Sıcaklığı Ölçmek İçin Bir Termistör Nasıl Kullanılır: Çalışma, Devreler, Uygulamalar

Hava fritözünü kurduğunuzda ve tam doğru zamanda kapandığında ya da pirinç pişirici tam olarak tahıl yeterli suyu emdiğinde sıcak tutmak için yere düştüğünde, cihazın düşünme işini küçük bir bileşen yapıyor. Bu bileşen, direnci sıcaklıkla değişen iki terminalli bir direnç olan termistördür. Bu makalede, termistörün sıcaklığı ölçmek için nasıl kullanıldığı açıklanmaktadır: Termistörün çalışmasını sağlayan fiziksel prensip, direncini okuyan devre, bu okumayı sıcaklığa dönüştüren matematik ve ölçümün yıllar boyunca doğru kalıp kalmayacağına karar veren pratik ayrıntılar.

Sıcaklıkla Değişen Bir Direnç

Öncelikle sonuç: Bir NTC termistörü sıcaklığı ölçer çünkü sıcaklık arttıkça direnci bilinen, tekrarlanabilir bir şekilde düşer. Bu tek özellik, pasif bir bileşeni sensöre dönüştüren şeydir.

Bir termistör, küçük bir boncuk, çip veya disk halinde sinterlenmiş, genellikle metal oksitler olmak üzere seramik yarı iletken malzemelerden yapılır. İki aile var. Negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistörler sıcaklık arttıkça direnci azaltır; pozitif sıcaklık katsayılı (PTC) termistörler direnci arttırır ve daha çok aşırı akım koruması veya kendi kendini düzenleyen ısıtıcılar için kullanılır. Sıcaklık ölçümünde NTC tipi hakimdir.

Değişiklik, karmaşık elektronikler olmadan okunabilecek kadar büyüktür. 25°C'de derecelendirilen tipik bir 10 kΩ NTC termistörü, 0°C'de yaklaşık 33,6 kΩ ve 100°C'de yaklaşık 700 Ω ölçer; çoğu ev cihazının çalıştığı aralıkta yaklaşık 50'ye 1'lik bir salınımdır. bir NTC sıcaklık sensörü bu nedenle, bir mikro denetleyici üzerinde yalnızca temel bir analog girişe ihtiyaç duyarken, bir termokupl, amplifikasyon ve soğuk bağlantı telafisi gerektirir. Büyük sinyal, düşük maliyet ve küçük boyutun bu birleşimi, termistörlerin hemen hemen her sıcaklık kontrollü cihazda görünmesinin nedenidir.

Bir Mikrodenetleyici Termistörü Nasıl Okur?

Öncelikle sonuç: bir mikrodenetleyici, bir voltaj bölücü aracılığıyla bir termistörü okur, çünkü bir analog-dijital dönüştürücü (ADC), direnci değil voltajı ölçer.

Standart düzenleme, termistörü ve sabit bir direnci, aralarında ölçüm düğümü olacak şekilde besleme rayı boyunca seri olarak bağlar. ADC düğüm voltajını ölçer ve direnç bu voltajdan hesaplanır. Termistör düşük tarafta ve sabit direnç yüksek taraftaysa:

Vout = Vcc × Rsabit / (Rsabit Rtermistör)

Termistör ısındığında ve direnci düştüğünde, sabit direnç üzerindeki besleme voltajının daha fazlası düşer, dolayısıyla Vout yükselir. Soğuduğunda Vout düşer.

Pratik bir ölçüm zinciri dört bölümden oluşur:

• Sabit bir besleme voltajı, genellikle 3,3 V veya 5 V
• Tercihen %1 veya daha iyi olmak üzere sıkı toleranslı sabit bir direnç
• Çalışma ortamına uygun bir pakette NTC termistörü
• Tasarımın önemsediği en küçük sıcaklık adımını ayırt etmek için yeterli çözünürlüğe sahip bir ADC

10 kΩ sabit direnç ve 5 V besleme ile eşleştirilmiş, B değeri 3950 olan tipik bir 10 kΩ NTC termistörü şu okumaları üretir:

Düzensiz aralığa dikkat edin: 0°C ile 25°C arasında çıkış 1,35 V değişir, 75°C ile 100°C arasında ise yalnızca 0,32 V değişir. Düşük sıcaklıklarda hassasiyet doğal olarak daha yüksektir. Tasarımcılar ya bunu kabul eder, bölücüyü çalışma penceresine doğru önyargılı olacak şekilde yeniden düzenler ya da eğri düzgün ve tekrarlanabilir olduğundan donanım yazılımında bunu düzeltir.

Direnci Sıcaklığa Dönüştürmek

Öncelikle sonuç: Direnç bilindikten sonra üç standart yöntem bunu sıcaklığa dönüştürür: bir arama tablosu, B parametresi denklemi veya Steinhart-Hart denklemi. Seçim basitlik, hafıza kullanımı ve doğruluk arasında bir dengedir.

Arama Tablosu (R-T Tablosu)

Üreticiler her sensör tipi için bir direnç-sıcaklık tablosu yayınlamaktadır. Aygıt yazılımı bu tabloyu saklar, mevcut direnci tutan iki girişi bulur ve aralarında doğrusal olarak enterpolasyon yapar. Bu, küçük bir mikro denetleyicideki en hızlı yöntemdir ve cihaz kontrol kartlarında en yaygın olanıdır. İşin püf noktası, tablonun sensörün B değeriyle eşleşmesi gerektiğidir. B = 3435'lik bir tabloyu B = 3950'lik bir sensörle eşleştirmek, aralığın her iki ucunda da birkaç derecelik hatalara neden olur.

B-Parametre Denklemi

Orta dereceli bir sıcaklık aralığı için direnç aşağıdaki gibidir:

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

T kelvin cinsindendir, R25 25°C'deki dirençtir ve B, NTC termistörleri için tipik olarak 3000 K ile 5000 K arasındaki malzeme sabitidir. Bu denklem yalnızca iki sabite ihtiyaç duyar ve uygulanması kolaydır. Açıklık kabaca 50°C'yi aştığında doğruluğunu kaybeder, ancak dar bir pencere içinde tablo olmadan sıcaklığı tahmin etmenin en hızlı yoludur.

Steinhart-Hart Denklemi

En geniş aralık ve en iyi doğruluk için Steinhart-Hart denklemi standart seçimdir:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Üç katsayı, A, B ve C (yukarıdaki malzeme sabiti ile karıştırılmamalıdır), sensörün ölçülen eğrisine uyarlanır. İyi katsayılar ile bu denklem, nominal aralık boyunca derecenin birkaç yüzde biri dahilinde kalır. Bir mikrodenetleyici bunu saniyede birkaç kez değerlendirir, dolayısıyla hesaplama maliyeti ihmal edilebilir.

Hangi yöntem kullanılırsa kullanılsın sensörün kendisi tolerans taşır. Standart bir NTC termistörünün 25°C'de yaklaşık ±%1'lik bir direnç toleransı ve ±%1'lik bir B değeri toleransı vardır; bunlar birlikte 100°C'de kabaca ±0,5°C ila ±1°C hata anlamına gelir. Tasarımın daha sıkı bir doğruluk gerektirmesi durumunda daha yüksek dereceli bir sensör seçin veya üretim hattında tek nokta kalibrasyonu gerçekleştirin.

Gerçek Doğruluğa Karar Veren Pratik Hususlar

Öncelikle sonuç: Bir termistör ölçümünün doğruluğuna sensör elemanının kendisi kadar kurulum ve çalışma koşulları da karar verir. Gerçek cihazlarda hatanın çoğuna dört faktör neden olur.

Kendiliğinden ısınma. Öngerilim akımı, sensörü ölçülen ortamın biraz üzerinde ısıtarak kalıcı bir hata oluşturur. Cam boncuklu bir sensör için güç dağıtımını yaklaşık 1 mW'ın altında tutun. Referans olarak, 3,3 V beslemeli 10 kΩ'luk bir bölücüdeki 10 kΩ'luk bir sensör, 25°C'de yaklaşık 0,27 mW enerji harcar; güvenlidir ancak besleme voltajı yükseltilirse veya sabit direnç çok daha büyük yapılırsa aşılması kolaydır.

B değeri eşleşmesi. 25°C'de aynı dirence sahip ancak farklı B değerlerine sahip iki sensör, oda sıcaklığında aynı değeri okur ve giderek ondan uzaklaşır. Üretim sensörünün B değerinin ürün yazılımındaki karakterizasyonla eşleştiğini doğrulayın; uyumsuzluk "25°C'de iyi, 90°C'de yanlış" davranışının yaygın temel nedenidir.

Paketleme ve yanıt süresi. Çıplak seramik eleman saniyeden çok daha kısa bir sürede tepki verir, ancak kapsülleme onu yavaşlatır. Epoksi kaplı boncuklar hızla tepki verir ve bir ısıtma elemanı boyunca hareket eden kuru havaya uyum sağlar; metal veya silikonla kapatılmış problar daha yavaştır ancak su, buhar ve temizlik maddelerine dayanıklıdır. Islak uygulama için kapalı bir prob veya hava akışı için hızlı bir epoksi boncuk seçmek, elektriksel özellikler kadar önemlidir.

Atama. Termistör kendi yerel sıcaklığını ölçer. Kontrol edilen noktaya (ısıtma elemanına, pişirme bölmesine veya ısıtılan sıvıya) mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Birkaç milimetrelik bir ayrım, bir soğutma fanından gelen bir hava akımı veya ısıyı emen kalın bir metal braket, okumayı birkaç derece değiştirebilir.

Bu dört faktör göz önünde bulundurularak belirlenen ve kurulan cihaz sınıfı bir termistör sistemi, kalibrasyonunu yıllarca korur. Bu öngörülebilirlik düzeyi, üreticilerin düşük maliyetli bir bileşen etrafında bir kontrol algoritması oluştururken güvendikleri şeydir.

Gerçek Ev Aletlerinde Termistör Ölçümü

Üretim cihazlarında termistör asla tek başına çalışmaz. Bir kablo demeti aracılığıyla kontrol panosuna bağlanır ve konnektör, kablolar ve izolasyon ölçüm sisteminin bir parçasıdır. Gevşek terminalleri veya çatlamış izolasyonu olan bir sensör, hiçbir kalibrasyonun düzeltemeyeceği aralıklı okumalar üretir. Bu nedenle üreticiler sensörü, kablo demetini ve konnektörü ayrı ticari parçalar olarak değil, tek bir grup olarak değerlendiriyorlar.

Hava fritözünde, NTC sensörü pişirme odasını izler ve ısıtıcıyı ayarlanan sıcaklığı tutacak şekilde çalıştıran kontrol ünitesine rapor verir. Sensör hızlı tepki vermeli ve geniş sıcaklık değişimlerinde kararlı kalmalıdır; yavaş bir sensör aşırıya kaçmaya ve eşit olmayan kızarmaya neden olur.

Cixi Tengyu'dan Hava Fritözü NTC Sıcaklık Sensörü Çinli bir üreticinin hızlı tepki veren NTC sensörleri, hava fritözlerinde sabit sıcaklık kontrolünü destekleyerek pişirme döngüleri sırasında aşırı ısınmayı ve eşit olmayan kızarmayı önlemeye yardımcı olur. Ürünü Görüntüle →

Elektrikli su ısıtıcısı farklı bir testtir. Sensör, termal yalıtımla ısıtma plakasına monte edilir ve cihaz yazılımı, hızlı sıcaklık artışını izler. Termal bağlantı zayıflarsa, su ısıtıcısı, kontrol cihazı tepki vermeden önce kaynama noktasını geçecek şekilde ısınmaya devam edebilir. Güvenilir montaj yapısıyla birleştirilmiş hızlı tepki elemanı, elektrikli su ısıtıcısının her seferinde güvenilir şekilde kapanmasını sağlayan şeydir.

Elektrikli Su Isıtıcısı NTC Sıcaklık Sensörü Tedarikçisi Bu tedarikçi, elektrikli su ısıtıcılar için termal bağlantıya sahip ve aşırı ısınmayı önlemek için hızlı yanıt veren ve kaynatma sırasında güvenilir kapanma sağlayan NTC sensörleri sunmaktadır. Ürünü Görüntüle →

Bir pirinç pişirici aynı prensibi daha da ileri götürür. Sensör iç kabın altında bulunur ve kontrolör suyun ne zaman emildiğine karar vermek için sıcaklık artış hızını izler ve ardından sıcak tutmak için gücü keser. Bu klasik bir termistör uygulamasıdır: tutarlı bir pişirme sonucu elde etmek için birlikte çalışan düşük maliyetli bir sensör, basit bir bölücü ve iyi tanımlanmış bir eğri. Aynı yaklaşım soya sütü üreticilerinde, gıda işlemcilerinde ve elektrikli düdüklü tencerelerde de görülüyor.

Pirinç Pişirici NTC Sıcaklık Sensörü Üreticisi Bu üreticinin sensörleri pirinç pişiriciler için uygundur; su emilimini yönetmek ve sıcak tutma işlevini yönetmek için sıcaklık artışını izleyerek tutarlı pişirme sonuçlarını destekler. Ürünü Görüntüle →

Tedarik açısından bakıldığında pratik soru, termistörlerin sıcaklığı iyi ölçüp ölçmediği değil (öldürüyorlar), sağlanan sensörün doğru R-T eğrisiyle karakterize edilip edilmediği, gerçek ortam için paketlenip montajlanma ve günlük kullanıma dayanacak kablolarla teslim edilip edilmediğidir. Birini seçmek kablo demeti ve NTC sıcaklık sensörü üreticisi tüm bu unsurları bir arada kontrol eden sistem, ürünlerin sahaya ulaşmasından sonra ortaya çıkan uyumsuzluk problemlerinin önüne geçiyor.

Sonuç olarak

Bir termistör sıcaklığı ölçer çünkü direnci tekrarlanabilir, iyi anlaşılan bir eğriyi takip eder. Zincir kısadır: Bir voltaj bölücü direnci voltaja dönüştürür, bir ADC bu voltajı sayısallaştırır ve bir arama tablosu veya Steinhart-Hart denklemi onu sıcaklığa dönüştürür. Gerçek doğruluk, denklemlerin göstermediği ayrıntılardan gelir: kendiliğinden ısınma, B değeri eşleştirme, paketleme, yerleştirme ve sensörü kontrol cihazına bağlayan kablolar. Bu ayrıntıları doğru şekilde kullanırsanız, birim başına birkaç kuruşa mal olan bir bileşen, cihazı yıllarca günlük çalışma hedefinin bir veya iki derece yakınında tutar.