Hvordan en termistor bruges til at måle temperatur: arbejde, kredsløb, applikationer

Når du indstiller en airfryer, og den slukker i det helt rigtige øjeblik, eller en riskoger falder for at holde varmen, præcis når kornet har absorberet nok vand, er det en lille komponent, der gør tankerne for apparatet. Denne komponent er termistoren, en to-terminal modstand, hvis modstand ændres med temperaturen. Denne artikel forklarer, hvordan en termistor bruges til at måle temperatur: det fysiske princip, der får den til at fungere, kredsløbet, der aflæser dens modstand, matematikken, der konverterer denne læsning til en temperatur, og de praktiske detaljer, der afgør, om målingen forbliver nøjagtig over mange års brug.

En modstand, der ændrer sig med temperaturen

Konklusion først: en NTC termistor måler temperaturen, fordi dens modstand falder på en kendt, gentagelig måde, når temperaturen stiger. Den enkelte egenskab er det, der gør en passiv komponent til en sensor.

En termistor er lavet af keramiske halvledermaterialer, normalt metaloxider, sintret i en lille perle, chip eller skive. Der er to familier. Negativ temperaturkoefficient (NTC) termistorer mindsker modstanden, når temperaturen stiger; positiv temperaturkoefficient (PTC) termistorer øger modstanden og bruges oftere til overstrømsbeskyttelse eller selvregulerende varmelegemer. Til temperaturmåling dominerer NTC-typen.

Ændringen er stor nok til at kunne læses uden omfattende elektronik. En typisk 10 kΩ NTC-termistor vurderet til 25°C måler omkring 33,6 kΩ ved 0°C og omkring 700 Ω ved 100°C - et sving på næsten 50 til 1 i det område, hvor de fleste husholdningsapparater fungerer. An NTC temperaturføler har derfor kun brug for en grundlæggende analog indgang på en mikrocontroller, mens et termoelement ville kræve forstærkning og koldforbindelseskompensation. Denne kombination af stort signal, lav pris og lille størrelse er grunden til, at termistorer forekommer i næsten alle temperaturkontrollerede apparater.

Hvordan en mikrocontroller læser termistoren

Konklusion først: en mikrocontroller læser en termistor gennem en spændingsdeler, fordi en analog-til-digital konverter (ADC) måler spænding, ikke modstand.

Standardarrangementet forbinder termistoren og en fast modstand i serie på tværs af forsyningsskinnen med måleknudepunktet mellem dem. ADC'en måler nodespændingen, og modstanden beregnes ud fra den spænding. Hvis termistoren er på den lave side og den faste modstand på den høje side:

Vout = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rthermistor)

Når termistoren opvarmes, og dens modstand falder, falder mere af forsyningsspændingen over den faste modstand, så Vout stiger. Når det køler, falder Vout.

En praktisk målekæde består af fire dele:

• En stabil forsyningsspænding, typisk 3,3 V eller 5 V
• En fast modstand med en snæver tolerance, helst 1 % eller bedre
• NTC termistoren i en pakke, der passer til driftsmiljøet
• En ADC med tilstrækkelig opløsning til at skelne mellem det mindste temperaturtrin, designet bekymrer sig om

En typisk 10 kΩ NTC termistor med en B-værdi på 3950, parret med en 10 kΩ fast modstand og en 5 V-forsyning, producerer disse aflæsninger:

Læg mærke til den ujævne afstand: mellem 0°C og 25°C ændres outputtet med 1,35 V, mens det mellem 75°C og 100°C kun ændres med 0,32 V. Følsomheden er naturligvis højere ved lavere temperaturer. Designere accepterer enten dette, omarrangerer skillelinjen for at forspænde følsomheden mod betjeningsvinduet eller retter den i firmwaren, fordi kurven er glat og gentagelig.

Konvertering af modstand til en temperatur

Konklusion først: når modstanden er kendt, konverterer tre standardmetoder den til en temperatur: en opslagstabel, B-parameterligningen eller Steinhart-Hart-ligningen. Valget er en afvejning mellem enkelhed, hukommelsesbrug og nøjagtighed.

Opslagstabel (R-T-tabel)

Producenter offentliggør en modstand-versus-temperatur-tabel for hver sensortype. Firmwaren gemmer denne tabel, finder de to indgange, der afgrænser den aktuelle modstand og interpolerer lineært mellem dem. Dette er den hurtigste metode på en lille mikrocontroller og den mest almindelige i apparatets kontroltavler. Haken er, at bordet skal matche sensorens B-værdi. Parring af en B = 3435-tabel med en B = 3950-sensor giver fejl på flere grader i begge ender af området.

B-parameterligning

For et moderat temperaturspænd er modstanden som følger:

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

hvor T er i kelvin, R25 er modstanden ved 25°C og B er materialekonstanten, typisk mellem 3000 K og 5000 K for NTC termistorer. Denne ligning behøver kun to konstanter og er enkel at implementere. Det mister nøjagtigheden, når spændvidden overstiger ca. 50°C, men inden for et smalt vindue er det den hurtigste måde at estimere temperaturen uden en tabel.

Steinhart-Hart ligning

For det bredeste område og den bedste nøjagtighed er Steinhart-Hart-ligningen standardvalget:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

De tre koefficienter, A, B og C (ikke at forveksle med materialekonstanten ovenfor), er tilpasset sensorens målte kurve. Med gode koefficienter holder denne ligning inden for et par hundrededele af en grad over det nominelle spænd. En mikrocontroller evaluerer det et par gange i sekundet, så beregningsomkostningerne er ubetydelige.

Uanset hvilken metode der anvendes, bærer selve sensoren tolerance. En standard NTC termistor har en modstandstolerance på ca. ±1 % ved 25°C og en B-værditolerance på ±1%, som tilsammen oversættes til ca. ±0,5°C til ±1°C fejl ved 100°C. Hvis designet har brug for strammere nøjagtighed, skal du angive en sensor af højere kvalitet eller udføre en etpunktskalibrering på produktionslinjen.

Praktiske overvejelser, der afgør reel nøjagtighed

Konklusion først: nøjagtigheden af en termistormåling bestemmes lige så meget af installations- og driftsforhold som af selve sensorelementet. I rigtige apparater forårsager fire faktorer størstedelen af ​​fejlen.

Selvopvarmende. Forspændingsstrømmen opvarmer sensoren lidt over det målte medium, hvilket skaber en vedvarende fejl. Hold strømtabet under ca. 1 mW for en glasperlesensor. Som reference spreder en 10 kΩ-sensor i en 10 kΩ-deler med en 3,3 V-forsyning omkring 0,27 mW ved 25°C - sikkert, men let at overskride, hvis forsyningsspændingen hæves, eller den faste modstand gøres meget større.

B-værdi matching. To sensorer med samme modstand ved 25°C, men forskellige B-værdier læser det samme ved stuetemperatur og divergerer gradvist væk fra den. Bekræft, at B-værdien af ​​produktionssensoren svarer til karakteriseringen i firmwaren; et mismatch er en almindelig årsag til "god ved 25°C, forkert ved 90°C" adfærd.

Emballage og responstid. Det nøgne keramiske element reagerer på en brøkdel af et sekund, men indkapslingen bremser det. Epoxycoatede perler reagerer hurtigt og passer til tør luft, der bevæger sig hen over et varmeelement; metal- eller silikoneforseglede prober er langsommere, men overlever vand, damp og rengøringsmidler. At vælge en forseglet sonde til en våd påføring eller en hurtig epoxyperle til en luftstrøm betyder lige så meget som den elektriske specifikation.

Placering. Termistoren måler sin egen lokale temperatur. Den skal sidde så tæt som muligt på det punkt, der styres - varmelegemet, kogerummet eller væsken, der opvarmes. Et par millimeters adskillelse, et træk fra en køleventilator eller et tykt metalbeslag, der synker varmen, kan forskyde aflæsningen med flere grader.

Et termistorsystem i apparatkvalitet, specificeret og installeret med disse fire faktorer i tankerne, holder sin kalibrering i årevis. Dette niveau af forudsigelighed er, hvad producenter stoler på, når de bygger en kontrolalgoritme omkring en lavpriskomponent.

Termistormåling i rigtige husholdningsapparater

I produktionsapparater fungerer termistoren aldrig isoleret. Den forbindes til styrekortet gennem et ledningsnet, og stikket, ledningsledningerne og isoleringen er en del af målesystemet. En sensor med løse terminaler eller revnet isolering producerer intermitterende aflæsninger, som ingen kalibrering kan korrigere. Fabrikanter vurderer derfor sensoren, selen og stikket som én enhed snarere end som separate varedele.

I en frituregryde overvåger NTC-sensoren tilberedningshulrummet og rapporterer til controlleren, som skifter varmelegemet til at holde den indstillede temperatur. Sensoren skal reagere hurtigt og forblive stabil på tværs af brede temperaturudsving; en langsom sensor forårsager overskydning og ujævn brunfarvning.

Air Fryer NTC temperatursensor fra Cixi Tengyu Hurtige NTC-sensorer fra en kinesisk producent understøtter stabil temperaturkontrol i frituregryder, hvilket hjælper med at undgå overskridelse og ujævn bruning under tilberedningscyklusser. Se produkt →

En elkedel er en anden test. Føleren monteres mod varmepladen med en termisk tætning, og firmwaren overvåger en hurtig temperaturstigning. Hvis den termiske kobling svækkes, kan kedlen blive ved med at varme over kogepunktet, før regulatoren reagerer. Et hurtigt reagerende element kombineret med en pålidelig monteringsstruktur er det, der får en elkedel til at slukke pålideligt hver gang.

El-kedel NTC Temperatursensor Leverandør Denne leverandør tilbyder NTC-sensorer til elkedler, med termisk kobling og hurtig respons for at forhindre overophedning, hvilket sikrer pålidelig slukning under kogning. Se produkt →

En riskoger tager samme princip videre. Sensoren sidder under den indvendige gryde, og controlleren overvåger temperaturstigningshastigheden for at afgøre, hvornår vandet er blevet absorberet, og sænker derefter strømmen til at holde varmen. Det er en klassisk termistorapplikation: en billig sensor, en enkel skillelinje og en velkarakteriseret kurve, der arbejder sammen for at producere et ensartet madlavningsresultat. Den samme tilgang forekommer i sojamælkproducenter, foodprocessorer og elektriske trykkogere.

Riskoger NTC Temperatursensor Producent Sensorer fra denne producent er velegnede til riskogere, der overvåger temperaturstigninger for at styre vandabsorption og holde varm funktion, hvilket understøtter ensartede tilberedningsresultater. Se produkt →

Fra et indkøbssynspunkt er det praktiske spørgsmål ikke, om termistorer måler temperatur godt - det gør de - men om den medfølgende sensor er karakteriseret med den korrekte R-T-kurve, pakket til det virkelige miljø og leveret med ledninger, der overlever montage og daglig brug. At vælge en producent af ledningsnet og NTC temperatursensor der styrer alle disse elementer sammen, undgår de uoverensstemmelsesproblemer, der dukker op, når produkterne når frem til marken.

Bundlinjen

En termistor måler temperaturen, fordi dens modstand følger en gentagelig, velforstået kurve. Kæden er kort: en spændingsdeler konverterer modstand til spænding, en ADC digitaliserer den spænding, og en opslagstabel eller Steinhart-Hart-ligningen konverterer den til en temperatur. Virkelig nøjagtighed kommer fra de detaljer, som ligningerne ikke viser - selvopvarmning, B-værdi-matchning, pakning, placering og ledningerne, der forbinder sensoren med controlleren. Håndter disse detaljer korrekt, og en komponent, der koster et par cent pr. enhed, holder et apparat inden for en grad eller to af dets mål for mange års daglig drift.