Sensore di temperatura a termistore

Che cos'è un sensore di temperatura a termistore?

Un termistore è un termometro la cui resistenza dipende dalla temperatura. Il termine è una combinazione di "termico" e "resistenza". È composto da ossidi metallici, pressati per formare una perlina, un disco o una forma cilindrica, quindi incapsulati in un materiale impermeabile come resina epossidica o vetro.

I diversi tipi di sensori di temperatura a termistore

Esistono due tipi di termistori: 

  • il coefficiente di temperatura negativo (NTC o CTN) 
  • e il coefficiente di temperatura positivo (PTC o CTP). 

Con una sonda NTC, quando la temperatura aumenta, la resistenza diminuisce. Al contrario, quando la temperatura diminuisce, la resistenza aumenta. Questo tipo di termistore è il più utilizzato.

Un termistore PTC funziona in modo leggermente diverso. Quando la temperatura aumenta, la resistenza aumenta e quando la temperatura diminuisce, la resistenza diminuisce. Tipicamente, un termistore raggiunge un'elevata precisione entro un intervallo di temperatura limitato di circa 50 ° C attorno alla temperatura target. Questa gamma dipende dalla resistenza di base.

Per saperne di più

simboli del termistore

La freccia accanto a T indica che la resistenza è variabile a seconda della temperatura. La direzione della freccia o della barra non è significativa.

I sensori a termistore sono facili da usare, economici, robusti e reagiscono in modo prevedibile ai cambiamenti. Sebbene non funzionino bene con temperature molto basse o alte, sono il sensore preferito per le applicazioni che rilevano la temperatura in un intervallo di misurazione basso. Il termistore è ideale quando è richiesto un controllo preciso della temperatura.

Alcuni degli usi più comuni dei termistori sono nei termometri digitali, nella misurazione della temperatura dell'olio e del liquido di raffreddamento, negli elettrodomestici come forni e frigoriferi.

Figura 1: simbolo del termistore - Stati Uniti e Giappone

In che modo il termistore "misura" la temperatura?

In realtà, un termistore non "legge" nulla, la resistenza di un termistore cambia con la temperatura. Il grado di variazione della resistenza dipende dal tipo di materiale utilizzato nel termistore.

A differenza di altre sonde di misura, i termistori non sono lineari, il che significa che i punti su un grafico che rappresentano la relazione tra resistenza e temperatura non formeranno una linea retta. La costruzione del termistore determina la posizione della linea e la sua evoluzione. Un tipico grafico del termistore è simile al seguente:

Figura 2: resistenza in funzione della temperatura

Qual è la differenza tra un termistore e altri sensori?

Oltre ai termistori, vengono utilizzati diversi altri tipi di sensori di temperatura. I più comuni sono i rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) e i circuiti integrati (IC). La sonda di misurazione che funziona meglio per uno scopo particolare si basa su molti fattori. 

Intervallo di temperatura: l'intervallo globale approssimativo di temperature in cui è possibile utilizzare un tipo di sonda. All'interno di un determinato intervallo di temperatura, alcuni sensori funzionano meglio di altri.

Costo: costo relativo quando questi sensori vengono confrontati tra loro. Ad esempio, i termistori sono economici rispetto agli RTD, in parte perché il materiale di scelta per gli RTD è il platino.

Sensibilità: tempo approssimativo necessario per passare da un valore di temperatura a un altro. Questo è il tempo, in secondi, necessario affinché un termistore raggiunga il 63,2% della differenza di temperatura tra la lettura iniziale e l'ultima.

Quali forme di termistore sono disponibili?

I sensori di temperatura a termistore sono disponibili in una varietà di forme (disco, chip, tallone o barra) e possono essere montati su superficie o integrati in un sistema. Possono essere incapsulati in resina epossidica, vetro, resina fenolica cotta o verniciati. La forma migliore dipende spesso dal materiale da monitorare, come un solido, liquido o gas.

Un chip termistore è normalmente montato su un circuito stampato. Esistono molte, diverse forme di termistori.

Scegli una forma che consenta il massimo contatto superficiale con il dispositivo di cui viene monitorata la temperatura. Qualunque sia il tipo di termistore, la connessione al dispositivo monitorato deve essere effettuata utilizzando una pasta con elevata conducibilità termica o un adesivo epossidico. È generalmente importante che questa pasta o colla non conduca elettricità.

Come funziona un termistore in un sistema controllato?

Il termistore viene utilizzato principalmente per misurare la temperatura di un dispositivo. In un sistema a temperatura controllata, il termistore è una parte piccola ma importante di un sistema più grande. Un regolatore di temperatura controlla la temperatura del termistore. Quindi dice a un riscaldatore o un refrigeratore quando accendersi o spegnersi, al fine di mantenere la temperatura della sonda.

La testina del sensore è fissata sulla piastra di raffreddamento che deve mantenere una temperatura specifica per raffreddare il dispositivo e i fili sono collegati al termoregolatore. Il termoregolatore è anche collegato elettronicamente al dispositivo Peltier, che riscalda e raffredda il dispositivo target. Il dissipatore di calore è fissato al dispositivo Peltier per facilitare la dissipazione del calore.

La posizione della sonda del termistore nel sistema influisce sia sulla stabilità che sull'accuratezza della misurazione del sistema di controllo. Per una migliore stabilità, il termistore deve essere posizionato il più vicino possibile al riscaldatore termoelettrico o resistivo. Per una migliore precisione, il termistore dovrebbe essere posizionato vicino al dispositivo che richiede il controllo della temperatura.

Idealmente, il termistore è integrato nel dispositivo, ma può anche essere fissato utilizzando pasta o colla termoconduttrice. Anche se è integrato un misuratore, i traferri devono essere eliminati con pasta termica o colla.

Quali sono i limiti di tensione superiore e inferiore all'ingresso del sensore di temperatura?

I limiti di tensione del sensore restituiti a un termoregolatore sono specificati dal produttore. Idealmente, selezionare un termistore e una combinazione di correnti di polarizzazione che producono una tensione all'interno dell'intervallo consentito dal termoregolatore.

Legge di Ohm

La tensione è collegata alla resistenza (legge di Ohm). Questa equazione viene utilizzata per determinare quale corrente di polarizzazione è richiesta. La legge di Ohm stabilisce che la corrente che passa attraverso un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla differenza potenziale tra i due punti e che, per questa corrente di polarizzazione, è scritto:

U = R x I

Où:

U è la tensione, in Volt (V)

I BIAS è la corrente, in Ampere o in Ampere (A)

I BIAS significa che la corrente è fissa

R è la resistenza, in Ohm (Ω)

Il controller produce una corrente di polarizzazione per convertire la resistenza del termistore in una tensione misurabile. Il controller accetterà solo un determinato intervallo di tensione. Ad esempio, se un intervallo del controller è compreso tra 0 e 5 V, la tensione del termistore non deve essere inferiore a 0,25 V in modo che il rumore elettrico di basso livello non interferisca con la lettura e non sia non più di 5 V per poter essere letto.

Esempi

Supponiamo che il controller sia in uso ATR121 e un termistore da 10 kΩ (B25 / 85: 3435K), come i sensori NTC universale impermeabile 10kOhm B3435 1500mm - Guilcor e che la temperatura che il dispositivo deve mantenere è di 20 ° C. Secondo la scheda tecnica, la resistenza è di 10 Ω a 000 ° C. Per determinare se il termistore può funzionare con il controller, è necessario conoscere l'intervallo utilizzabile correnti di polarizzazione. Usando la legge di Ohm per risolvere I, sappiamo quanto segue:

G / R = I BIAS
0,25 / 10 = 000 µA è il limite più basso dell'intervallo
5,0 / 126700 = 500 µA è il più alto

Sì, questo termistore funzionerà se la corrente di polarizzazione del regolatore di temperatura può essere impostata tra 25 µA e 500 µA.

Quando si seleziona un termistore e una corrente di polarizzazione, è meglio scegliere un sensore la cui tensione è al centro dell'intervallo. L'ingresso di ritorno del controller deve essere eccitato, derivato dalla resistenza del termistore.

Il modello più preciso utilizzato per convertire la resistenza dei termistori in temperatura è chiamato equazione di Steinhart-Hart.

Qual è l'equazione di Steinhart-Hart?

L'equazione di Steinhart-Hart è un modello che è stato sviluppato in un momento in cui i computer non erano onnipresenti e la maggior parte dei calcoli matematici venivano effettuati usando regole di scorrimento e altri strumenti matematici, come rispetto alle tabelle delle funzioni trascendentali. L'equazione è stata sviluppata come un metodo semplice per modellare le temperature dei termistori in modo semplice e preciso. L'equazione di Steinhart-Hart è la seguente:

1 / T = A + B (lnR) + C (lnR) 2 + D (lnR) 3 + E (lnR) 4 ...

Où:

T è la temperatura, in Kelvin (K, Kelvin = Celsius + 273,15),

R è la resistenza in T, in Ohm (Ω).

A, B, C, D ed E sono i coefficienti di Steinhart-Hart che variano in base al tipo. del termistore utilizzato e l'intervallo di temperatura rilevato.

In Napierian Natural Log o Log Base 2.71828

L'equazione standard di Steinhart-Hart utilizzata è la seguente:

1 / T = LA + B (lnR) + C (lnR) 3

Uno dei vantaggi dei programmi per computer è che le equazioni che avrebbero richiesto giorni o addirittura settimane per essere risolte vengono risolte in pochi istanti. Digita "Steinhart-Hart Equation Calculator" in qualsiasi motore di ricerca e vengono restituite pagine di collegamenti a calcolatrici online.

Come si usa l'equazione di Steinhart-Hart?

Questa equazione calcola con maggiore precisione la resistenza reale di un termistore in funzione della temperatura. Più stretto è il campo di temperatura, più preciso sarà il calcolo della resistenza. La maggior parte dei produttori di termistori fornisce i coefficienti A, B e C per un intervallo di temperatura tipico.

Chi sono Steinhart e Hart?

John S. Steinhart e Stanley R. Hart hanno sviluppato e pubblicato per la prima volta l'equazione di Steinhart-Hart in un articolo intitolato "Curve di calibrazione per termistori" nel 1968, mentre erano ricercatori della Carnegie Institution di Washington . Steinhart divenne in seguito professore di geologia e geofisica, poi studiò scienze marine all'Università del Wisconsin-Madison e Stanley R. Hart divenne ricercatore senior presso la Woods Hole Oceanographic Institution.

Conclusione

I sensori a termistore sono resistori dipendenti dalla temperatura che cambiano la resistenza al variare della temperatura. Sono molto sensibili e reagiscono a piccolissime variazioni di temperatura. Sono utilizzati al meglio quando è necessario mantenere una temperatura specifica e durante il monitoraggio di temperature entro 50°C dalla temperatura ambiente.

I misuratori a termistore, come parte di un sistema di controllo della temperatura, sono il modo migliore per misurare e controllare il riscaldamento e il raffreddamento di un dispositivo Peltier. La loro capacità di regolazione al minuto consente la massima stabilità del sistema. I termistori possono essere integrati o montati in superficie sul dispositivo che richiede il monitoraggio della temperatura. A seconda del tipo, possono misurare liquidi, gas o solidi.



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