+86-0574-63316601
Khi bạn đặt nồi chiên không khí và nó tắt đúng lúc, hoặc nồi cơm điện hạ xuống để giữ ấm đúng khi hạt đã hấp thụ đủ nước, một bộ phận nhỏ đang thực hiện chức năng suy nghĩ cho thiết bị. Thành phần đó là nhiệt điện trở, một điện trở hai cực có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Bài viết này giải thích cách sử dụng nhiệt điện trở để đo nhiệt độ: nguyên lý vật lý giúp nó hoạt động, mạch đọc điện trở của nó, phép toán chuyển đổi số đo đó thành nhiệt độ và các chi tiết thực tế quyết định liệu phép đo có giữ chính xác qua nhiều năm sử dụng hay không.
Điện trở thay đổi theo nhiệt độ
Kết luận đầu tiên: một điện trở nhiệt NTC đo nhiệt độ vì điện trở của nó giảm theo một cách đã biết và có thể lặp lại khi nhiệt độ tăng. Thuộc tính duy nhất đó là thứ biến thành phần thụ động thành cảm biến.
Điện trở nhiệt được làm từ vật liệu bán dẫn gốm, thường là oxit kim loại, thiêu kết thành hạt nhỏ, chip hoặc đĩa. Có hai gia đình. Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm (NTC) giảm điện trở khi nhiệt độ tăng; Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ dương (PTC) làm tăng điện trở và thường được sử dụng để bảo vệ quá dòng hoặc máy sưởi tự điều chỉnh. Để đo nhiệt độ, loại NTC chiếm ưu thế.
Sự thay đổi đủ lớn để có thể đọc được mà không cần thiết bị điện tử phức tạp. Một điện trở nhiệt NTC 10 kΩ điển hình được định mức ở 25°C đo khoảng 33,6 kΩ ở 0°C và khoảng 700 Ω ở 100°C - dao động gần 50:1 trong phạm vi hoạt động của hầu hết các thiết bị gia dụng. Một Cảm biến nhiệt độ NTC do đó chỉ cần một đầu vào tương tự cơ bản trên bộ vi điều khiển, trong khi cặp nhiệt điện sẽ yêu cầu khuếch đại và bù điểm lạnh. Sự kết hợp giữa tín hiệu lớn, chi phí thấp và kích thước nhỏ là lý do tại sao nhiệt điện trở xuất hiện ở hầu hết các thiết bị kiểm soát nhiệt độ.
Làm thế nào một vi điều khiển đọc nhiệt điện trở
Kết luận đầu tiên: một bộ vi điều khiển đọc nhiệt điện trở thông qua một bộ chia điện áp, bởi vì bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) đo điện áp chứ không phải điện trở.
Sự sắp xếp tiêu chuẩn kết nối nhiệt điện trở và một điện trở cố định nối tiếp qua đường ray cung cấp, với nút đo ở giữa chúng. ADC đo điện áp nút và điện trở được tính từ điện áp đó. Nếu nhiệt điện trở ở phía thấp và điện trở cố định ở phía cao:
Vout = Vcc × Rfixed / (Rthermistor Rfixed)
Khi nhiệt điện trở nóng lên và điện trở của nó giảm, điện áp nguồn giảm trên điện trở cố định nhiều hơn, do đó Vout tăng. Khi nó nguội đi, Vout rơi xuống.
Một chuỗi đo lường thực tế có bốn phần:
- Điện áp cung cấp ổn định, thường là 3,3 V hoặc 5 V
- Một điện trở cố định có dung sai chặt chẽ, tốt nhất là 1% hoặc cao hơn
- Điện trở nhiệt NTC được đóng gói phù hợp với môi trường hoạt động
- Một ADC có độ phân giải đủ để phân biệt bước nhiệt độ nhỏ nhất mà thiết kế quan tâm
Một điện trở nhiệt NTC 10 kΩ điển hình có giá trị B là 3950, kết hợp với điện trở cố định 10 kΩ và nguồn 5 V, tạo ra các số đọc sau:
| Nhiệt độ | Kháng NTC | Vout |
|---|---|---|
| 0°C | 33,6 kΩ | 1,15 V |
| 25°C | 10,0 kΩ | 2,50 V |
| 50°C | 3,6 kΩ | 3,68 V |
| 75°C | 1,5 kΩ | 4,35 V |
| 100°C | 0,70kΩ | 4,67 V |
Lưu ý khoảng cách không đồng đều: giữa 0°C và 25°C, đầu ra thay đổi 1,35 V, trong khi giữa 75°C và 100°C, đầu ra chỉ thay đổi 0,32 V. Độ nhạy tự nhiên cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn. Các nhà thiết kế chấp nhận điều này, sắp xếp lại dải phân cách để thiên về độ nhạy đối với cửa sổ vận hành hoặc sửa nó trong phần sụn vì đường cong trơn tru và có thể lặp lại.
Chuyển đổi điện trở thành nhiệt độ
Kết luận đầu tiên: khi đã biết điện trở, ba phương pháp tiêu chuẩn sẽ chuyển nó thành nhiệt độ: bảng tra cứu, phương trình tham số B hoặc phương trình Steinhart-Hart. Sự lựa chọn là sự đánh đổi giữa tính đơn giản, mức sử dụng bộ nhớ và độ chính xác.
Bảng tra cứu (Bảng R-T)
Các nhà sản xuất công bố bảng điện trở so với nhiệt độ cho từng loại cảm biến. Phần sụn lưu trữ bảng đó, tìm hai mục bao gồm điện trở hiện tại và nội suy tuyến tính giữa chúng. Đây là phương pháp nhanh nhất trên bộ vi điều khiển nhỏ và phổ biến nhất trong bảng điều khiển thiết bị. Điều hấp dẫn là bảng phải khớp với giá trị B của cảm biến. Việc ghép nối bảng B = 3435 với cảm biến B = 3950 sẽ tạo ra sai số vài độ ở cả hai đầu của phạm vi.
Phương trình tham số B
Đối với khoảng nhiệt độ vừa phải, điện trở như sau:
R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298.15)]
trong đó T tính bằng kelvin, R25 là điện trở ở 25°C và B là hằng số vật liệu, thường nằm trong khoảng từ 3000 K đến 5000 K đối với điện trở nhiệt NTC. Phương trình này chỉ cần hai hằng số và rất đơn giản để thực hiện. Nó mất độ chính xác khi khoảng vượt quá khoảng 50°C, nhưng trong một cửa sổ hẹp, đây là cách nhanh nhất để ước tính nhiệt độ mà không cần bàn.
Phương trình Steinhart-Hart
Để có phạm vi rộng nhất và độ chính xác tốt nhất, phương trình Steinhart-Hart là lựa chọn tiêu chuẩn:
1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3
Ba hệ số A, B và C (không bị nhầm lẫn với hằng số vật liệu ở trên), được gắn vào đường cong đo được của cảm biến. Với các hệ số tốt, phương trình này đúng trong phạm vi vài phần trăm độ trên toàn khoảng định mức. Một bộ vi điều khiển đánh giá nó vài lần mỗi giây, do đó chi phí tính toán là không đáng kể.
Dù sử dụng phương pháp nào thì bản thân cảm biến cũng có dung sai. Một điện trở nhiệt NTC tiêu chuẩn có dung sai điện trở khoảng ±1% ở 25°C và dung sai giá trị B là ±1%, cùng nhau chuyển thành sai số khoảng ±0,5°C đến ±1°C ở 100°C. Nếu thiết kế cần độ chính xác chặt chẽ hơn, hãy chỉ định cảm biến cấp cao hơn hoặc thực hiện hiệu chuẩn một điểm trên dây chuyền sản xuất.
Những cân nhắc thực tế quyết định độ chính xác thực sự
Kết luận đầu tiên: độ chính xác của phép đo nhiệt điện trở được quyết định nhiều bởi các điều kiện lắp đặt và vận hành cũng như bởi chính phần tử cảm biến. Trong các thiết bị thực tế, bốn yếu tố gây ra hầu hết các lỗi.
Tự sưởi ấm. Dòng điện phân cực làm ấm cảm biến cao hơn môi trường đo một chút, tạo ra lỗi dai dẳng. Giữ mức tiêu tán năng lượng dưới khoảng 1 mW đối với cảm biến hạt thủy tinh. Để tham khảo, cảm biến 10 kΩ trong bộ chia 10 kΩ với nguồn 3,3 V sẽ tiêu hao khoảng 0,27 mW ở 25°C - an toàn, nhưng dễ vượt quá nếu điện áp nguồn tăng hoặc điện trở cố định được làm lớn hơn nhiều.
So khớp giá trị B. Hai cảm biến có cùng điện trở ở 25°C nhưng các giá trị B khác nhau đọc giống nhau ở nhiệt độ phòng và phân kỳ dần dần ra xa khỏi nhiệt độ đó. Xác nhận rằng giá trị B của cảm biến sản xuất khớp với đặc tính trong phần sụn; sự không phù hợp là nguyên nhân gốc rễ phổ biến của hành vi "tốt ở 25°C, sai ở 90°C".
Thời gian đóng gói và phản hồi. Phần tử gốm trần phản hồi trong một phần giây, nhưng việc đóng gói làm chậm nó lại. Các hạt được phủ epoxy phản ứng nhanh và phù hợp với không khí khô di chuyển qua bộ phận làm nóng; Đầu dò bằng kim loại hoặc silicon hoạt động chậm hơn nhưng vẫn tồn tại trong nước, hơi nước và chất tẩy rửa. Việc chọn đầu dò kín cho ứng dụng ướt hoặc hạt epoxy nhanh cho luồng không khí cũng quan trọng như thông số kỹ thuật điện.
Vị trí. Điện trở nhiệt đo nhiệt độ cục bộ của nó. Nó phải ở càng gần điểm được điều khiển càng tốt - bộ phận làm nóng, khoang nấu hoặc chất lỏng được làm nóng. Một khoảng cách vài mm, một luồng gió từ quạt làm mát hoặc một khung kim loại dày có tác dụng tản nhiệt có thể làm thay đổi số đọc vài độ.
Một hệ thống nhiệt điện trở cấp thiết bị, được chỉ định và lắp đặt có lưu ý đến bốn yếu tố này, sẽ duy trì hiệu chuẩn trong nhiều năm. Mức độ dự đoán này là điều mà các nhà sản xuất dựa vào khi họ xây dựng thuật toán điều khiển xung quanh một bộ phận có chi phí thấp.
Đo nhiệt điện trở trong các thiết bị gia dụng thực tế
Trong các thiết bị sản xuất, nhiệt điện trở không bao giờ hoạt động độc lập. Nó kết nối với bảng điều khiển thông qua bộ dây và đầu nối, dây dẫn và lớp cách điện là một phần của hệ thống đo lường. Cảm biến có các cực bị lỏng hoặc lớp cách điện bị nứt tạo ra các kết quả đo không liên tục mà không hiệu chuẩn nào có thể sửa được. Do đó, các nhà sản xuất đánh giá cảm biến, dây nịt và đầu nối như một bộ phận lắp ráp chứ không phải là các bộ phận hàng hóa riêng biệt.
Trong nồi chiên không khí, cảm biến NTC giám sát khoang nấu và báo cáo cho bộ điều khiển, bộ điều khiển này sẽ chuyển bộ gia nhiệt để giữ nhiệt độ đã cài đặt. Cảm biến phải phản ứng nhanh và ổn định khi nhiệt độ thay đổi trên diện rộng; cảm biến chậm gây ra tình trạng quá mức và chuyển sang màu nâu không đồng đều.
Cảm biến nhiệt độ NTC của Nồi chiên không khí từ Cixi Tengyu Cảm biến NTC phản ứng nhanh từ nhà sản xuất Trung Quốc hỗ trợ kiểm soát nhiệt độ ổn định trong nồi chiên không khí, giúp tránh hiện tượng quá nhiệt và chuyển sang màu nâu không đều trong chu trình nấu. Xem sản phẩm → Ấm đun nước điện là một thử nghiệm khác. Cảm biến gắn vào tấm gia nhiệt bằng một miếng đệm nhiệt và phần sụn sẽ theo dõi sự tăng nhiệt độ nhanh chóng. Nếu khớp nối nhiệt yếu, ấm có thể tiếp tục làm nóng quá điểm sôi trước khi bộ điều khiển phản ứng. Bộ phận phản ứng nhanh kết hợp với cấu trúc lắp đặt đáng tin cậy là yếu tố giúp ấm đun nước điện luôn tắt một cách đáng tin cậy.
Ấm đun nước điện Nhà cung cấp cảm biến nhiệt độ NTC Nhà cung cấp này cung cấp cảm biến NTC cho ấm điện, có khớp nối nhiệt và phản ứng nhanh để tránh quá nhiệt, đảm bảo ngắt đáng tin cậy trong khi đun sôi. Xem sản phẩm → Nồi cơm điện còn có nguyên tắc tương tự hơn nữa. Cảm biến nằm dưới lòng nồi và bộ điều khiển theo dõi tốc độ tăng nhiệt độ để quyết định khi nào nước đã được hút hết, sau đó giảm nguồn điện để giữ ấm. Đây là một ứng dụng nhiệt điện trở cổ điển: một cảm biến chi phí thấp, một bộ chia đơn giản và một đường cong đặc trưng phối hợp với nhau để tạo ra kết quả nấu ổn định. Cách tiếp cận tương tự cũng xuất hiện ở các máy làm sữa đậu nành, máy chế biến thực phẩm và nồi áp suất điện.
Nồi cơm điện Nhà sản xuất cảm biến nhiệt độ NTC Cảm biến của nhà sản xuất này phù hợp với nồi cơm điện, theo dõi mức tăng nhiệt độ để quản lý chức năng hấp thụ nước và giữ ấm, hỗ trợ kết quả nấu ổn định. Xem sản phẩm → Từ quan điểm mua sắm, câu hỏi thực tế không phải là liệu nhiệt điện có đo nhiệt độ tốt hay không - mà là liệu cảm biến được cung cấp có đặc tính với đường cong R-T chính xác, được đóng gói cho môi trường thực tế và được cung cấp cùng hệ thống dây điện có thể tồn tại trong quá trình lắp ráp và sử dụng hàng ngày hay không. Chọn một dây nịt dây điện và nhà sản xuất cảm biến nhiệt độ NTC điều khiển tất cả các yếu tố đó cùng nhau sẽ tránh được các vấn đề không khớp xuất hiện sau khi sản phẩm đến tay người tiêu dùng.
Điểm mấu chốt
Điện trở nhiệt đo nhiệt độ vì điện trở của nó tuân theo một đường cong có thể lặp lại và được hiểu rõ. Chuỗi rất ngắn: một bộ chia điện áp chuyển đổi điện trở thành điện áp, ADC số hóa điện áp đó và bảng tra cứu hoặc phương trình Steinhart-Hart chuyển đổi nó thành nhiệt độ. Độ chính xác thực sự đến từ những chi tiết mà các phương trình không thể hiện - tự làm nóng, khớp giá trị B, đóng gói, vị trí và hệ thống dây điện kết nối cảm biến với bộ điều khiển. Hãy xử lý những chi tiết đó một cách hợp lý và một bộ phận có giá vài xu cho mỗi đơn vị sẽ giữ thiết bị ở mức một hoặc hai mức so với mục tiêu của nó trong nhiều năm hoạt động hàng ngày.
