วิธีการใช้เทอร์มิสเตอร์ในการวัดอุณหภูมิ: การทำงาน วงจร การใช้งาน

เมื่อคุณตั้งหม้อทอดลมแล้วปิดเครื่องในช่วงเวลาที่เหมาะสม หรือหม้อหุงข้าวลดลงเพื่อให้อุ่นพอดีเมื่อเมล็ดข้าวดูดซับน้ำได้เพียงพอ ส่วนประกอบเล็กๆ ก็กำลังคิดหาเครื่องนี้ ส่วนประกอบนั้นคือเทอร์มิสเตอร์ ซึ่งเป็นตัวต้านทานแบบสองขั้วซึ่งความต้านทานเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ บทความนี้จะอธิบายวิธีการใช้เทอร์มิสเตอร์ในการวัดอุณหภูมิ ได้แก่ หลักการทางกายภาพที่ทำให้อุณหภูมิทำงานได้ วงจรที่อ่านค่าความต้านทาน คณิตศาสตร์ที่แปลงค่าที่อ่านได้เป็นอุณหภูมิ และรายละเอียดเชิงปฏิบัติที่ตัดสินว่าการวัดจะมีความแม่นยำตลอดการใช้งานหลายปีหรือไม่

ความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

สรุปก่อน: เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ NTC จะวัดอุณหภูมิเนื่องจากความต้านทานลดลงในลักษณะที่ทราบและสามารถทำซ้ำได้เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น คุณสมบัติเดียวนั้นคือสิ่งที่เปลี่ยนส่วนประกอบแบบพาสซีฟให้เป็นเซ็นเซอร์

เทอร์มิสเตอร์ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เซรามิก ซึ่งมักจะเป็นโลหะออกไซด์ เผาเป็นเม็ดบีด ชิป หรือแผ่นดิสก์ขนาดเล็ก มีสองครอบครัว เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (NTC) จะลดความต้านทานเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) ช่วยเพิ่มความต้านทานและมักใช้สำหรับการป้องกันกระแสไฟเกินหรือเครื่องทำความร้อนแบบควบคุมตัวเอง สำหรับการวัดอุณหภูมิ จะใช้ประเภท NTC เป็นหลัก

การเปลี่ยนแปลงมีขนาดใหญ่พอที่จะอ่านได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน เทอร์มิสเตอร์ NTC ทั่วไปขนาด 10 kΩ พิกัดที่ 25°ซ วัดประมาณ 33.6 กิโลโอห์ม ที่ 0°ซ และประมาณ 700 Ω ที่ 100°ซ - การแกว่งเกือบ 50 ต่อ 1 ตลอดช่วงที่เครื่องใช้ในครัวเรือนส่วนใหญ่ทำงาน อ เซ็นเซอร์อุณหภูมิกทช ดังนั้นจึงต้องการเพียงอินพุตอะนาล็อกพื้นฐานบนไมโครคอนโทรลเลอร์ ในขณะที่เทอร์โมคัปเปิ้ลจะต้องมีการขยายสัญญาณและการชดเชยจุดเชื่อมต่อเย็น การรวมกันของสัญญาณขนาดใหญ่ ต้นทุนต่ำ และขนาดที่เล็ก ทำให้เทอร์มิสเตอร์ปรากฏในอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิเกือบทุกตัว

ไมโครคอนโทรลเลอร์อ่านเทอร์มิสเตอร์อย่างไร

สรุปก่อน: ไมโครคอนโทรลเลอร์จะอ่านเทอร์มิสเตอร์ผ่านตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) จะวัดแรงดันไฟฟ้า ไม่ใช่ความต้านทาน

การจัดเรียงมาตรฐานจะเชื่อมต่อเทอร์มิสเตอร์และตัวต้านทานคงที่แบบอนุกรมข้ามรางจ่ายไฟ โดยมีโหนดการวัดอยู่ระหว่างกัน ADC วัดแรงดันไฟฟ้าของโหนด และความต้านทานจะคำนวณจากแรงดันไฟฟ้านั้น หากเทอร์มิสเตอร์อยู่ที่ด้านต่ำและตัวต้านทานคงที่อยู่ที่ด้านสูง:

โว้ต = Vcc × Rfixed / (เทอร์มิสเตอร์ Rfixed)

เมื่อเทอร์มิสเตอร์อุ่นขึ้นและความต้านทานลดลง แรงดันไฟจ่ายจะลดลงทั่วตัวต้านทานคงที่ ดังนั้น Vout จึงเพิ่มขึ้น เมื่อเย็นลง Vout ก็ตกลงไป

ห่วงโซ่การวัดที่ใช้งานได้จริงมีสี่ส่วน:

• แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายคงที่ โดยทั่วไปคือ 3.3 V หรือ 5 V
• ตัวต้านทานแบบคงที่ที่มีพิกัดความเผื่อต่ำ ควรอยู่ที่ 1% หรือดีกว่า
• เทอร์มิสเตอร์ NTC ในแพ็คเกจที่เหมาะกับสภาพแวดล้อมการทำงาน
• ADC ที่มีความละเอียดเพียงพอที่จะแยกแยะขั้นตอนอุณหภูมิที่เล็กที่สุดที่การออกแบบใส่ใจ

เทอร์มิสเตอร์ NTC ทั่วไปขนาด 10 kΩ ที่มีค่า B เท่ากับ 3950 จับคู่กับตัวต้านทานคงที่ 10 kΩ และแหล่งจ่ายไฟ 5 V จะให้ค่าที่อ่านได้ดังนี้

โปรดสังเกตระยะห่างที่ไม่สม่ำเสมอ: ระหว่าง 0°C ถึง 25°C เอาต์พุตจะเปลี่ยน 1.35 V ในขณะที่ระหว่าง 75°C ถึง 100°C จะเปลี่ยนเพียง 0.32 V ความไวจะสูงขึ้นตามธรรมชาติที่อุณหภูมิต่ำกว่า นักออกแบบยอมรับสิ่งนี้ จัดเรียงตัวแบ่งใหม่ตามความไวของอคติต่อหน้าต่างการทำงาน หรือแก้ไขในเฟิร์มแวร์เนื่องจากเส้นโค้งเรียบและสามารถทำซ้ำได้

การแปลงความต้านทานเป็นอุณหภูมิ

สรุปก่อน: เมื่อทราบค่าความต้านทานแล้ว วิธีมาตรฐาน 3 วิธีจะแปลงค่าความต้านทานให้เป็นอุณหภูมิ ได้แก่ ตารางค้นหา สมการพารามิเตอร์ B หรือสมการสไตน์ฮาร์ต-ฮาร์ต ทางเลือกคือการแลกเปลี่ยนระหว่างความเรียบง่าย การใช้หน่วยความจำ และความแม่นยำ

ตารางตรวจสอบ (ตาราง R-T)

ผู้ผลิตเผยแพร่ตารางความต้านทานและอุณหภูมิสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละประเภท เฟิร์มแวร์จะจัดเก็บตารางนั้น ค้นหาสองรายการที่อยู่ในวงเล็บแนวต้านปัจจุบัน และประมาณค่าระหว่างรายการเหล่านั้นเป็นเส้นตรง นี่เป็นวิธีที่เร็วที่สุดในไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กและเป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในบอร์ดควบคุมอุปกรณ์ สิ่งที่จับได้ก็คือตารางจะต้องตรงกับค่า B ของเซ็นเซอร์ การจับคู่ตาราง B = 3435 กับเซ็นเซอร์ B = 3950 ทำให้เกิดข้อผิดพลาดหลายองศาที่ปลายทั้งสองของช่วง

สมการพารามิเตอร์ B

สำหรับช่วงอุณหภูมิปานกลาง ความต้านทานจะเป็นดังนี้:

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

โดยที่ T อยู่ในหน่วยเคลวิน R25 คือความต้านทานที่ 25°C และ B คือค่าคงที่ของวัสดุ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 3000 K ถึง 5000 K สำหรับเทอร์มิสเตอร์ NTC สมการนี้ต้องการค่าคงที่เพียง 2 ค่าและนำไปใช้ได้ง่าย มันจะสูญเสียความแม่นยำเมื่อช่วงเกินประมาณ 50°C แต่ภายในหน้าต่างแคบ วิธีนี้จะเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการประมาณอุณหภูมิโดยไม่ต้องใช้ตาราง

สมการสไตน์ฮาร์ต-ฮาร์ต

เพื่อให้ได้ช่วงที่กว้างที่สุดและแม่นยำที่สุด สมการสไตน์ฮาร์ต-ฮาร์ตคือตัวเลือกมาตรฐาน:

1/T = AB × ln(R) C × (ln R)^3

ค่าสัมประสิทธิ์สามค่า A, B และ C (อย่าสับสนกับค่าคงที่ของวัสดุด้านบน) จะพอดีกับเส้นโค้งที่วัดได้ของเซนเซอร์ ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ที่ดี สมการนี้จะคงอยู่ภายในช่วงไม่กี่ร้อยขององศาตลอดช่วงพิกัด ไมโครคอนโทรลเลอร์จะประเมินค่าดังกล่าวสองสามครั้งต่อวินาที ดังนั้นค่าใช้จ่ายในการคำนวณจึงน้อยมาก

ไม่ว่าจะใช้วิธีใดก็ตาม ตัวเซนเซอร์เองก็จะมีความทนทาน เทอร์มิสเตอร์ NTC มาตรฐานมีความทนทานต่อความต้านทานประมาณ ±1% ที่ 25°C และค่า B-value ที่ยอมรับได้ ±1% ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วแปลเป็นประมาณ ±0.5°C ถึง ±1°C ของข้อผิดพลาดที่ 100°C หากการออกแบบต้องการความแม่นยำที่เข้มงวดยิ่งขึ้น ให้ระบุเซ็นเซอร์เกรดที่สูงกว่าหรือทำการสอบเทียบแบบจุดเดียวในสายการผลิต

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติที่ตัดสินความแม่นยำที่แท้จริง

สรุปก่อน: ความแม่นยำของการวัดเทอร์มิสเตอร์จะขึ้นอยู่กับการติดตั้งและสภาวะการทำงานพอๆ กับองค์ประกอบของเซนเซอร์เอง ในอุปกรณ์จริง ปัจจัยสี่ประการที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดส่วนใหญ่

ทำความร้อนได้เอง กระแสไบแอสจะทำให้เซ็นเซอร์อุ่นขึ้นเหนือตัวกลางที่วัดได้เล็กน้อย ทำให้เกิดข้อผิดพลาดอย่างต่อเนื่อง รักษาการกระจายพลังงานให้ต่ำกว่าประมาณ 1 mW สำหรับเซ็นเซอร์ลูกแก้ว ตามข้อมูลอ้างอิง เซ็นเซอร์ 10 kΩ ในตัวแบ่ง 10 kΩ ที่มีแหล่งจ่ายไฟ 3.3 V จะกระจายประมาณ 0.27 mW ที่ 25°C ซึ่งปลอดภัย แต่จะเกินได้ง่ายหากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟเพิ่มขึ้นหรือตัวต้านทานคงที่ถูกทำให้มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก

การจับคู่ค่า B เซ็นเซอร์สองตัวที่มีความต้านทานเท่ากันที่ 25°C แต่ค่า B ต่างกันจะอ่านค่าเท่ากันที่อุณหภูมิห้องและเบี่ยงเบนไปจากเซ็นเซอร์ทีละน้อย ยืนยันว่าค่า B ของเซ็นเซอร์การผลิตตรงกับลักษณะเฉพาะในเฟิร์มแวร์ ความไม่ตรงกันเป็นสาเหตุหลักของพฤติกรรม "ดีที่ 25°C ผิดที่ 90°C"

การบรรจุและเวลาตอบสนอง องค์ประกอบเซรามิกเปลือยตอบสนองภายในเสี้ยววินาที แต่การห่อหุ้มกลับทำให้ช้าลง เม็ดบีดเคลือบอีพ็อกซี่ตอบสนองอย่างรวดเร็วและเหมาะกับอากาศแห้งที่เคลื่อนที่ผ่านองค์ประกอบความร้อน หัววัดที่ปิดผนึกด้วยโลหะหรือซิลิโคนจะทำงานได้ช้ากว่าแต่สามารถทนต่อน้ำ ไอน้ำ และสารทำความสะอาดได้ การเลือกโพรบแบบปิดผนึกสำหรับการใช้งานที่เปียก หรืออีพอกซีบีดที่รวดเร็วสำหรับกระแสลม มีความสำคัญพอๆ กับข้อกำหนดทางไฟฟ้า

ตำแหน่ง เทอร์มิสเตอร์จะวัดอุณหภูมิท้องถิ่นของตัวเอง ต้องนั่งให้ใกล้กับจุดที่ถูกควบคุมมากที่สุด - องค์ประกอบความร้อน ช่องปรุงอาหาร หรือของเหลวที่กำลังให้ความร้อน ระยะห่างไม่กี่มิลลิเมตร กระแสลมจากพัดลมระบายความร้อน หรือตัวยึดโลหะหนาที่ระบายความร้อน สามารถเปลี่ยนการอ่านค่าได้หลายองศา

ระบบเทอร์มิสเตอร์ระดับอุปกรณ์ ซึ่งได้รับการระบุและติดตั้งโดยคำนึงถึงปัจจัยสี่ประการนี้ จะคงการสอบเทียบไว้เป็นเวลาหลายปี ความสามารถในการคาดการณ์ระดับนี้เป็นสิ่งที่ผู้ผลิตพึ่งพาเมื่อพวกเขาสร้างอัลกอริธึมควบคุมเกี่ยวกับส่วนประกอบที่มีต้นทุนต่ำ

การวัดเทอร์มิสเตอร์ในเครื่องใช้ในครัวเรือนจริง

ในอุปกรณ์การผลิต เทอร์มิสเตอร์จะไม่ทำงานแยกกัน โดยจะเชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุมผ่านชุดสายไฟ และขั้วต่อ สายไฟตะกั่ว และฉนวนเป็นส่วนหนึ่งของระบบการวัด เซ็นเซอร์ที่มีขั้วต่อหลวมหรือฉนวนแตกร้าวจะสร้างการอ่านค่าเป็นระยะๆ ซึ่งการสอบเทียบไม่สามารถแก้ไขได้ ดังนั้นผู้ผลิตจึงประเมินเซ็นเซอร์ ชุดสายไฟ และตัวเชื่อมต่อเป็นชิ้นส่วนประกอบเดียว แทนที่จะเป็นชิ้นส่วนสินค้าที่แยกจากกัน

ในหม้อทอดอากาศ เซ็นเซอร์ NTC จะตรวจสอบช่องปรุงอาหารและรายงานไปยังตัวควบคุม ซึ่งจะสลับเครื่องทำความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิที่ตั้งไว้ เซ็นเซอร์จะต้องตอบสนองอย่างรวดเร็วและคงที่ตลอดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในวงกว้าง เซ็นเซอร์ที่ช้าทำให้เกิดภาพเกินและเกิดสีน้ำตาลไม่สม่ำเสมอ

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC ของหม้อทอดอากาศจาก Cixi Tengyu เซ็นเซอร์ NTC ที่ตอบสนองรวดเร็วจากผู้ผลิตในจีนรองรับการควบคุมอุณหภูมิที่เสถียรในหม้อทอดอากาศ ช่วยหลีกเลี่ยงไม่ให้มีสีน้ำตาลเกินและไม่สม่ำเสมอในระหว่างรอบการปรุงอาหาร ดูผลิตภัณฑ์ →

กาต้มน้ำไฟฟ้าเป็นการทดสอบที่แตกต่างออกไป เซ็นเซอร์ติดตั้งกับแผ่นทำความร้อนพร้อมซีลความร้อน และเฟิร์มแวร์จะตรวจสอบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว หากข้อต่อความร้อนอ่อนลง กาต้มน้ำสามารถรักษาความร้อนให้เลยจุดเดือดก่อนที่ตัวควบคุมจะตอบสนอง องค์ประกอบที่ตอบสนองรวดเร็วรวมกับโครงสร้างการติดตั้งที่เชื่อถือได้คือสิ่งที่ทำให้กาต้มน้ำไฟฟ้าปิดได้อย่างน่าเชื่อถือทุกครั้ง

กาต้มน้ำไฟฟ้า ผู้จัดจำหน่ายเซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC ซัพพลายเออร์รายนี้นำเสนอเซ็นเซอร์ NTC สำหรับกาต้มน้ำไฟฟ้า พร้อมระบบเชื่อมต่อความร้อนและการตอบสนองที่รวดเร็วเพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไป ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการปิดเครื่องที่เชื่อถือได้ระหว่างการต้ม ดูผลิตภัณฑ์ →

หม้อหุงข้าวนำหลักการเดียวกันนี้ไปใช้เพิ่มเติม เซ็นเซอร์อยู่ใต้หม้อชั้นใน และตัวควบคุมจะคอยดูอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเพื่อตัดสินใจว่าเมื่อใดที่น้ำถูกดูดซับ จากนั้นจึงลดกำลังไฟเพื่อรักษาความอบอุ่น เป็นการใช้งานเทอร์มิสเตอร์แบบคลาสสิก: เซ็นเซอร์ราคาประหยัด ตัวแบ่งที่เรียบง่าย และเส้นโค้งที่โดดเด่นซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การทำอาหารที่สม่ำเสมอ วิธีการเดียวกันนี้ปรากฏในผู้ผลิตนมถั่วเหลือง เครื่องเตรียมอาหาร และหม้ออัดแรงดันไฟฟ้า

หม้อหุงข้าว ผู้ผลิตเซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC เซ็นเซอร์จากหม้อหุงข้าวนี้เหมาะสำหรับหม้อหุงข้าว โดยจะตรวจสอบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเพื่อจัดการการดูดซึมน้ำและฟังก์ชันอุ่น ซึ่งสนับสนุนผลลัพธ์การทำอาหารที่สม่ำเสมอ ดูผลิตภัณฑ์ →

จากจุดยืนในการจัดซื้อ คำถามเชิงปฏิบัติไม่ใช่ว่าเทอร์มิสเตอร์วัดอุณหภูมิได้ดีหรือไม่ แต่เซ็นเซอร์ที่ให้มานั้นมีลักษณะโค้ง R-T ที่ถูกต้อง ซึ่งบรรจุหีบห่อสำหรับสภาพแวดล้อมจริงและจัดส่งพร้อมสายไฟที่ประกอบและใช้งานในชีวิตประจำวันได้หรือไม่ การเลือกก ผู้ผลิตชุดสายไฟและเซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC ที่ควบคุมองค์ประกอบทั้งหมดเหล่านั้นร่วมกัน หลีกเลี่ยงปัญหาที่ไม่ตรงกันที่ปรากฏขึ้นหลังจากที่ผลิตภัณฑ์มาถึงสนาม

บรรทัดล่าง

เทอร์มิสเตอร์วัดอุณหภูมิเนื่องจากความต้านทานเป็นไปตามเส้นโค้งที่ทำซ้ำได้และเป็นที่เข้าใจกันดี สายโซ่นั้นสั้น: ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าจะแปลงความต้านทานเป็นแรงดันไฟฟ้า ADC จะแปลงแรงดันไฟฟ้านั้นเป็นดิจิทัล และตารางค้นหาหรือสมการสไตน์ฮาร์ต-ฮาร์ตจะแปลงให้เป็นอุณหภูมิ ความแม่นยำที่แท้จริงมาจากรายละเอียดที่ไม่ได้แสดงสมการ เช่น การทำความร้อนได้เอง การจับคู่ค่า B การบรรจุภัณฑ์ การจัดวาง และการเดินสายไฟที่เชื่อมต่อเซ็นเซอร์กับตัวควบคุม จัดการรายละเอียดเหล่านั้นอย่างเหมาะสม และส่วนประกอบที่มีราคาไม่กี่เซ็นต์ต่อหน่วยสามารถยึดอุปกรณ์ให้อยู่ในระดับหนึ่งหรือสองของเป้าหมายสำหรับการใช้งานในแต่ละวันเป็นเวลาหลายปี