Utilizarea termistorilor (termistori) pentru măsurarea temperaturii
Termistorii (termistorii) sunt rezistori a căror rezistență variază foarte mult cu temperatura. Termistoarele sunt realizate pe baza unui material semiconductor și au o caracteristică neliniară de volt-ampere. Termistorii cu un coeficient de temperatură pozitiv de rezistență (TCR) sunt numiți posistori. Datorită sensibilității la temperatură, termistorii sunt utilizați pentru măsurarea temperaturii și construirea sistemelor de control al temperaturii în echipamentele de procesare și de laborator.
Termorezistorii sunt fabricați pe bază de oxid de metal semiconductor, presați pentru a obține o formă predeterminată. Rezistența mecanică și protecția împotriva efectelor mediului sunt asigurate de o carcasă metalică sau de un strat izolator de protecție. Termistorii au o caracteristică non-liniară de curent și o sensibilitate foarte ridicată la temperatură în comparație cu alte tipuri de senzori de temperatură. Valoarea tipică a TCS pentru termistori este de -5% pe grad, în timp ce pentru traductorul termic platin (RTD) este de 0,4% pe grad.
Gama de temperatură tipică a termistorilor este destul de îngustă (-60 ± 150 ° C), pentru unele probe este extinsă la (-60,3 +300 C).
Dependența rezistenței termistorilor la temperatura de câțiva zeci de grade este descrisă în mod satisfăcător de funcția exponențială (Figura 1)
unde A este rezistența la o temperatură infinit de ridicată, B este coeficientul de sensibilitate la temperatură (valorile sale se situează de obicei în intervalul 1200-16000).
Din expresia (1) este posibil să se obțină o legătură între TCS a termistorului () și coeficientul de sensibilitate la temperatură în forma
Valoarea TCS este de obicei dată în manuale pentru o temperatură de 20 ° C (293 K).
Fig.1. Dependența rezistenței la temperatură pentru un termistor MMT-1 22Kom.
Când curentul trece prin termistor, acesta se încălzește, ceea ce mărește eroarea de măsurare. Prin urmare, atunci când selectați un termistor, trebuie luat în considerare coeficientul său de împrăștiere. care este definită ca puterea care duce la încălzirea termistorului cu 1 grad față de temperatura ambiantă. Pentru a reduce eroarea cauzată de încălzirea propriu-zisă a termistorului, este necesară creșterea suprafeței acestuia, dar aceasta duce la o creștere a inerției termice, caracterizată prin valoarea constantei de timp. Constanta de timp a unui termistor este egală cu timpul în care temperatura sa se schimbă cu un factor de e (cu 63%) atunci când termistorul este transferat din mediul de aer la o temperatură de 0 ° C. Celsius într-un mediu aerian cu o temperatură de 100 de grade. Valorile tipice ale constantelor de timp se situează în intervalul zecilor de secundă până la câteva minute.
Datorită puternicei neliniarități a dependenței de temperatură, termistorii nu pot fi utilizați fără compensare pentru liniarizarea lor (liniarizare). În acest scop, se folosesc funcții aproximative neliniare ale căror coeficienți sunt aleși prin metoda celor mai mici pătrate sau prin alte metode de identificare parametrică. Acest deficit al termistorilor le-a limitat foarte mult utilizarea până la apariția dispozitivelor de măsurare a temperaturii construite pe un computer. Folosirea unui calculator ușurează programarea nelinearității cu ușurință. Această caracteristică a sporit interesul față de utilizarea termistorilor în ultimii ani și a inițiat cercetări suplimentare în direcția îmbunătățirii stabilității, preciziei și interschimbabilității acestora.
Pentru a compensa neliniaritatea termistorilor, se folosește formula Steinhard-Hart:
unde temperatura este dată în grade Kelvin (K = C + 273,15); - rezistența termistorului. Coeficienții ecuației sunt aleși din starea celei mai bune aproximări față de dependența obținută experimental sau sunt furnizate de producătorul termistorului.
Circuitul de măsurare a temperaturii cu ajutorul unui termistor constă dintr-o sursă de curent și termistor în sine. Căderea de tensiune pe termistor este direct proporțională cu rezistența sa și este citită de un amplificator diferențial. Pentru a elimina efectul de interferență parazitară, amplificatorul trebuie să aibă un factor de atenuare a modului comun suficient de mare.
Un rezultat oarecum mai rău în ceea ce privește sensibilitatea la temperatură este furnizat de circuitele de măsurare în care curentul termistorului nu este stabilit dintr-o sursă de curent ideală, ci dintr-o sursă de tensiune printr-o rezistență conectată în serie.
Sensibilitatea circuitului de măsurare a temperaturii este proporțională cu curentul prin termistor. Prin urmare, acest curent ar trebui să fie ales cât mai mult posibil, dar astfel încât eroarea. efectul auto-încălzirii termistorului se afla în limite acceptabile. Supraîncălzirea termistorului cu 1 grad este cauzată de o putere egală cu coeficientul său de împrăștiere.
Coeficientul de dispersie depinde în mod esențial de conductivitatea termică a mediului în care este localizat termistorul (apă, aer, contact metalic) și, prin urmare, este necesar să se ia în considerare condițiile în care acesta este măsurat de producător. Atunci când se utilizează un termistor în alt mediu, este necesar să se măsoare mai întâi coeficientul de împrăștiere. De exemplu, dacă termistorul disipează puterea de 2 mW și coeficientul său de împrăștiere este de 10 mW / grad, atunci încălzirea de sine a termistorului va fi de 0,2 grade. Dacă eroarea de măsurare necesară trebuie să fie mai mică, curentul prin termistor ar trebui să fie redus, iar ecranarea cablurilor de transmisie curentă sa îmbunătățit, deoarece raportul curent-zgomot se deteriorează cu scăderea curentului.
Pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot, cu o îndepărtare semnificativă a senzorului de temperatură din sistemul de colectare a datelor, este utilizat un filtru trece-jos cu o bandă, care depinde de viteza de măsurare necesară și de inerția termică a senzorului de temperatură. Aplicațiile tipice sunt îndeplinite de un filtru de ordinul trei cu o lățime de bandă de 5 Hz, de exemplu, filtrul RL-8F3 din seria RealLab! .
Trimiteți-le prietenilor: