Измерение температуры с помощью NTC
Измерение температуры с помощью NTCВведение
Резисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) или термисторы широко используются в качестве датчиков температуры и в качестве ограничителей пускового тока в разнообразие приложений. Их основная характеристика заключается в том, что их сопротивление изменяется в зависимости от температура: чем горячее, тем меньше сопротивление.
Как датчики температуры они имеют много преимуществ: они дешевы, они доступны во многих различных формах и размерах и в широком номинальном значения сопротивления (примерно от 1 Ом до 10 МОм). Что еще более важно, они представляют широкий диапазон своего сопротивления в качестве функция температуры, позволяющая использовать простые схемы термометров и термостатов без необходимости сложных усилителей.
Несколько разных моделей NTC: некоторые имеют цветовую маркировку с
р 25 , некоторые из них чрезвычайно малы, чтобы минимизировать тепловую массу и
некоторые другие предназначены для легкой установки на радиатор.
С другой стороны, их характеристики нелинейны, что делает прямое считывание температуры сложная задача с аналоговой электроникой, но эта проблема легко решить с помощью современного микроконтроллера. Температурный диапазон у них как-то ограничен «обычными» температурами и зависит от конкретной модели, но, как правило, они нормально работают от −50 до +150 °C. Высокая точность обычно не достигается с помощью NTC, даже если есть некоторые исключения. существовать.
Удельное сопротивление подавляющего большинства электрических проводников (металлов) обычно увеличивается с температурой, т.е. они имеют положительную температуру коэффициент (ПТК). Но это изменение удельного сопротивления довольно мало: например, удельное сопротивление температурный коэффициент меди всего 0,0039 К -1
при 20 °С. Конечно, это явление может быть (и используется) для измерения температуры. но задействованные небольшие сигналы усложняют схему.
Крупный план стекла типа NTC, где настоящий «чип» может
быть увиденным. (нажмите, чтобы увеличить).
Полупроводники, с другой стороны, являются исключением: их удельное сопротивление вниз по мере повышения температуры, и изменение намного выше. Например, температурный коэффициент нелегированного кремния равен -0,075 К -1 при 20 °С. Даже если кремний используется в качестве датчика температуры, NTC обычно конструируются с оксидами металлов, сформированными и спеченными вместе, и имеют еще более высокую температурные коэффициенты. Обычными материалами являются оксиды железа, никеля, кобальта, марганца и меди. Это позволяет использовать простые и очень чувствительные датчики температуры, обеспечивающие очень большие сигналы.
Изображение крошечного NTC, используемого здесь в качестве примера для расчетов.
R 25 = 6,8 кОм и
β = 4200 К (нажмите, чтобы увеличить).
Недостатком является то, что их сопротивление не является линейной функцией
температуры, как видно на двух графиках ниже (которые относятся к NTC
указано R 25 = 6,8 кОм и
β = 4200 К).
Даже путем ограничения диапазона температур (скажем, от 0 до 50 °C),
функция вряд ли может быть аппроксимирована линией.
Как объяснялось ранее, в NTC сопротивление уменьшается с ростом температуры.
увеличивается.
Изменение сопротивления в зависимости от температуры, обе оси
являются линейными.
На изображении справа показан масштаб в диапазоне от 0 до
50 °С.
Сопротивление фактически изменяется как экспоненциальная величина, обратная абсолютная температура. Как и ожидалось, нанеся сопротивление в логарифмическом масштабе и обратная абсолютной температуре (1/T), функция становится прямой линия.
Изменение сопротивления в зависимости от температуры при
логарифмическая ось сопротивления.
Изображение слева имеет ось нормальной температуры, а изображение на
справа вместо этого показана обратная величина абсолютной температуры (1/T): здесь
функция становится прямой.
Температурные характеристики NTC определяются двумя основными
параметры: номинальное сопротивление отмечено R 25 , что является
их стойкость при стандартной температуре 25 °C
(T 25 = 25 °C = 298,15 K) и
их константа β (бета), которая каким-то образом представляет
«температурный коэффициент» или «чувствительность».
Обычные NTC имеют значения β в диапазоне от 3000 до 5000 К.
С этими параметрами сопротивление (или температура) может быть рассчитывается следующим образом:
В этих уравнениях используется абсолютная температура в Кельвинах (K), если вы используете другого масштаба, вы должны сначала преобразовать его.
Это «простая» теоретическая модель, допускающая точность около ±1 % после хорошей калибровки. Если требуется более высокая точность, ее можно получить, ограничив диапазоне температур, используя прецизионный (и дорогой) NTC и более сложная математическая модель. Однако, даже с лучшими технологиями, не ожидайте ничего лучшего. чем ±0,1 % от NTC.
Следующий калькулятор использует приведенные выше уравнения для расчета сопротивления
или температура известного NTC.
Просто введите известную температуру или сопротивление и нажмите соответствующую кнопку.
кнопка «рассчитать».
Для работы необходимо указать два характерных параметра
NTC: R 25 и β.
Если параметры NTC неизвестны, их можно определить с помощью два однократных измерения (см. ниже).
С современными микроконтроллерами легко запрограммировать эти уравнения и получить прямые показания в °C (или выбранной вами единице измерения температуры) без необходимость сложных аналоговых схем линеаризации.
Однако есть несколько недостатков, о которых следует упомянуть: во-первых, работа диапазон температур ограничен примерно от -50 до +150 °C в зависимости от на конкретной модели NTC. Тогда из-за логарифмического изменения сопротивления, чем шире диапазон температур, принятый схемой, тем ниже точность.
Кроме того, NTC обычно не калибруются на заводе: R 25 и β варьируются от одного NTC к другому и в какой-то степени регулировка цепи или калибровка всегда требуется для абсолютных и точных показаний температуры.
При использовании NTC в качестве датчика температуры также следует соблюдать осторожность, чтобы не
работает с большим током, так как ток будет нагревать NTC и
внести погрешность измерения.
По этой причине NTC с высоким значением (10 кОм или более) лучше подходят для
термометры.
По возможности постарайтесь использовать минимально возможный ток, менее 1 мА.
Чтобы определить, нагревается ли NTC сам по себе (низкая точность)
приложений, попробуйте дунуть на него воздухом и посмотреть, нет ли
разброс показаний.
Конечно, нельзя дуть ртом, так как воздух, которым вы дышите,
обычно горячее, чем окружающий воздух: просто направьте немного воздуха на NTC с
кусок картона.
Никаких отклонений быть не должно: если измеренная температура уменьшится на это
дополнительное охлаждение, вы можете уменьшить ток в вашем NTC.
Предположим, у вас в руках NTC и вы хотите узнать, что является основным характеристики R 25 и β есть. Иногда на компоненте указывается номинальное сопротивление R 25 . сам, но я никогда не видел и NTC с напечатанным на нем β.
Есть много причин, по которым вы можете захотеть это сделать: возможно, если вы
домашний пивовар, у вас есть мусорная коробка, полная деталей, и вы ищете
подходящий НТК.
Может быть, вы ремонтируете какое-то устройство и вам нужна информация о NTC, но
у вас нет сервис мануала.
Или, что более вероятно, вы просто калибруете термометр и вам нужны точные
значения для R 25 и β.
Очень часто точные параметры NTC неизвестны.
К счастью, и R 25 , и β любого NTC можно легко
определяется путем измерения сопротивления на двух разных
температуры, которые я буду называть T
Следующий калькулятор рассчитает за вас: просто введите два температуры, соответствующие измеренные сопротивления и попали в кнопка «рассчитать». Пожалуйста, помните, что более низкая температура соответствует более высокой сопротивление.
| Т 1 = | °С | Ч 1 = | Ом | |||
| Т 2 = | °С | Ч 2 = | Ом | |||
| Р 25 = | Ом | β = | К | |||
Измерение сопротивления NTC может быть сложной задачей.
Вам понадобится мультиметр и эталонный термометр, т.е. термометр, который вы
доверять.
Важно убедиться, что они оба показывают одну и ту же температуру: поэтому поставьте
тестируемый NTC и датчик вашего термометра находятся очень близко друг к другу.
Я обычно помещаю каплю термопасты между ними, чтобы улучшить тепловое сопротивление.
проводимость.
Тот же термопаста, которая используется для монтажа силовых компонентов на радиаторы, работает.
хорошо.
Чтобы получить точные значения, используйте две температуры, максимально отличающиеся друг от друга.
(или как это имеет смысл в вашем приложении).
Производители обычно выбирают 25 и 85 °C или 25 и 100 °C.
в качестве стандартной температуры и указать β 25/85 или
β 25/100 , чтобы узнать, какие температуры использовались, но вы
можно использовать любую температуру, фактическое значение β должно быть
примерно так же.
Возможно, для одного измерения можно обойтись только температурой окружающей среды.
NTC в делителе напряжения
Мы знаем, что NTC меняет свое сопротивление в зависимости от температуры.
но сопротивление не самый простой параметр для измерения.
Во многих приложениях мы хотим подавать сигнал в
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для численной обработки и вычисления
фактическая температура.
Теперь подавляющему большинству АЦП требуется напряжение на входе.
Чего мы хотим избежать, так это создания сложных аналоговых схем для формирования или линеаризовать сигнал. Мы уже видели, что сопротивление как функция температуры R(T) NTC — сложная функция, требующая математических вычислений. так что не стоит строить схему для линейного преобразования его сопротивления в напряжение.
Самое простое решение (а также то, которое я предпочитаю) — установить NTC в
делитель напряжения, как показано на схеме ниже.
Требуется только один дополнительный постоянный резистор R F и доп.
дополнительный конденсатор С.
U REF — опорное напряжение, используемое АЦП: иногда
обеспечивается самим АЦП, иногда внешним регулятором напряжения и
иногда это может быть просто положительная шина питания V DD микроконтроллер или АЦП.
Здесь мы предполагаем, что существует некоторая схема, обеспечивающая стабильное опорное значение
напряжение U REF как на делитель напряжения, так и на АЦП.
Типичное подключение NTC в делителе напряжения для управления АЦП
микроконтроллер.
Дополнительный фильтрующий конденсатор является хорошей идеей для снижения шума.
Лично я предпочитаю, чтобы один вывод NTC был соединен с землей, но это также возможно «отзеркалить» схему и подключить NTC к U REF . Для простоты все соображения на этой странице относятся к NTC. к земле.
Хорошей практикой является добавление конденсатора к земле, чтобы отфильтровать шум.
подхватывается проводами, соединяющими NTC.
Колебания температуры обычно имеют большую постоянную времени (секунды, если не
минут), поэтому можно использовать довольно большой конденсатор.
Если вы ленивы, как я, просто выберите один из нескольких мкФ и посмотрите, что произойдет…
в противном случае сделайте математику и рассчитайте постоянную времени RC и убедитесь, что она
настолько большим, насколько вы можете, но намного меньше, чем температура, которую вы
готов померить.
Мы уже рассмотрели уравнение, которое позволяет расчет температуры, соответствующей заданному сопротивлению вашего NTC, но все, что ваш АЦП скажет вам, это напряжение на его входной клемме. Для определения этого сопротивления нужно еще уравнение напряжения делитель, который выглядит следующим образом:
Или, выражаясь наоборот:
Предполагается, что входное сопротивление вашего АЦП бесконечно, но это неплохое предположение, так как современные АЦП действительно имеют очень высокий вход импеданс.
Опять же, это уравнение не является линейным и еще больше искажает кривую отклика
вашего датчика температуры, но если вы нанесете его на график (см. ниже), мы получим
довольно приятный сюрприз: кривая стала более «симметричной» и
прямо в среднем диапазоне температур, избегая слишком малых или слишком
большие значения, как мы имели дело непосредственно с сопротивлением.
Если мы посмотрим только на диапазон от 0 до 50 °C в этом примере, мы увидим, что
ответ довольно прямой: тщательным подбором постоянного резистора
р F мы можем добиться удивительно точного результата, просто
аппроксимируя его прямой линией.
На рисунке ниже (правый график) ошибка находится в пределах ±2 %
от 0 до 50 °C с «обычными» 6,8 кОм
4200 K NTC и R F 4,7 кОм.
Пунктирная линия — это просто прямая линия, показывающая, насколько точно это приближение
возможно.
Если ваше приложение может выдержать такое приближение и ограниченную температуру
диапазон, вам не нужно выполнять сложные математические операции; просто возьмите два очка и
интерполировать прямой линией.
Если нет, используйте уравнения делителя напряжения и NTC для расчета
Т.
Изменение напряжения АЦП в зависимости от температуры.
Обратите внимание, насколько прямой выглядит кривая в диапазоне пониженных температур.
от 0 до 50 °C, где погрешность может быть ниже 2 %.
Пунктирная линия — прямая.
В любом случае, выбор R F требует некоторого размышления.
Выбор R F , равный R 25 , является хорошей отправной точкой: это
делает выход делителя ровно половиной опорного напряжения при
25 °С.
Наилучшая точность будет около этой температуры, потому что наклон кривой
кривая является самой крутой и ухудшается при повышении и понижении температуры
где склон становится более пологим.
Если вас интересуют низкие температуры, выберите R 9 большего размера.0015 Ф ;
и наоборот, меньший R F сместит точность в сторону более горячего
температуры.
На рисунке ниже показано влияние R F на напряжение
Ответ делителя.
Если вы планируете аппроксимировать прямой линией, вам, возможно, придется поиграть
немного со значением R F , чтобы найти наилучшее соответствие с
термистор, который у вас есть, и диапазон температур, которого вы хотите достичь.
Влияние R F на напряжение в зависимости от
температура с нашим примером NTC.
Средняя (черная) кривая соответствует
R F = R 25 = 6,8 кОм.
Следующий калькулятор сделает за вас математику, но я использую его просто как
инструмент «перепроверить», потому что я думаю, что гораздо удобнее
используйте электронную таблицу с теми же уравнениями и постройте весь ответ.
Тем не менее, в качестве окончательной проверки, я хотел бы измерить напряжение на входном контакте АЦП.
и посчитайте температуру с помощью этого калькулятора, чтобы убедиться, что я ничего не натворил.
глупая ошибка.
Чтобы использовать его, сначала вам нужно ввести параметры NTC, который вы используете. (R 25 и β) и делителя напряжения (U исх. и R F ). Затем вы вводите либо напряжение АЦП (U ADC ), либо температуры (T) и нажав соответствующую кнопку «вычислить» Кнопка вычислит отсутствующую температуру или напряжение. Он также предоставит три дополнительных значения: фактическое сопротивление NTC при эта температура (R NTC ), ток в NTC (I NTC ) и мощность, рассеиваемая в NTC (P NTC ).
В качестве уловки, если вы хотите знать, какое значение будет выдавать ваш АЦП при заданном
температуры, вы можете указать максимальное значение ADC как U REF вместо
реального напряжения, а U ADC будет напрямую представлять значение АЦП.
Например, если у вас есть 12-разрядный АЦП, производящий значения от 0 до 4095,
указание У REF как 4095 В (!), U ADC будет читать
непосредственно как значение АЦП.
Это, конечно, не настоящие Вольты: I NTC и P NTC в этом случае не имеет смысла, но это удобный трюк для отладки вашего термометра.
Если вы реализуете NTC в цепи, вы, вероятно, захотите узнать температура в °C или в эквивалентной единице; имеет только физическую ценность то есть «как-то» связанного с температурой обычно недостаточно. Мы уже знаем, что NTC дешевы, но не очень точны. Тем не менее, они широко используются для получения «честных» термометров, с помогите с калибровкой.
С уравнениями, представленными на этой странице, и обычным NTC (т.е. не высоким
точность и дороговизна), можно ожидать в лучшем случае ±1 % сверх
весь диапазон температур.
Но НТК производятся с довольно большим разбросом по своим характеристикам.
значения R 25 и β: не ждите NTC, который у вас в руках
точно соответствовать значениям, указанным производителем.
Так что, даже если вы знаете, какой у вас NTC, вам все равно нужно его измерить.
параметры, как объяснялось ранее, если вы хотите
точный прибор.
Обычно это все, что требуется для хорошей калибровки: определение точного
р 25 и β при двух разных температурах и использовать эти значения
для расчета температуры.
Затем, когда ваш термометр будет готов, вы также можете сравнить его показания с некоторой ссылкой, чтобы убедиться, что это достаточно точно. Если нет, возможно, вам потребуется точно настроить параметры или убедиться, что вы не работает слишком много тока в вашем NTC.
Теперь вручную подкорректировав значения R 25 и β в вашем
алгоритм не прост, потому что оба влияют на температуру, которую вы
В настоящее время читаю.
Таким образом, настройка этих значений вручную в надежде исправить точность затруднительна.
и занимает много времени, так как требует повторных измерений на разных
температуры.
Что я обычно делаю, так это выбираю две точки (две температуры), близкие к
границы диапазона температур, которые я хочу измерить и точно измеряю
сопротивление НТЦ.
Они не обязательно должны быть абсолютными пределами диапазона, но должны быть как можно дальше друг от друга.
возможный.
Затем я использую процедуру определения этих параметров
описано ранее, и я использую результаты как
параметры.
Если меня не устраивает моя точность, я просто делаю два измерения.
опять же, поскольку точное измерение температуры сложнее, чем кажется.
NTC для ограничения пускового тока
NTC с малыми значениями обычно не используются в качестве датчиков температуры, но они
очень хорошие и простые ограничители пускового тока.
Например, импульсные источники питания (SMPS) часто имеют большие конденсаторы.
подключены к сети только с помощью выпрямительного моста: когда они сначала
включен, конденсаторы полностью разряжены и на мгновение ведут себя почти
как короткое замыкание; достаточно, чтобы сработал автоматический выключатель.
Асинхронные двигатели в бытовой технике могут потребовать большого пускового тока.
при холостом ходе ротора; затем ток уменьшается по мере увеличения скорости двигателя.
Добавляя подходящий NTC непосредственно последовательно с линией электропитания,
этот пусковой ток может быть значительно уменьшен.
Когда цепь включается последовательно с NTC, NTC первоначально
холодный («холодный» на самом деле имеет комнатную температуру для этого приложения,
около 25 °C).
NTC выбирается таким образом, чтобы в холодном состоянии сопротивление составляло несколько Ом, поэтому
ограничение пускового тока до безопасного значения и предотвращение, например,
предохранитель от перегорания.
Как только начинает течь ток, NTC нагревается и его сопротивление
падает в диапазоне мОм, пропуская основной ток в основном
безмятежный.
Ожидайте, что NTC рассеет несколько ватт: он станет достаточно горячим, чтобы
обжечь пальцы.
Его следует размещать вдали от чувствительных или прецизионных компонентов.
Ограничители пускового тока NTC трех разных размеров.
Морозостойкость указана прямо на корпусе.
(нажмите, чтобы увеличить).
Разработка ограничителя пускового тока является отдельной темой и требует подходящих NTC.
которые рассчитаны на желаемый ток и рассеиваемую мощность.
Я видел NTC с номинальным током до 20 А и холодостойкостью примерно в диапазоне
от 1 до 100 Ом.
Холодостойкость просто R 25 , но в этом приложении больше
часто называют холодостойкостью ; при измерении температуры термин номинальное сопротивление или R 25 часто предпочтительнее, но это
то же самое.
Основная идея заключается в том, что это морозостойкость добавляется к нагрузке при
запуск должен ограничивать ток до безопасного значения, в то время как максимальный ток
номинал NTC должен превышать максимальный ток нагрузки.
Для этого приложения β менее важен, и другие параметры должны
следует рассматривать, как максимальный ток, максимальное напряжение или максимальное
тепловыделение, которое не играет существенной роли в термометре
приложение.
Необходимо также учитывать тепловые соображения, но при проектировании
ограничитель пускового тока выходит за рамки этой страницы.
Заключение
Датчики температуры NTC дешевы и их легко найти, но они нелинейны и
требуется немного математики, некоторые хитрости и некоторые компромиссы, чтобы определить фактическое
температура.
Некоторые из этих аспектов описаны на этой странице.
Однако она не предназначена для замены хорошей книги по электронике или подробного
заметки по применению производителей NTC; это больше, чтобы поделиться некоторыми мыслями и
дайте примерное представление о том, как я это делаю.
Калькуляторы, доступные на этой странице, могут помочь в определении того, какой NTC будет
соответствуют вашему приложению или основным параметрам тех, которые у вас есть в наличии.
Также объясняются уравнения достаточно точной математической модели, поэтому
что вы можете легко реализовать их в электронной таблице и иметь еще лучший
калькулятор для вашего приложения.
NTC также можно использовать в качестве ограничителя пускового тока, но это совершенно
другая тема, которая выходит за рамки этой страницы.
Библиография и дополнительная литература
| [1] | Панасоник. Термистор NTC. Примечание по применению, 2004 г. |
термистор — резистор NTC для выравнивания изменения температуры окружающей среды на прецизионной лампе с регулируемым током
Я использую схему управления постоянным током для управления током через галогенную лампу, которая обычно составляет 800-900 мА
Резистор MPN: PCS2512DR1000ET
ЦАП: MCP4725
имитация этой схемы – Схема создана с помощью CircuitLab
Сама схема работает так, как я ожидал это к. Проблема, с которой я сталкиваюсь, связана с повышением или понижением температуры окружающей среды, что снижает ток, проходящий через лампу.
Я пробовал нагревать феном только электронику или только лампу, результат тот же. Повышение температуры электроники только увеличивает ток на лампе, а повышение температуры на лампе только снижает яркость лампы (в конечном итоге ее производительность). Увеличение/уменьшение тока находится в пределах мА (2-3 мА) и 5 мА макс, но этого достаточно, чтобы вызвать некоторые затруднения в наших измерениях.
Поскольку мы производим прецизионные устройства, калибруемые по яркости/интенсивности галогенной лампы, мы хотим, чтобы ток оставался как можно более стабильным при колебаниях температуры окружающей среды.
Мы стараемся поддерживать постоянную температуру окружающей среды для измерений, но некоторые измерения могут занять более 1 дня, и желательно, чтобы мы не оставляли кондиционер включенным все время. Поэтому я пытаюсь найти способ компенсировать изменения температуры окружающей среды.
Я придумал только один практический способ сделать это. Он заключается в добавлении резистора NTC последовательно с галогенной лампой:
имитация этой схемы
Я еще не тестировал схему с резистором NTC, но я это сделаю в ближайшие недели.
Я мог бы также попытаться использовать резистор NTC или PTC 100 мОм вместо R1 и посмотреть, как поведет себя схема, но в целом идея состоит в том, чтобы поиграть с резисторами NTC.
Физическая схема:
Белая линия обозначает сильноточный поток. Черный/красный провода слева идут на резистор от мультиметра для измерения падения напряжения в моих тестах. На картинке у меня нет радиатора, припаянного к МОП-транзисторам. (Это два параллельных МОП-транзистора)
Нижний слой представляет собой залитый медью слой заземления
Я знаю, что нет способа решить эту проблему на 100%, поэтому я пытаюсь предложить идеи по снижению влияния температуры окружающей среды на эту систему.
Я придумал другие способы решения этой проблемы:
Измерьте температуру окружающей среды и отрегулируйте напряжение ЦАП (также измените потребляемый ток в зависимости от температуры окружающей среды). Это сложно, так как ЦАПы имеют квантовое масштабирование, как тот, который я использую, составляет 1024 шага, и каждый шаг составляет 17 мА, что много, учитывая, что разница в 4-5 мА из-за окружающей среды уже вызывает у нас проблемы.
Но я мог бы попробовать сделать систему, которая может контролировать ток в диапазоне 1-2 мА, это было бы полезно.Используйте компоненты с низким содержанием ppm/oC. Это самое очевидное. На самом деле я настроил свой паяльник на 200°C и прикасался к разным компонентам, оказывается, ЦАП и полевые МОП-транзисторы — это те, которые, когда горячее, больше способствовали изменению тока. (Все же речь идет о 2-3мА перепадах, но для наших измерений это важно)
Используйте радиаторы и принудительную подачу воздуха для охлаждения компонентов. Это помогает летом, но зимой, когда мы используем кондиционер, и ночью, когда кондиционер выключен, мы видим разницу.
Я также думаю о разделении цепи управления (операционный усилитель и ЦАП) с «сильноточной» стороной (галогенная лампа, полевой МОП-транзистор и резистор). Потому что напряжение GND рядом с сильноточной электроникой мешает точности ЦАП и опорному напряжению операционного усилителя.
Но я мог бы попробовать сделать систему, которая может контролировать ток в диапазоне 1-2 мА, это было бы полезно.