كيف يتم استخدام الثرمستور لقياس درجة الحرارة: العمل والدوائر والتطبيقات

عندما تقوم بضبط مقلاة هوائية وتتوقف عن العمل في اللحظة المناسبة، أو يسقط جهاز طبخ الأرز للتدفئة تمامًا عندما تمتص الحبوب كمية كافية من الماء، فإن مكونًا صغيرًا هو الذي يقوم بالتفكير في الجهاز. هذا المكون هو الثرمستور، وهو مقاوم ذو طرفين تتغير مقاومته مع درجة الحرارة. يشرح هذا المقال كيفية استخدام الثرمستور لقياس درجة الحرارة: المبدأ الفيزيائي الذي يجعله يعمل، والدائرة التي تقرأ مقاومته، والرياضيات التي تحول تلك القراءة إلى درجة حرارة، والتفاصيل العملية التي تحدد ما إذا كان القياس سيظل دقيقًا على مدار سنوات من الاستخدام.

المقاومة التي تتغير مع درجة الحرارة

الاستنتاج أولا: يقيس الثرمستور NTC درجة الحرارة لأن مقاومته تنخفض بطريقة معروفة ومتكررة مع ارتفاع درجة الحرارة. هذه الخاصية الوحيدة هي ما يحول المكون السلبي إلى جهاز استشعار.

يُصنع الثرمستور من مواد سيراميكية شبه موصلة، عادةً ما تكون أكاسيد معدنية، مُتكلسة في خرزة صغيرة أو شريحة أو قرص. هناك عائلتان. تعمل الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة السالبة (NTC) على تقليل المقاومة مع زيادة درجة الحرارة؛ تعمل الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) على زيادة المقاومة وغالبًا ما تستخدم للحماية من التيار الزائد أو السخانات ذاتية التنظيم. لقياس درجة الحرارة، يهيمن نوع NTC.

التغيير كبير بما يكفي لقراءته بدون إلكترونيات معقدة. الثرمستور النموذجي 10 كيلو أوم NTC المقدر عند 25 درجة مئوية يبلغ حوالي 33.6 كيلو أوم عند 0 درجة مئوية وحوالي 700 أوم عند 100 درجة مئوية - وهو تأرجح يقارب 50 إلى 1 عبر النطاق الذي تعمل فيه معظم الأجهزة المنزلية. ان جهاز استشعار درجة الحرارة NTC لذلك تحتاج فقط إلى مدخلات تناظرية أساسية على متحكم دقيق، في حين أن المزدوجة الحرارية تتطلب التضخيم وتعويض الوصلة الباردة. هذا المزيج من الإشارة الكبيرة والتكلفة المنخفضة والحجم الصغير هو سبب ظهور الثرمستورات في كل الأجهزة التي يتم التحكم في درجة حرارتها تقريبًا.

كيف يقرأ المتحكم الدقيق الثرمستور

الاستنتاج أولا: يقرأ المتحكم الدقيق الثرمستور من خلال مقسم الجهد، لأن المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) يقيس الجهد، وليس المقاومة.

الترتيب القياسي يربط الثرمستور والمقاوم الثابت على التوالي عبر سكة الإمداد، مع عقدة القياس بينهما. يقيس ADC جهد العقدة، ويتم حساب المقاومة من هذا الجهد. إذا كان الثرمستور على الجانب المنخفض والمقاومة الثابتة على الجانب العلوي:

فوت = Vcc × Rfixed / (Rthermistor Rfixed)

عندما يسخن الثرمستور وتنخفض مقاومته، ينخفض المزيد من جهد الإمداد عبر المقاومة الثابتة، وبالتالي يرتفع Vout. عندما يبرد، يقع Vout.

تتكون سلسلة القياس العملية من أربعة أجزاء:

• جهد مصدر ثابت، عادةً 3.3 فولت أو 5 فولت
• مقاومة ثابتة ذات سماحية مشددة، ويفضل أن تكون 1% أو أفضل
• الثرمستور NTC في حزمة مناسبة لبيئة التشغيل
• ADC بدقة كافية لتمييز أصغر خطوة لدرجة الحرارة التي يهتم بها التصميم

ينتج الثرمستور النموذجي NTC 10 كيلو أوم بقيمة B 3950، مقترنًا بمقاومة ثابتة 10 كيلو أوم وإمدادات 5 فولت، هذه القراءات:

لاحظ التباعد غير المستوي: بين 0 درجة مئوية و25 درجة مئوية يتغير الخرج بمقدار 1.35 فولت، بينما بين 75 درجة مئوية و100 درجة مئوية يتغير بمقدار 0.32 فولت فقط. وتكون الحساسية أعلى بشكل طبيعي في درجات الحرارة المنخفضة. يقبل المصممون ذلك، أو يعيدون ترتيب المقسم لتحيز الحساسية نحو نافذة التشغيل، أو يصححونه في البرامج الثابتة لأن المنحنى سلس وقابل للتكرار.

تحويل المقاومة إلى درجة حرارة

الاستنتاج أولا: بمجرد معرفة المقاومة، تقوم ثلاث طرق قياسية بتحويلها إلى درجة حرارة: جدول البحث، أو معادلة المعلمة B، أو معادلة ستينهارت-هارت. الاختيار هو المفاضلة بين البساطة واستخدام الذاكرة والدقة.

جدول البحث (جدول R-T)

ينشر المصنعون جدول المقاومة مقابل درجة الحرارة لكل نوع من أجهزة الاستشعار. يقوم البرنامج الثابت بتخزين هذا الجدول، ويبحث عن الإدخالين اللذين يضعان المقاومة الحالية بين قوسين ويقومان بالاستكمال الخطي بينهما. هذه هي الطريقة الأسرع في وحدة التحكم الدقيقة والأكثر شيوعًا في لوحات التحكم في الأجهزة. المهم هو أن الجدول يجب أن يتطابق مع قيمة B الخاصة بالمستشعر. يؤدي إقران جدول B = 3435 مع مستشعر B = 3950 إلى حدوث أخطاء بعدة درجات عند طرفي النطاق.

معادلة المعلمة ب

في فترة درجة حرارة معتدلة، تكون المقاومة كما يلي:

R(T) = R25 × EX[B × (1/T - 1/298.15)]

حيث T بالكلفن، R25 هي المقاومة عند 25 درجة مئوية وB هو ثابت المادة، عادة بين 3000 كلفن و5000 كلفن للثرمستورات NTC. تحتاج هذه المعادلة إلى ثابتين فقط وهي سهلة التنفيذ. وتفقد دقتها عندما يتجاوز مدى 50 درجة مئوية تقريبًا، ولكنها ضمن نافذة ضيقة هي أسرع طريقة لتقدير درجة الحرارة بدون جدول.

معادلة شتاينهارت-هارت

للحصول على أوسع نطاق وأفضل دقة، تعد معادلة شتاينهارت-هارت هي الاختيار القياسي:

1/T = أ ب × ln(R) C × (ln R)^3

تم تركيب المعاملات الثلاثة A وB وC (يجب عدم الخلط بينها وبين ثابت المادة أعلاه) على المنحنى المقاس للمستشعر. مع وجود معاملات جيدة، تظل هذه المعادلة في نطاق بضعة أجزاء من المئات من الدرجة عبر النطاق المقدر. يقوم المتحكم الدقيق بتقييمه عدة مرات في الثانية، وبالتالي فإن التكلفة الحسابية لا تذكر.

وأيًا كانت الطريقة المستخدمة، فإن المستشعر نفسه يحمل تحملًا. يتمتع الثرمستور NTC القياسي بمقاومة تبلغ حوالي ±1% عند 25 درجة مئوية وتسامح بقيمة B يبلغ ±1%، والتي تترجم معًا إلى ما يقرب من ±0.5 درجة مئوية إلى ±1 درجة مئوية من الخطأ عند 100 درجة مئوية. إذا كان التصميم يحتاج إلى دقة أكبر، فحدد مستشعرًا عالي الجودة أو قم بإجراء معايرة نقطة واحدة على خط الإنتاج.

الاعتبارات العملية التي تحدد الدقة الحقيقية

الاستنتاج أولا: يتم تحديد دقة قياس الثرمستور من خلال ظروف التثبيت والتشغيل بقدر ما يتم تحديده من خلال عنصر المستشعر نفسه. في الأجهزة الحقيقية، هناك أربعة عوامل تسبب معظم الأخطاء.

التدفئة الذاتية. يقوم تيار الانحياز بتسخين المستشعر أعلى قليلاً من الوسط المقاس، مما يؤدي إلى حدوث خطأ مستمر. حافظ على تبديد الطاقة أقل من 1 ميجاوات تقريبًا لجهاز استشعار الخرز الزجاجي. كمرجع، يبدد مستشعر 10 كيلو أوم في مقسم 10 كيلو أوم مع مصدر إمداد 3.3 فولت حوالي 0.27 ميجاوات عند 25 درجة مئوية - وهو آمن، ولكن من السهل تجاوزه إذا تم رفع جهد الإمداد أو جعل المقاوم الثابت أكبر بكثير.

مطابقة القيمة B. هناك مستشعران لهما نفس المقاومة عند 25 درجة مئوية ولكن قيم B مختلفة يقرأان نفس الشيء عند درجة حرارة الغرفة ويتباعدان تدريجيًا بعيدًا عنها. تأكد من أن القيمة B لمستشعر الإنتاج تتطابق مع التوصيف الموجود في البرنامج الثابت؛ عدم التطابق هو السبب الجذري الشائع للسلوك "الجيد عند 25 درجة مئوية، والخطأ عند 90 درجة مئوية".

التعبئة والتغليف ووقت الاستجابة. يستجيب عنصر السيراميك العاري في جزء من الثانية، لكن التغليف يبطئه. تتفاعل الخرزات المطلية بالإيبوكسي بسرعة وتتناسب مع الهواء الجاف المتحرك عبر عنصر التسخين؛ تكون المجسات المعدنية أو السيليكونية المختومة أبطأ ولكنها تتحمل الماء والبخار ومواد التنظيف. إن اختيار مسبار مغلق للتطبيق الرطب، أو حبة إيبوكسي سريعة لتيار الهواء، أمر مهم بقدر المواصفات الكهربائية.

التنسيب. الثرمستور يقيس درجة الحرارة المحلية الخاصة به. يجب أن يكون قريبًا قدر الإمكان من النقطة التي يتم التحكم فيها - عنصر التسخين أو تجويف الطهي أو السائل الذي يتم تسخينه. بضعة ملليمترات من الفصل، أو تيار هوائي من مروحة تبريد أو دعامة معدنية سميكة تعمل على امتصاص الحرارة، يمكن أن تغير القراءة بعدة درجات.

إن نظام الثرمستور المخصص للأجهزة، والذي يتم تحديده وتركيبه مع أخذ هذه العوامل الأربعة في الاعتبار، يحافظ على معايرته لسنوات. هذا المستوى من القدرة على التنبؤ هو ما يعتمد عليه المصنعون عندما يقومون ببناء خوارزمية تحكم حول مكون منخفض التكلفة.

قياس الثرمستور في الأجهزة المنزلية الحقيقية

في أجهزة الإنتاج، لا يعمل الثرمستور أبدًا بمعزل عن الآخر. إنه يتصل بلوحة التحكم من خلال مجموعة الأسلاك، ويعد الموصل وأسلاك الرصاص والعزل جزءًا من نظام القياس. ينتج المستشعر ذو الأطراف السائبة أو العزل المتصدع قراءات متقطعة لا يمكن لأي معايرة تصحيحها. ولذلك يقوم المصنعون بتقييم المستشعر والحزام والموصل كمجموعة واحدة وليس كأجزاء سلعية منفصلة.

في المقلاة الهوائية، يقوم مستشعر NTC بمراقبة تجويف الطهي ويبلغ وحدة التحكم، التي تقوم بتبديل السخان للحفاظ على درجة الحرارة المحددة. يجب أن يتفاعل المستشعر بسرعة ويظل مستقرًا عبر التقلبات الواسعة في درجات الحرارة؛ يتسبب المستشعر البطيء في التجاوز والتحمير غير المتساوي.

جهاز استشعار درجة حرارة المقلاة الهوائية NTC من Cixi Tengyu تدعم مستشعرات NTC سريعة الاستجابة من إحدى الشركات المصنعة الصينية التحكم المستقر في درجة الحرارة في مقالي الهواء، مما يساعد على تجنب التجاوز والتحمير غير المتساوي أثناء دورات الطهي. عرض المنتج →

تعتبر الغلاية الكهربائية بمثابة اختبار مختلف. يتم تثبيت المستشعر على لوحة التسخين بختم حراري، ويقوم البرنامج الثابت بمراقبة الارتفاع السريع في درجة الحرارة. إذا ضعف الاقتران الحراري، فيمكن للغلاية الاستمرار في التسخين بعد نقطة الغليان قبل أن تتفاعل وحدة التحكم. إن عنصر الاستجابة السريعة جنبًا إلى جنب مع هيكل التثبيت الموثوق به هو ما يجعل الغلاية الكهربائية تنطفئ بشكل موثوق في كل مرة.

غلاية كهربائية مزود مستشعر درجة الحرارة NTC يقدم هذا المورد أجهزة استشعار NTC للغلايات الكهربائية، مع اقتران حراري واستجابة سريعة لمنع ارتفاع درجة الحرارة، مما يضمن إيقاف التشغيل بشكل موثوق أثناء الغليان. عرض المنتج →

يأخذ جهاز طبخ الأرز نفس المبدأ إلى أبعد من ذلك. يوجد المستشعر أسفل الوعاء الداخلي، وتراقب وحدة التحكم معدل ارتفاع درجة الحرارة لتحديد متى تم امتصاص الماء، ثم تنخفض القدرة على الحفاظ على الدفء. إنه تطبيق الثرمستور الكلاسيكي: مستشعر منخفض التكلفة، ومقسم بسيط، ومنحنى مميز جيدًا يعملان معًا لإنتاج نتيجة طهي متسقة. ويظهر النهج نفسه في صانعات حليب الصويا، ومعالجات الطعام، وأجهزة طهي الضغط الكهربائية.

الشركة المصنعة لجهاز استشعار درجة الحرارة لطباخ الأرز أجهزة الاستشعار من هذا الجهاز مناسبة لأجهزة طبخ الأرز، ومراقبة ارتفاع درجة الحرارة لإدارة امتصاص الماء ووظيفة الحفاظ على الدفء، ودعم نتائج الطهي المتسقة. عرض المنتج →

من وجهة نظر المشتريات، فإن السؤال العملي ليس ما إذا كانت الثرمستورات تقيس درجة الحرارة بشكل جيد - فهي تفعل ذلك - ولكن ما إذا كان المستشعر المصاحب يتميز بمنحنى R-T الصحيح، ومعبأ للبيئة الحقيقية ومزود بأسلاك تتحمل التجميع والاستخدام اليومي. اختيار أ تسخير الأسلاك والشركة المصنعة لجهاز استشعار درجة الحرارة NTC الذي يتحكم في كل هذه العناصر معًا يتجنب مشاكل عدم التطابق التي تظهر بعد وصول المنتجات إلى الحقل.

الخط السفلي

يقيس الثرمستور درجة الحرارة لأن مقاومته تتبع منحنى متكررًا ومفهومًا جيدًا. السلسلة قصيرة: يقوم مقسم الجهد بتحويل المقاومة إلى جهد، ويقوم ADC بترقيم هذا الجهد، ويقوم جدول البحث أو معادلة ستينهارت-هارت بتحويله إلى درجة حرارة. تأتي الدقة الحقيقية من التفاصيل التي لا تظهرها المعادلات - التسخين الذاتي، ومطابقة القيمة B، والتعبئة، والوضع، والأسلاك التي تربط المستشعر بوحدة التحكم. تعامل مع هذه التفاصيل بشكل صحيح، والمكون الذي يكلف بضعة سنتات لكل وحدة يحافظ على الجهاز ضمن درجة أو درجتين من هدفه لسنوات من التشغيل اليومي.