالیبراسیون نمی تواند آنها را اصلاح کند. بنابراین سازندگان حسگر، مهار و کانکتور را به‌عنوان یک مجموعه ارزیابی می‌کنند و نه به‌عنوان قطعات جداگانه کالا.

در سرخ کن هوا، حسگر NTC حفره پخت و پز را کنترل می کند و به کنترل کننده گزارش می دهد، که بخاری را برای حفظ دمای تنظیم شده تغییر می دهد. سنسور باید به سرعت واکنش نشان دهد و در نوسانات گسترده دما ثابت بماند. سنسور کند باعث افزایش بیش از حد و قهوه ای شدن ناهموار می شود.

سنسور دمای هوا سرخ کن NTC از Cixi Tengyu حسگرهای NTC با واکنش سریع یک سازنده چینی از کنترل دمای پایدار در سرخ کن‌های هوا پشتیبانی می‌کنند و به جلوگیری از افزایش بیش از حد و قهوه‌ای شدن ناهموار در طول چرخه‌های پخت کمک می‌کنند. مشاهده محصول →

کتری برقی یک آزمایش متفاوت است. سنسور با یک مهر و موم حرارتی روی صفحه گرمایش نصب می شود و سیستم عامل افزایش سریع دما را نظارت می کند. اگر کوپلینگ حرارتی ضعیف شود، کتری می تواند قبل از واکنش کنترل کننده، گرمایش را از نقطه جوش گذشته نگه دارد. یک عنصر واکنش سریع همراه با ساختار نصب قابل اعتماد چیزی است که باعث می‌شود یک کتری برقی هر بار به طور قابل اعتمادی خاموش شود.

تامین کننده سنسور دما کتری برقی NTC این تامین کننده سنسورهای NTC را برای کتری های برقی، با جفت حرارتی و پاسخ سریع برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، ارائه می دهد و از خاموش شدن قابل اطمینان در هنگام جوش اطمینان می دهد. مشاهده محصول →

پلوپز هم همین اصل را بیشتر می کند. سنسور زیر گلدان داخلی قرار می گیرد و کنترل کننده سرعت افزایش دما را تماشا می کند تا تصمیم بگیرد چه زمانی آب جذب شده است، سپس قدرت گرم نگه داشتن را کاهش می دهد. این یک برنامه ترمیستور کلاسیک است: یک سنسور کم هزینه، یک تقسیم کننده ساده و یک منحنی با مشخصه خوب که با هم کار می کنند تا یک نتیجه پخت ثابت ایجاد کنند. همین رویکرد در تولیدکنندگان شیر سویا، غذاسازها و زودپزهای برقی دیده می شود.

تولید کننده سنسور دما پلوپز NTC سنسورهای این سازنده برای پلوپزها، نظارت بر افزایش دما برای مدیریت جذب آب و عملکرد گرم نگه داشتن، پشتیبانی از نتایج پخت ثابت مناسب است. مشاهده محصول →

از نقطه نظر تدارکات، سوال عملی این نیست که آیا ترمیستورها دما را به خوبی اندازه گیری می کنند - آنها این کار را انجام می دهند - بلکه این است که آیا سنسور ارائه شده با منحنی R-T صحیح مشخص می شود، برای محیط واقعی بسته بندی شده و با سیم کشی ارائه می شود که از مونتاژ و استفاده روزانه دوام می آورد. انتخاب یک تولید کننده دسته سیم و سنسور دمای NTC که همه آن عناصر را با هم کنترل می کند، از مشکلات عدم تطابق که پس از رسیدن محصولات به میدان ظاهر می شود جلوگیری می کند.

خط پایین

یک ترمیستور دما را اندازه گیری می کند زیرا مقاومت آن از یک منحنی قابل تکرار و کاملا درک شده پیروی می کند. زنجیره کوتاه است: یک تقسیم‌کننده ولتاژ مقاومت را به ولتاژ تبدیل می‌کند، یک ADC آن ولتاژ را دیجیتالی می‌کند و یک جدول جستجو یا معادله Steinhart-Hart آن را به دما تبدیل می‌کند. دقت واقعی از جزئیاتی ناشی می شود که معادلات نشان نمی دهند - خود گرم شدن، تطبیق B-value، بسته بندی، قرارگیری و سیم کشی که سنسور را به کنترل کننده متصل می کند. این جزئیات را به درستی مدیریت کنید، و قطعه ای که قیمت آن چند سنت در هر واحد است، یک دستگاه را در یک یا دو درجه از هدف خود برای سالها کارکرد روزانه نگه می دارد.