Датчик температуры ntc 10k

Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos

Зотов Виталий

Статья посвящена исследованию работы терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, рассмотрению преимуществ и недостатков применения термисторов, принципам построения систем измерения и контроля температуры, а также факторам, влияющим на работу термисторов в качестве датчиков температуры, и снижению погрешности измерительной системы.

Потребность измерения температуры и управления ей возникает во многих сферах деятельности человека. А основными требованиями к результатам измерения и управления, как всегда, оказываются скорость и точность, независимо от того, где используется прибор — в быту или в промышленности. В основе любого измерения, в том числе и температуры, положен датчик, и как первостепенный элемент он определяет технико-экономические показатели системы контроля в целом. Применение того или иного вида термочувствительного элемента опять же зависит от требований, предъявляемых к системе в целом, и не говорит о полном преимуществе одного датчика над другими. Для промышленного применения, как правило, используются термопары или резистивные термопреобразователи, выполненные в виде законченных устройств. Непригодность этих термочувствитеьных элементов для повсеместного использования объясняется высокой ценой применяемых материалов и невозможностью удаленного контроля из-за сравнительно маленьких величин выходных параметров, которые сильно подвержены влиянию внешних факторов. Все большее применение находят датчики интегрального исполнения, имеющие низкую нелинейность выходной характеристики от температуры и достаточно малую стоимость, но именно интегральное исполнение является «ахиллесовой пятой» этих элементов ввиду ограниченности рабочего температурного диапазона. Другое дело — терморезисторы с отрицательным ТКС (отрицательный температурный коэффициент сопротивления, или NTC — Negative Temperature Coefficient) — они имеют достаточно большой диапазон рабочих температур, возможность удаленного мониторинга, действуют в сильных магнитных полях. Но есть недостатки, такие как сложная повторяемость экземпляров и сильная нелинейность температурной характеристики, что в свою очередь усложняет и повышает стоимость всего изделия. Так было до прихода микроконтроллеров, на «плечи» которых и будет возложена конечная задача по линеаризации и математической обработке температурной характеристики.

Основные параметры и характеристика NTC-термисторов

В рабочем диапазоне температур зависимость сопротивления терморезистора от температуры достаточно точно описывается выражением [1]:

где R — сопротивление рабочего тела терморезистора при данной температуре Т. Ом; R_N — номинальное сопротивление терморезистора при температуре Т_N . Ом; Т. Т_N — температура, К; В — коэффициент, постоянный для данного экземпляра терморезистора (паспортные данные).

Любой NTC-терморезистор кроме температурной характеристики описывается рядом параметров, без которых невозможно полное представление о работе данного типа термодатчиков. Далее приводятся определения основных параметров.

Материал, из которого изготовлен термистор, сохраняет свои свойства при температурах, не выходящих за рамки определенного диапазона, который называют допустимой температурой. При температурах, выходящих за эти пределы, в сенсоре могут произойти необратимые изменения, и он выйдет из строя.

Значение коэффициента В определяется материалом датчика и представляет собой наклон характеристики R/T. В уравнении (1) значение коэффициента В определено двумя точками характеристики R/T (R_T . T ) и (R_N . T_N ), исходя из этого:

Терморезистор, имея номинальное значение сопротивления при определенной температуре, как и любой резистор, может иметь отклонение ΔR/R_N (допуск), обусловленное технологией изготовления. Этот параметр дается производителем на одну точку (обычно 25 °С). Однако когда требуется высокая точность измерений в широком диапазоне температур, допуск может быть указан производителем не на сопротивление, а на температуру в гарантированном диапазоне ΔT. Соответственно, такой термистор будет измерять другие значения температур с тем же самым отклонением (точностью).

Температурный коэффициент α выражает в процентах изменение абсолютной величины сопротивления при изменении температуры на 1°. Вследствие нелинейности температурной характеристики значение температурного коэффициента зависит от величины температуры, поэтому его записывают обычно с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. Например, α₂₉₃ — температурный коэффициент термистора при температуре 293. Вычисляют температурный коэффициент по формуле, вытекающей из его определения и выражения температурной характеристики:

Сопротивление при нулевой мощности измерения — это значение сопротивления термистора, измеренное при определенной температуре под электрической нагрузкой, настолько маленькой, что она практически не оказывает влияния на результат измерения. Если же измерительный ток будет высоким или же сопротивление термистора будет иметь низкое значение, результат измерений будет искажен из явления саморазогрева, что должно быть принято во внимание. Явление саморазогрева зависит не только от электрической нагрузки, но и от теплового коэффициента рассеяния δ_th и геометрических размеров датчика. Оно описывается следующим выражением:

где P — приложенная электрическая мощность, мВт; U — мгновенное значение напряжения на терморезисторе, В; I — мгновенное значение тока, протекающего через терморезистор, мА; Т — мгновенная температура терморезистора, К; Т_А — температура окружающей среды, К; С_th — теплоемкость терморезистора, мДж/К; dT/dt — изменение температуры во времени, К/с.

Если постоянная электрическая мощность будет приложена к терморезистору, то его температура сначала незначительно увеличится, но это изменение со временем будет снижаться. А после некоторого временного промежутка будет достигнуто устойчивое состояние, при котором приложенная мощность рассеется за счет эффекта теплопроводности или конвекции. Если принять dT/dt равным нулю, а U = R ×I. где R — сопротивление терморезистора, соответствующее его температуре, то получим:

Полученные формулы являются параметрическим представлением вольт-амперной характеристики с зависимостью сопротивления терморезистора от температуры R(T). Очевидным является и то, что вольт-амперная характеристика зависит от коэффициента рассеяния, который, в свою очередь, зависит от геометрических размеров датчика и среды, в которую он помещен.

Максимально допустимый ток — ток, при протекании которого через терморезистор температура последнего равна максимально допустимой. Величина допустимого тока зависит от температуры среды и ее характера. При одинаковой температуре двух сред допустимый ток будет больше в той среде, которая обладает большей теплопроводностью. Соответственно, коэффициент рассеяния, зависящий от параметров среды, определяет максимально допустимую мощность, рассеиваемую датчиком, помещенным в такую среду:

Коэффициент рассеяния определяется как отношение изменения в рассеиваемой энергии к изменению температуры терморезистора. В численном виде выражается в мВт/К и служит мерой нагрузки, которая вызывает изменение температуры терморезистора на 1 К в установившемся состоянии окружающей среды:

Для определения коэффициента рассеяния к терморезистору прикладывают нагрузку, при которой соотношение U/I соответствует значению сопротивления, измеренному при температуре Т = 85 °С:

где Т — температура тела терморезистора, °С; Т_А — температура окружающей среды, °С.

Теплоемкость С_th — количество тепла, которое надо сообщить терморезистору, чтобы повысить температуру рабочего тела на один градус. Величина теплоемкости является функцией температуры, однако при температурах, не превышающих допустимой, можно принять ее постоянной и вычислять по формуле:

где τ_С — тепловая постоянная времени охлаждения, с.

Постоянная времени τ_С — время, в течение которого температура рабочего тела при его свободном охлаждении понижается на 63,2% от первоначальной разности температур рабочего тела и окружающей среды. Как правило, температура, до которой нагревают терморезистор, равна 85 °С, а температура среды, в которую помещают терморезистор для охлаждения, берется равной 25 °С. Соответственно, охлаждение рабочего тела терморезистора происходит тем быстрее, чем меньше его геометрические размеры.

Как и у любого радиоэлемента, материал, из которого изготовлен терморезистор, подвержен необратимому изменению характеристик (у терморезисторов это увеличение сопротивления и изменение коэффициента В ). Это происходит из-за теплового перенапряжения, приводящего к дефектам кристаллической решетки, окисления незащищенных частей терморезистора, связанного с повреждением корпуса датчика, или из-за диффузии в контактных поверхностях металлизированного покрытия электродов. При низких температурах эти процессы происходят медленно, но на высоких температурах ускоряются, а со временем снижаются. Поэтому для увеличения временной стабильности параметров и уменьшения влияния изменения характеристик многие производители умышленно подвергают терморезисторы процессу старения непосредственно после изготовления.

Обзор NTC-термисторов компании Epcos

Термисторы компании Epcos изготавливаются из тщательного отобранного и протестированного сырья. Основой для изготовления служат оксиды металлов, таких как марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк. Оксиды первоначально измельчаются до порошкообразной массы, смешиваются с пластиковыми связующими элементами и сжимаются до нужной формы. Затем их плавят для получения поликристаллического корпуса термистора. После определенного этапа тестирования термисторы подвергаются старению для получения необходимой стабильности параметров.

Компания Epcos выпускает достаточно большой ряд терморезисторов, с которым можно ознакомиться в специальном документе по выбору Selector Guide [2]. В рамках же данной статьи мы рассмотрим лишь прецизионные малогабаритные датчики (табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики NTC-термисторов Epcos

Как говорилось ранее, выбор того или иного термопреобразователя чаще всего обусловлен требованиями к разрабатываемой системе контроля, поэтому основными параметрами, на которые опирается разработчик, оказываются рабочий температурный диапазон, массо-габаритные показатели, допуск на номинальное сопротивление, постоянная времени и стоимость элемента.

Нестандартный подход к стандартной характеристике NTC-термисторов

В начале статьи говорилось, что температурная зависимость сопротивления термистора точно описывается выражением (1), однако опытным путем было установлено, что эта же характеристика может быть не менее точно воспроизведена следующим полиномом:

где r(T) — сопротивление терморезистора при температуре Т ; А ₀. А ₁. А ₂ … А_n — некие коэффициенты, зависящие лишь от свойств материалов, которые используются при в изготовлении термистора.

Казалось бы, это нисколько не упрощает представление о поведении температурной характеристики термистора, а наоборот — ведет к усложнению из-за переноса температуры в знаменатель и бесконечного числа возможных коэффициентов. Но как показала обработка этой математической модели на «живых» образцах, практически любой термистор можно описать с помощью семи первых членов полинома, так как вклад последующих составляющих в конечное значение сопротивления незначителен:

Тогда, переходя к термопроводимости, мы получим:

где r(T) — сопротивление, кОм; g(T) — проводимость, мСм.

Шкафы управления MR-Z для приточно-вытяжных установок на базе контроллера Zentec

Шкафы управления вентиляцией MR-Z на базе универсального контроллера "Zentec" разработаны для управления малогабаритными канальными или моноблочными вентиляционными системами. а также линейкой многосекционных центральных кондиционеров с двигателями вентиляторов, мощность которых не превышает 4 кВт. Данные системы управления поставляются комплектом. включающим в себя:

• Шкаф управления вентиляцией MR-Z в сборе
• Проводной пульт дистанционного управления
• Канальный датчик температуры
• Датчик обратной воды

Шкафы управления приточно-вытяжной вентиляцией MR-Z на базе контроллера "Zentec" это готовое полнофункциональное недорогое решение для управления приточно-вытяжной установкой. Нет необходимости приобретать дополнительные модули или комплектующие - управляющая и силовая части интегрированы в одном корпусе.

Кроме самого шкафа управления в базовую комплектацию входит современный пульт управления с большим контрастным дисплеем. Контроллер "Zentec" разработан в соответствии с европейскими стандартами управления вентиляционными системами.

Контроллер устанавливается внутри шкафа и не виден снаружи. По интерфейсу RS485 он связан с удобным пультом. Отличительными особенностями пульта управления является дисплей с подсветкой и встроенный датчик температуры в помещении.

Гарантийный срок на шкафы автоматики MR-Z составляет 3 года.

Дистанционный пульт можно располагать на удалении 170 метров от шкафа управления вентиляцией. Связь между контроллером и пультом осуществляется по витой паре. Корпус шкафа автоматики в базовой комплектации изготовлен из высококачественного пластика и имеет степень защиты IP64.

Шкафы управления вентсистемами MR-Z могут применяться для управления системами приточно - вытяжной вентиляции, имеющими в своём составе следующие секции воздухоподготовки:

• Вентилятор (регулировка скорости вентилятора с пульта управления при помощи частотного преобразователя)
• Водяной воздухонагреватель (реализована полная защита против замерзания теплообменника)
• Электрический воздухонагреватель (защита от перегрева и продувка после отключения)
• Водяное охлаждение
• Фреоновое охлаждение

Основные функции управления:

• Регулирование температуры приточного воздуха и температуры обратной воды (применение температурных датчиков c характеристиками NTC 10K);
• Заслонками наружного воздуха;
• Приточным (и вытяжным) вентиляторами, в том числе по ModBUS;
• Водяным калорифером - регулирующим клапаном c приводом 24В по сигналу 0-10В;
• Плавное управление (ШИМ) электрическим нагревателем с ограничением максимальной мощности, ступенчатое управление электрическим нагревателем до 2-х ступеней;
• Водяным охладителем - регулирующим клапаном c приводом 24В по сигналу 0-10В;
• Циркуляционными насосами;
• Переключение режимов Зима/Лето;
• Автоматическое регулирование температуры приточного воздуха в соответствии с заданной установкой.

• ZAMEL Sp. z o.o.

ul. Zielona 27, 43-200 Pszczyna, Poland

tel. +48 (32) 210 4665; fax: +48 (32) 210 80 04

NIP: 638-000-06-69; REGON: 003495338; VAT ID No. PL6380000669

CET Spółka z o.o.,

ul. Zielona 27, 43-200 Pszczyna, Poland

tel. +48 (32) 449 15 00, fax: +4B (32) 449 15 02

NIP: 652-000-54-90, REGON: 003512077, VAT ID-No. PL6520005490

Informujemy, iż w celu zapewnienia jak najlepszej wygody w przeglądaniu naszych stron www, dostosowania ich do indywidualnych potrzeb użytkownika a także dla celów reklamowych. statystycznych oraz uwierzytelniania korzystamy z informacji zapisanych za pomocą plików cookies na urządzeniach końcowych użytkowników. Plikami cookie użytkownik może zarządzać za pomocą zmiany ustawień swojej przeglądarki internetowej.

Dalsze korzystanie z naszych serwisów internetowych bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, użytkownik akceptuje politykę stosowania plików cookies, która szczegółowo jest opisana w naszej Polityce Prywatności