Hvordan en termistor brukes til å måle temperatur: Arbeid, kretser, applikasjoner

Når du setter inn en luftfrityrkoker og den slår seg av i akkurat rett øyeblikk, eller en riskoker faller ned for å holde varmen akkurat når kornet har absorbert nok vann, er det en liten komponent som gjør tanken for apparatet. Den komponenten er termistoren, en to-terminal motstand hvis motstand endres med temperaturen. Denne artikkelen forklarer hvordan en termistor brukes til å måle temperatur: det fysiske prinsippet som får den til å fungere, kretsen som leser motstanden, matematikken som konverterer den avlesningen til en temperatur, og de praktiske detaljene som avgjør om målingen holder seg nøyaktig over år med bruk.

En motstand som endres med temperaturen

Konklusjon først: en NTC-termistor måler temperaturen fordi motstanden faller på en kjent, repeterbar måte når temperaturen stiger. Den eneste egenskapen er det som gjør en passiv komponent til en sensor.

En termistor er laget av keramiske halvledermaterialer, vanligvis metalloksider, sintret til en liten perle, brikke eller skive. Det er to familier. Negativ temperaturkoeffisient (NTC) termistorer reduserer motstanden når temperaturen øker; positiv temperaturkoeffisient (PTC) termistorer øker motstanden og brukes oftere til overstrømsbeskyttelse eller selvregulerende varmeovner. For temperaturmåling dominerer NTC-typen.

Endringen er stor nok til å kunne leses uten forseggjort elektronikk. En typisk 10 kΩ NTC-termistor vurdert til 25°C måler ca. 33,6 kΩ ved 0°C og ca. 700 Ω ved 100°C - en svingning på nesten 50 til 1 over området der de fleste husholdningsapparater fungerer. An NTC temperatursensor trenger derfor bare en grunnleggende analog inngang på en mikrokontroller, mens et termoelement vil kreve forsterkning og kompensasjon for kalde overganger. Denne kombinasjonen av stort signal, lav pris og liten størrelse er grunnen til at termistorer vises i nesten alle temperaturkontrollerte apparater.

Hvordan en mikrokontroller leser termistoren

Konklusjon først: en mikrokontroller leser en termistor gjennom en spenningsdeler, fordi en analog-til-digital-omformer (ADC) måler spenning, ikke motstand.

Standardarrangementet kobler termistoren og en fast motstand i serie over forsyningsskinnen, med målenoden mellom dem. ADC måler nodespenningen, og motstanden beregnes ut fra den spenningen. Hvis termistoren er på den lave siden og den faste motstanden på den høye siden:

Vout = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rthermistor)

Når termistoren varmes opp og motstanden faller, faller mer av forsyningsspenningen over den faste motstanden, så Vout stiger. Når det avkjøles, faller Vout.

En praktisk målekjede har fire deler:

• En stabil forsyningsspenning, typisk 3,3 V eller 5 V
• En fast motstand med stram toleranse, helst 1 % eller bedre
• NTC-termistoren i en pakke tilpasset driftsmiljøet
• En ADC med nok oppløsning til å skille ut det minste temperaturtrinnet designet bryr seg om

En typisk 10 kΩ NTC-termistor med en B-verdi på 3950, paret med en 10 kΩ fast motstand og en 5 V-forsyning, produserer disse avlesningene:

Legg merke til den ujevne avstanden: mellom 0°C og 25°C endres effekten med 1,35 V, mens mellom 75°C og 100°C endres den med bare 0,32 V. Følsomheten er naturlig nok høyere ved lavere temperaturer. Designere aksepterer enten dette, omorganiserer skillelinjen for å bias følsomhet mot driftsvinduet, eller korrigerer den i fastvare fordi kurven er jevn og repeterbar.

Konvertering av motstand til en temperatur

Konklusjon først: Når motstanden er kjent, konverterer tre standardmetoder den til en temperatur: en oppslagstabell, B-parameterligningen eller Steinhart-Hart-ligningen. Valget er en avveining mellom enkelhet, minnebruk og nøyaktighet.

Oppslagstabell (R-T-tabell)

Produsenter publiserer en motstand-mot-temperatur-tabell for hver sensortype. Fastvaren lagrer den tabellen, finner de to oppføringene som parentes for gjeldende motstand og interpolerer lineært mellom dem. Dette er den raskeste metoden på en liten mikrokontroller og den vanligste i apparatkontrollkort. Haken er at tabellen må samsvare med sensorens B-verdi. Paring av en B = 3435-tabell med en B = 3950-sensor gir feil på flere grader i begge ender av området.

B-parameterligning

For et moderat temperaturspenn er motstanden som følger:

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

der T er i kelvin, R25 er motstanden ved 25°C og B er materialkonstanten, typisk mellom 3000 K og 5000 K for NTC-termistorer. Denne ligningen trenger bare to konstanter og er enkel å implementere. Den mister nøyaktigheten når spennvidden overstiger omtrent 50 °C, men innenfor et smalt vindu er det den raskeste måten å beregne temperatur uten tabell.

Steinhart-Hart ligning

For det bredeste området og den beste nøyaktigheten er Steinhart-Hart-ligningen standardvalget:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

De tre koeffisientene, A, B og C (ikke å forveksle med materialkonstanten ovenfor), er tilpasset sensorens målte kurve. Med gode koeffisienter holder denne ligningen innen noen få hundredeler av en grad over det nominelle spennet. En mikrokontroller evaluerer den noen ganger per sekund, så beregningskostnaden er ubetydelig.

Uansett hvilken metode som brukes, har selve sensoren toleranse. En standard NTC-termistor har en motstandstoleranse på ca. ±1 % ved 25°C og en B-verditoleranse på ±1%, som til sammen oversetter til omtrent ±0,5°C til ±1°C feil ved 100°C. Hvis designet trenger mer nøyaktighet, spesifiser en sensor av høyere kvalitet eller utfør en ettpunktskalibrering på produksjonslinjen.

Praktiske hensyn som avgjør reell nøyaktighet

Konklusjon først: Nøyaktigheten til en termistormåling bestemmes like mye av installasjons- og driftsforhold som av selve sensorelementet. I ekte apparater er det fire faktorer som forårsaker mesteparten av feilen.

Selvoppvarming. Forspenningsstrømmen varmer sensoren litt over det målte mediet, og skaper en vedvarende feil. Hold effekttap under omtrent 1 mW for en glassperlesensor. Som referanse sprer en 10 kΩ-sensor i en 10 kΩ-deler med 3,3 V-forsyning ca. 0,27 mW ved 25°C – trygt, men lett å overskride hvis forsyningsspenningen økes eller den faste motstanden gjøres mye større.

B-verdi matching. To sensorer med samme motstand ved 25°C, men forskjellige B-verdier leser det samme ved romtemperatur og divergerer gradvis bort fra den. Bekreft at B-verdien til produksjonssensoren samsvarer med karakteriseringen i fastvaren; mismatch er en vanlig grunnårsak til "bra ved 25°C, feil ved 90°C" oppførsel.

Pakking og responstid. Det nakne keramiske elementet reagerer på en brøkdel av et sekund, men innkapslingen bremser det. Epoksybelagte perler reagerer raskt og passer til tørr luft som beveger seg over et varmeelement; metall- eller silikonforseglede prober er tregere, men overlever vann, damp og rengjøringsmidler. Å velge en forseglet sonde for en våt påføring, eller en rask epoksyperle for en luftstrøm, betyr like mye som den elektriske spesifikasjonen.

Plassering. Termistoren måler sin egen lokale temperatur. Den skal sitte så nært som mulig til punktet som kontrolleres - varmeelementet, kokerommet eller væsken som varmes opp. Noen få millimeters separasjon, trekk fra en kjølevifte eller en tykk metallbrakett som senker varmen kan forskyve avlesningen med flere grader.

Et termistorsystem av apparatkvalitet, spesifisert og installert med disse fire faktorene i tankene, holder kalibreringen i årevis. Dette nivået av forutsigbarhet er det produsentene stoler på når de bygger en kontrollalgoritme rundt en lavkostkomponent.

Termistormåling i ekte husholdningsapparater

I produksjonsapparater fungerer termistoren aldri isolert. Den kobles til kontrollkortet gjennom et ledningsnett, og kontakten, ledningsledningene og isolasjonen er en del av målesystemet. En sensor med løse terminaler eller sprukket isolasjon gir intermitterende avlesninger som ingen kalibrering kan korrigere. Produsenter vurderer derfor sensoren, selen og kontakten som én enhet i stedet for som separate varedeler.

I en luftfrityrkoker overvåker NTC-sensoren kokerommet og rapporterer til kontrolleren, som slår på varmeren for å holde den innstilte temperaturen. Sensoren må reagere raskt og holde seg stabil over store temperatursvingninger; en langsom sensor forårsaker overskyting og ujevn bruning.

Air Fryer NTC temperatursensor fra Cixi Tengyu Raskrespons NTC-sensorer fra en kinesisk produsent støtter stabil temperaturkontroll i frityrkokere, og hjelper til med å unngå overskyting og ujevn bruning under tilberedningssykluser. Se produkt →

En vannkoker er en annen test. Sensoren monteres mot varmeplaten med en termisk tetning, og fastvaren overvåker en rask temperaturøkning. Hvis den termiske koblingen svekkes, kan kjelen fortsette å varme opp over kokepunktet før kontrolleren reagerer. Et hurtigresponselement kombinert med en pålitelig monteringsstruktur er det som gjør at en vannkoker slår seg av pålitelig hver gang.

Elektrisk vannkoker NTC temperatursensor leverandør Denne leverandøren tilbyr NTC-sensorer for vannkoker, med termisk kobling og rask respons for å forhindre overoppheting, noe som sikrer pålitelig avstenging under koking. Se produkt →

En riskoker tar det samme prinsippet videre. Sensoren sitter under den indre potten, og kontrolleren ser på temperaturstigningshastigheten for å bestemme når vannet har blitt absorbert, og slipper deretter kraften for å holde varmen. Det er en klassisk termistorapplikasjon: en rimelig sensor, en enkel skillelinje og en velkarakterisert kurve som jobber sammen for å gi et konsistent matlagingsresultat. Den samme tilnærmingen vises i soyamelkprodusenter, matprosessorer og elektriske trykkokere.

Riskoker NTC Temperatursensor Produsent Sensorer fra denne produsenten er egnet for riskokere, overvåker temperaturøkning for å styre vannabsorpsjon og holde-varm-funksjon, og støtter konsistente matlagingsresultater. Se produkt →

Fra et anskaffelsessynspunkt er ikke det praktiske spørsmålet om termistorer måler temperatur godt – det gjør de – men om den medfølgende sensoren er karakterisert med riktig R-T-kurve, pakket for det virkelige miljøet og levert med kabling som overlever montering og daglig bruk. Å velge en ledningsnett og NTC-temperatursensorprodusent som kontrollerer alle disse elementene sammen, unngår mismatchproblemene som dukker opp etter at produktene når feltet.

Bunnlinjen

En termistor måler temperatur fordi motstanden følger en repeterbar, godt forstått kurve. Kjeden er kort: en spenningsdeler konverterer motstand til spenning, en ADC digitaliserer den spenningen, og en oppslagstabell eller Steinhart-Hart-ligningen konverterer den til en temperatur. Virkelig nøyaktighet kommer fra detaljene som ligningene ikke viser - selvoppvarming, B-verdi-tilpasning, pakking, plassering og ledningene som kobler sensoren til kontrolleren. Håndter disse detaljene riktig, og en komponent som koster noen få cent per enhet holder et apparat innenfor en grad eller to av målet for mange års daglig drift.