Термисторы с положительным температурным коэффициентом. Измерение температуры с помощью термистора NTC

Схемы для исследования варисторов

Схема на рис. 5.3.1 позволяет снять вольтамперные I = f(U) и ампер-температурные характеристики варисторов I = f(θ) . Величина напряжения источника питания Е и сопротивление нагрузки R H выбираются в зависимости от типа исследуемого варистора.

При исследовании температурных зависимостей варистор помещается в термостат.

Термистор (терморезистор ) – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием тепла, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения теплового облучения термистора (например, при изменении температуры окружающей среды). Наиболее широко применяются термисторы, основной особенностью которых является значительное уменьшение сопротивление с увеличением температуры, то есть термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами – увеличением концентрации носителей заряда, увеличением их подвижности или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

I. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа А III B V и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, когда концентрация носителей из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменение концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

, (6.1.1)

где В – коэффициент температурной чувствительности; R ¥ – постоянная, зависящая от материала и размеров термистора.

При неполной ионизации и отсутствии компенсации ,

где DE п – энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов).

Для скомпенсированного полупроводника при неполной ионизации примесей

.

При собственной электропроводности

,

где DE – ширина запрещённой зоны полупроводника.

II. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из поликристаллических окисных полупроводников – из оксидов так называемых металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана до цинка). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, то есть путём обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность окисных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании окисла в определённых условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких металлов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, мала. Поэтому все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур термистора.

Из-за сильного воздействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в окисном полупроводнике оказывается малой и экспериментально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивления термистора из окисного полупроводника оказывается такой же, как и у термисторов из ковалентных полупроводников (рис. 6.1.1), но коэффициент температурной чувствительности характеризует в этом случае изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.

III. В окислах ванадия V 2 O 2 и V 2 O 3 при температуре фазовых превращений (68 о С и –110 о С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.

6.2 .Характеристики и параметры термисторов прямого подогрева

Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопротивления от температуры. Пример температурной характеристики одного из термисторов приведён на рис. 6.2.1 .

Номинальное сопротивление термистора – это его сопротивление при определённой температуре (обычно 20 о С). Термисторы изготовляют с допустимым отклонением от номинального сопротивления ±20, 10 и 5 %. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких Ом до нескольких сотен килоОм.

Коэффициент температурной чувствительности В – это коэффициент в показателе экспоненты температурной характеристики термистора (1). Значение этого коэффициента, зависящее от свойств материала термистора, практически постоянно для данного термистора в рабочем диапазоне температур и для различных типов термисторов находится в пределах от 700 до 15 00 К. Коэффициент температурной чувствительности может быть найден экспериментально путём измерения сопротивления термистора при двух температурах Т о и Т по формуле

. (6.2.1)

Температурный коэффициент сопротивления термистора показывает относительное изменение сопротивление термистора при изменении температуры на один градус:

ТК .(6.2.2)

Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать индексом, указывающем температуру, при которой имеет место данное значение. Зависимость температурного коэффициента от температуры можно получить из уравнений (6.2.1) и (6.2.2):

ТК R = – B/T 2 (6.2.3)

Значение температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах (0,8¸6,0)×10 -2 К -1 .

Коэффициент рассеяния термистора Н численно равен мощности, рассеиваемой термистором при разности температур термистора и окружающей среды в один градус, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой

На рис.6.2.2. показаны статические вольтамперные характеристики термисторов. Линейность характеристик при малых токах и напряжения объясняется тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры. При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нём мощность повышает его температуру. Сопротивление термистора определяется, таким образом, суммарной температурой окружающей среды и температурой подогревателя термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и темпе-ратуры в соответствии с (6.2.2), линейность статической вольтамперной характеристики нарушается. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувст-вительности термистора может наблюдаться падающий участок статической вольт-амперной характеристики, то есть умень-шение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока.

Максимально допустимая температура термистора – это температура, при которой ещё не происходит необратимых изменений параметров и характеристик термистора. Максимально допустимая температура определяется не только свойствами исходных материалов термистора, но и его конструктивными особенностями.

Максимально допустимая мощность рассеяния термистора – это мощность, при которой термистор, находящийся в спокойном воздухе при температуре 20 о С, разогревается при прохождении тока до максимально допустимой температуры. При уменьшении температуры окружающего воздуха, а также при работе термистора в среда, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощность рассеяния может превышать максимально допустимое значение.

Коэффициент энергетической чувствительности термистора G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентом сопротивления соотношением G=H/ TK R.

Величина коэффициента энергетической чувствительности зависит от режима работы термистора, то есть будет различна в каждой точке статической вольтамперной характеристики.

Постоянная времени термистора – это время, в течение которого температура термистора уменьшиться на 63% (в е раз) по отношению к разности температур термистора и окружающей среды (например, при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120 о С в воздушную среду с температурой 20 о С). Тепловая инерционность термистора, характеризуемая его постоянной времени, определяется конструкцией и размерами термистора и зависит от теплопроводности среды, к которой находится термистор. Для разных типов термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140 с.

6.3. Термисторы косвенного подогрева

Термистор косвенного подогрева – это термистор, имеющий дополнительный источник тепла – подогреватель.

Конструктивное исполнение термисторов косвенного подогрева может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрев. Общим для всех конструкций термисторов косвенного подогрева является наличие у них электрически изолированных друг от друга цепей – управляющей и управляемой.

Кроме таких параметров, как номинальное сопротивление и коэффициент температурной чувствительности, термисторы косвенного подогрева имеют свои специфические характеристики и параметры.

Статические вольтамперные характеристики термистора косвенного подогрева снимают при различных токах через подогреватель. (рис 6.3.1.).

Подогревная характеристика – это зависимость сопротивления термистора косвенного подогрева от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки (рис. 6.3.2.).

Для получения наибольшей чувствительности термистора косвенного подогрева, то есть наибольшего изменения сопротивления, его следует использовать в режимах, при которых мощностью, выделяемой в самом термочувствительном элементе проходящим через него током, можно было пренебречь.

Коэффициент тепловой связи – это отношение мощности Р Т, необходимой для разогрева термочувствительного элемента до некоторой температуры при прямом нагреве, к мощности Р под, необходимой для разогрева до той же самой температуры при косвенном подогреве, то есть путём пропускания тока через подогреватель:

К= Р Т / Р под.

Обычно для определения коэффициента тепловой связи термистор косвенного подогрева разогревают до так называемого горячего сопротивления термистора при максимальной мощности, выделяемой в подогревателе. Коэффициент тепловой связи обычно находиться в пределах от 0,5 до 0,97, то есть меньше единицы, так как часть тепла, выделяемая подогревателем, неизбежно теряется. Термисторы косвенного подогрева в настоящее время практически не используются из-за их больших размеров, необходимости использования дополнительного источника питания для подогрева термистора, большой потребляемой мощности.

Схема для исследования термисторов прямого подогрева, приведенная на рис. 6.3.3, даёт возможность снять вольтамперные характеристики термисторов при разной температуре окружающей среды.

Напряжение на термистор подается от источника постоянного напряжения U блока питания. Напряжение плавно регулируется потенциометром R в блоке питания.

Доброго времени суток! Сегодня в этой статье будет простой способ проверки термистора . Наверное, всем радиолюбителям известно, что термисторы бывают двух типов NTC (Отрицательный температурный коэффициент) и PTC (Положительный температурный коэффициент). Как следует из их названий, сопротивление термистора NTC будет уменьшаться с повышением температуры , а сопротивление термистора PTC с ростом температуры - увеличится . Грубо проверить термисторы NTC и PTC можно с помощью любого мультиметра и паяльника .

Для этого нужно переключить мультиметр в режим измерения сопротивления и подключить его клеммы к выводам термистора (полярность не имеет значения). Запомните сопротивление и поднесите нагретый паяльник к термистору и в это же время смотрите за сопротивлением, оно должно увеличиваться, либо уменьшаться. В зависимости от того какого типа термистор перед вами PTC или NTC. Если все, так как описано выше - термистор исправен .

Теперь как это будет на практике, а для практики я взял первый попавшийся термистор это оказался NTC термистор MF72. Первым делом я подключил его к мультиметру, для того чтоб заснять процесс проверки и из-за отсутствия крокодильчиков на мультиметре, мне пришлось припаять к термистору провода и затем просто прикрутить к контактам мультиметра.

Как видно по фото при комнатной температуре сопротивление термистора 6.9 Ом, это значение вряд ли верное, так как светится индикатор разряженной батареи. Затем я поднес паяльник к термистору и немного дотронулся к выводу, чтоб быстрее передать тепло от паяльника к термистору.

Сопротивление начало не спеша уменьшаться и остановилось на значении 2 Ома, видимо при такой температуре паяльника это минимальное значение. Исходя из этого, я почти на все сто уверен, что данный термистор исправен.

Если изменение сопротивления будет не плавным или вообще не будет, каких-либо изменений значит, термистор не исправен.

Запомните это только грубая проверка . Для идеальной проверки вам нужно измерять температуру и соответствующее сопротивление термистора, затем эти значения сравнить с даташитом на данный термистор.

Термисторы что это такое

Термисторы и их применение

Термисторы — это по сути термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Слово «термистор» понятно само по себе: ТЕРМический резИСТОР –
устройство, сопротивление которого изменяется с температурой.

Термисторы являются в значительной степени нелинейными приборами и
зачастую имеют параметры с большим разбросом. Именно поэтому многие, даже
опытные инженеры и разработчики схем испытывают неудобства при работе с
этими приборами. Однако, познакомившись поближе с этими устройствами, можно
видеть, что термисторы на самом деле являются вполне простыми устройствами.

Вначале необходимо сказать, что не все устройства, изменяющие
сопротивление с температурой, называются термисторами. Например,
резистивные термометры, которые изготавливаются из маленьких катушек витой
проволоки или из напыленных металлических плёнок. Хотя их параметры зависят
от температуры, однако, они работают не так, как термисторы. Обычно термин
«термистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре
полупроводниковым устройствам.

Имеется два основных класса термисторов: с отрицательным ТКС
(температурным коэффициентом сопротивления) и с положительным ТКС.
Существуют два принципиально различных типа выпускаемых термисторов с
положительным ТКС. Одни изготавливаются подобно термисторам с отрицательным
ТКС, другие же делаются из кремния. Термисторы с положительным ТКС будут
описаны кратко, а основное внимание будет уделено боле распространенным
термисторам с отрицательным ТКС. Таким образом, если отсутствуют особые
указания, то речь будет идти о термисторах с отрицательным ТКС.

Термисторы с отрицательным ТКС являются высокочувствительными,
нелинейными устройствами с узким диапазоном, сопротивление которых
уменьшается при увеличении температуры. На рис.1 изображена кривая,
показывающая изменение сопротивления в зависимости от температуры и
представляющая собой типовую температурную зависимость сопротивления.
Чувствительность – приблизительно 4-5 %/оС. Имеется большой диапазон
номиналов сопротивлений, и изменение сопротивления может достигать многих
ом и даже килоом на градус.

Рис.1 Термисторы с отрицательным ТКС очень чувствительны и в значительной
Степени нелинейны. Rо может быть в омах, килоомах или
мегоомах:
1-отношение сопротивлений R/Rо; 2- температура в оС

По существу термисторы представляют собой
полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе порошков окислов
металлов (обычно окислов никеля и марганца), иногда с добавкой небольшого
количества других окислов. Порошкообразные окислы смешиваются с водой и
различными связующими веществами для получения жидкого теста, которому
придаётся необходимая форма и которое обжигается при температурах свыше
1000 оС.
Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и
подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпоксидной
смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус.

Имеется множество типов термисторов.
Термисторы имеют вид дисков и шайб диаметром от 2.5 до приблизительно 25.5
мм, форму стержней различных размеров.

Некоторые термисторы сначала изготавливаются в виде больших пластин,
а затем режутся на квадраты. Очень маленькие бусинковые термисторы
изготавливаются путем непосредственного обжигания капли теста на двух
выводах из тугоплавкого титанового сплава с последующим опусканием
термистора в стекло с целью получения покрытия.

Типовые параметры

Говорить «типовые параметры» — не совсем правильно, так как для
термисторов существует лишь несколько типовых параметров. Для множества
термисторов различных типов, размеров, форм, номиналов и допусков
существует такое же большое количество технических условий. Более того,
зачастую термисторы, выпускаемые различными изготовителями, не являются
взаимозаменяемыми.
Можно приобрести термисторы с сопротивлениями (при 25 oС —
температуры, при которой обычно определяется сопротивление термистора) от
одного ома до десяти мегоом и более. Сопротивление зависит от размера и
формы термистора, однако, для каждого определённого типа номиналы
сопротивления могут отличаться на 5-6 порядков, что достигается путём
простого изменения оксидной смеси. При замене смеси также и изменяется и
вид температурной зависимости сопротивления (R-T кривая) и меняется
стабильность при высоких температурах. К счастью термисторы с высоким
сопротивлением, достаточным для того, чтобы использовать их при высоких
температурах, также обладают, как правило, большей стабильностью.

Недорогие термисторы обычно имеют довольно большие допуски
параметров. Например, допустимые значения сопротивлений при 25 оС
изменяются в диапазоне от (20% до (5%. При более высоких или низких
температурах разброс параметров еще больше увеличивается. Для типового
термистора, имеющего чувствительность 4% на градус Цельсия, соответствующие
допуски измеряемой температуры меняются приблизительно от (5 о до (1,25
оС при 25 оС. Высокоточные термисторы будут рассматриваться в данной
статье ниже.

Ранее было сказано, что термисторы являются устройствами с узким
диапазоном. Это необходимо пояснить: большинство термисторов работает в
диапазоне от –80 оС до 150 оС, и имеются приборы (как правило, со
стеклянным покрытием), которые работают при 400 оС и больших температурах.
Однако для практических целей большая чувствительность термисторов
ограничивает их полезный температурный диапазон. Сопротивление типового
термистора может изменяться в 10000 или 20000 раз при температурах от –80
оС до +150 оС. Можно представить себе трудности при проектировании схемы,
которая обеспечивала бы точность измерений на обоих концах этого диапазона
(если не используется переключение диапазонов). Сопротивление термистора,
номинальное при нуле градусов, не превысит значения нескольких ом при
400 оС.

В большинстве термисторов для внутреннего подсоединения выводов
используется пайка. Очевидно, что такой термистор нельзя использовать для
измерения температур, превышающих температуру плавления припоя. Даже без
пайки, эпоксидное покрытие термисторов сохраняется лишь при температуре не
более 200 оС. Для более высоких температур необходимо использовать
термисторы со стеклянным покрытием, имеющие приваренные или вплавленные
выводы.

Требования к стабильности также ограничивают применение термисторов
при высоких температурах. Структура термисторов начинает изменяться при
воздействии высоких температур, и скорость и характер изменения в
значительной степени определяются оксидной смесью и способом изготовления
термистора. Некоторый дрейф термисторов с эпоксидным покрытием начинается
при температурах свыше 100 оС или около того. Если такой термистор
непрерывно работает при 150 оС, то дрейф может измеряться несколькими
градусами за год. Низкоомные термисторы (к примеру, не более 1000 Ом при 25
оС) зачастую ещё хуже – их дрейф может быть замечен при работе
приблизительно при 70 оС. А при 100 оС они становятся ненадёжными.

Недорогие устройства с большими допусками изготавливаются с меньшим
вниманием к деталям и могут дать даже худшие результаты. С другой стороны,
некоторые правильно разработанные термисторы со стеклянным покрытием имеют
прекрасную стабильность даже при более высоких температурах. Бусинковые
термисторы со стеклянным покрытием обладают очень хорошей стабильностью,
так же, как и недавно появившиеся дисковые термисторы со стеклянным
покрытием. Следует помнить, что дрейф зависит как от температуры, так и от
времени. Так, например, обычно можно использовать термистор с эпоксидным
покрытием при кратковременном нагреве до 150 оС без значительного дрейфа.

При использовании термисторов необходимо учитывать номинальное
значение постоянной рассеиваемой мощности. Например, небольшой термистор с
эпоксидным покрытием имеет постоянную рассеивания, равную одному милливатту
на градус Цельсия в неподвижном воздухе. Другими словами один милливатт
мощности в термисторе увеличивает его внутреннюю температуру на один градус
Цельсия, а два милливатта (на два градуса и так далее. Если подать
напряжение в один вольт на термистор в один килоом, имеющий постоянную
рассеивания один милливатт на градус Цельсия, то получится ошибка
измерения в один градус Цельсия. Термисторы рассеивают большую мощность,
если они опускаются в жидкость. Тот же вышеупомянутый небольшой термистор с
эпоксидным покрытием рассеивает 8 мВт/ оС, находясь в хорошо
перемешиваемом масле. Термисторы с большими размерами имеют постоянное
рассеивание лучше, чем небольшие устройства. Например термистор в виде
диска или шайбы может рассеивать на воздухе мощность 20 или 30 мВт/ оС
следует помнить, что аналогично тому, как сопротивление термистора
изменяется в зависимости от температуры, изменяется и его рассеиваемая
мощность.

Уравнения для термисторов

Точного уравнения для описания поведения термистора не существует, –
имеются только приближенные. Рассмотрим два широко используемых
приближенных уравнения.
Первое приближенное уравнение, экспоненциальное, вполне
удовлетворительно для ограниченных температурных диапазонов, в особенности
– при использовании термисторов с малой точностью.
Второе уравнение, называемое уравнением Стейнхарта-Харта, обеспечивает
прекрасную точность для диапазонов до 100 оС.
Сопротивление термистора с отрицательным ТКС уменьшается
приблизительно по экспоненте с увеличением температуры. В ограниченных
температурных диапазонах его R-T-зависимость достаточно хорошо описывается
следующим уравнением:

RT2=RT1 е ((I/T2 – I/T1),
Где Т1 и Т2 – абсолютные температуры в градусах Кельвина (оС +273) ;
RT1 и RT2 – сопротивления термистора при Т1 и Т2; (— константа,
определяемая путем измерения сопротивления термистора при двух известных
температурах.
Если (и RT1 известны, то это уравнение можно преобразовать и
использовать для вычисления температуры, измеряя сопротивление:
Бета является большим, положительным числом и имеет размерность в
градусах Кельвина. Типовые значения изменяются от 3000 до 5000 оК.
Изготовители часто включают значения для бета в спецификации, однако,
так как экспоненциальное уравнение является лишь приблизительным, значение
бета зависит от двух температур, использованных при его вычислении.
Некоторые изготовители используют значения 0 и 50 оС; другие – 25 и 75 оС.
Можно использовать другие температуры: можно вычислить самостоятельно
значение бета на основании таблиц зависимости сопротивления от температуры,
которые предлагает изготовитель. Уравнение, как правило согласуется с
измеренными значениями в пределах (1 оС на участке в 100 оС. Уравнение
нельзя использовать с достоверностью при температурах, сильно отличающихся
от тех, что были использованы для определения бета.
Перед тем, как перейти к уравнению Стейнхарта-Харта, рассмотрим два
других параметра, часто используемых для описания термисторов: альфа (() и
коэффициент сопротивления. Альфа просто определяется наклоном R-T- кривой,
то есть является чувствительностью при определенной температуре. Альфа
обычно выражается в «процентах на градус». Типовые значения изменяются от 3
% до 5 % оС. Так же, как и бета, альфа зависит от температур, при которых
она определяется. Её значение несколько уменьшатся при более высоких
температурах.
Под коэффициентом сопротивления подразумевается отношение
сопротивления при одной температуре к сопротивлению при другой, более
высокой температуре.
Для точных термисторов обычно имеется таблица значений сопротивления
(для каждого градуса) в зависимости от температуры, которая поставляется
изготовителем вместе с другой информацией. Однако иногда удобно иметь
точное уравнение при выполнении конструкторских расчетов или (особенно) при
использовании ЭВМ для пересчета сопротивления термистора в температуру.
Кроме как для очень узких диапазонов температур, экспоненциальное уравнение
с одним параметром не удовлетворительно – необходимо большее число
параметров.
Наилучшим приближенным выражением, широко используемым в настоящее
время, является уравнение Стейнхарта-Харта:

Где Т- абсолютная температура (в градусах Кельвина), R – сопротивление
термистора; а, b и с –экспериментально полученные константы.
Преобразование уравнения с целью выражения сопротивления в виде
функции температуры приводит к довольно громоздкому на вид выражению.
Однако, с ним легко обращаться при использовании ЭВМ или программируемого
калькулятора:

Необходимо отметить, что данные значения для альфа и бета не
относятся к параметрам альфа и бета, используемым в экспоненнциальном
уравнении с одним параметром.
Хотя уравнение Стейнхарта-Харта – более сложное, оно, как правило,
согласуется с реальными значениями в пределах нескольких тысячных градуса в
диапазонах до 1000 оС. Конечно, оно может быть настолько хорошим, если
только экспериментальные значения параметров термистора также точны.
Температуры с точностью до тысячных градуса можно получить только в
первоклассных лабораториях. Скорее пользователь согласится пользоваться
паспортными таблицами, чем захочет провести собственные измерения.
Для определения a, b и с необходимо знать точное сопротивление
термистора при трёх температурах и подставить каждый набор данных (R и Т)
в уравнение Стейнхарта-Харта для определения трех неизвестных. Затем
необходимо использовать математические средства для одновременного решения
трёх уравнений и получения значений трёх констант. При использовании
паспортных таблиц нужно выбирать значения R в зависимости от Т на краях и в
середине температурного диапазона, который будет использоваться.
Изготовители обычно не указывают паспортные значения для этих констант, так
как эти значения изменяются в зависимости от используемого температурного
диапазона.

Прецизионные термисторы

Параметры обычных термисторов указываются только с отклонениями от +-
5% до +-20 % при 25 оС, а при других температурах допуски увеличиваются.
Однако при соответствующем контроле над технологией и измерениях можно
получить значительно более высокую точность. Имеется три типа точных
термисторов: прецизионные взаимозаменяемые дисковые термисторы,
прецизионные бусинковые термисторы и согласованные бусинковые пары. Точные
термисторы обеспечивают электронную калибровку измерительных инструментов,
не требуя точных нагревательных приборов. Взаимозаменяемые термисторы также
позволяют заменить термистор без повторной калибровки электронных схем.

Прецизионные взаимозаменяемые дисковые термисторы изготавливаются при
тщательном контроле и изменении R-T – параметров и стабильности оксидной
смеси. Смеси, которые не удовлетворяют строгим требованиям, не
используются. Термисторы смешиваются, формируются и обжигаются при помощи
обычных технологий. Затем каждый термистор опускается в жидкостную ванну
при тщательно контролируемой температуре для доводки сопротивления до
номинального значения. Перед отправкой параметры каждого термистора
измеряются при двух или трёх температурах, и, если они не соответствуют
паспортным, термистор бракуется.

Можно приобрести готовые, стандартизованные термисторы с допусками (0,2
оС или (0,1 оС в диапазоне 0 -70 оС и меньшей точностью при –80 оС и +150
оС. Имеются специальные высокостабильные дисковые термисторы со стеклянным
покрытием, имеющие допуски не свыше 0,05 оС. Данные высокоточные,
взаимозаменяемые термисторы выпускаются только в виде дисков или квадратов
небольшого размера, покрытых эпоксидной смолой или (для более высокой
стабильности) стеклом. Несколько изготовителей предлагают некоторые или все
из перечисленных ниже номиналов (при 25 оС): 100, 300, и 500 Ом; 1.0,
2.252, 3.0, 5.0, 10.0, 30.0, 50.0 ,100.0 и 300.0 килоом и 1 мегаом.
Термисторы с номиналами 2,252; 3,0; и 5,0 килоом взаимозаменяемы для
различных изготовителей; другие термисторы, как правило, — нет. Имеется
большое количество температурных датчиков, в которых используется термистор
с номиналом 2.252 Ком.

Бусинковые термисторы могут быть очень точными и стабильными, однако
их малый размер и способы изготовления делают невозможной доводку до
точного значения. Если пользователю необходимо выполнять точные измерения
при помощи бусинковых термисторов (которые имеют наиболее малые размеры и
наилучшие возможности работы при высоких температурах), он может попросить
изготовителя провести изменения и напечатать значения R-T — кривой для
каждого термистора. Или же можно указать термисторы, выбранные из ряда
номиналов и имеющие определенный допуск при некоторой температуре.

Другим способом, при помощи которого изготовители обеспечивают точность
и взаимозаменяемость, является постоянное измерение параметров каждого
термистора и последующее соединение выбранных согласованных пар параллельно
или последовательно с целью обеспечения кривой определённой формы.

Температурные характеристики

Термисторы – это резисторы, и они подчиняются закону Ома (E=IxR) –
если не изменяется их температура. Следует помнить, что достаточно лишь
нескольких милливатт мощности для того. Чтобы увеличить температуру
термистора на один градус и более, и что сопротивление уменьшается
приблизительно на 4% на градус Цельсия. Если к термистору подключить
источник тока и медленно увеличивать ток, то будет видно, что напряжение
увеличивается все более и более медленно, так как сопротивление термистора
уменьшается. Очевидно, что напряжение совсем перестанет увеличиваться и
затем практически начнет уменьшаться при дальнейшем увеличении тока. На
графике на рис. 4 представлены типовые вольт-амперные кривые. При малом
токе и малой мощности кривая соответствует линии постоянного сопротивления,
свидетельствуя о том, что термистор нагревается слабо. При увеличении
мощности видно, что сопротивление термистора начинает падать. В области
большой мощности термистор в некотором смысле, работает, как отрицательное
сопротивление, то есть напряжение на нем уменьшается при увеличении тока.

Использование термисторов

Термисторы находят применение во многих областях. Практически ни одна
сложная печатная плата не обходится без термисторов. Они используются в
температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с
температурными режимами, электронике.
В противопожарной технике существуют стандартные температурные
датчики. Подобный датчик содержит два термистора с отрицательным
температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в белом
поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу - открытый термистор, он
быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой
термистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры
медленнее.

При стабильных условиях оба термистора находятся в термическом
равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если
температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого
термистора становится меньше, чем сопротивление закрытого термистора.
Отношение сопротивлений термисторов контролирует электронная схема, и если
это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она
выдает сигнал тревоги. В дальнейшем такой принцип действия будет
называться “реакцией на скорость повышения температуры”. Если температура
воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений термисторов
незначительно. Однако, эта разница становится выше, если соединить
последовательно с закрытым термистором резистор с высокой температурной
стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого термистора и
стабильного резистора и сопротивления открытого термистора превышает
порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при
достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания
температуры.

Таким образом, термисторы повсеместно используются во многих
приборах, окружающих нас.

Список литературы

Шашков А.Г., Терморезисторы и их применение. М.1967.

Термоэлектрические измерительные преобразователи. Лекция по курсу
«Электрические измерения механических величин». Ростов – на – Дону.1977

Сэми К. Измерительные термопары и терморезисторы. Перевод из журнала
Отомэсён 1988. Т.33. №5.

Поделитесь ссылкой на книгу со своими друзьями:

Послать ссылку на эту книгу другу по ICQ или E-Mail:

Разместить у себя на ресурсе или в ЖЖ:

Узнайте о термисторах и о том, как запрограммировать Arduino для измерения их данных.

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как некоторые устройства, такие как термостаты, нагревательные площадки 3D принтеров, автомобильные двигатели и печи измеряют температуру? В этой статье вы можете это узнать!

Знать температуру может быть очень полезно. Знание температуры может помочь регулировать температуру в помещении до комфортного значения, гарантировать, что нагревательная площадка 3D принтера была достаточно горячей, чтобы такие материалы, как ABS, прилипали к ее поверхности, а также предотвратить перегрев двигателя или не допустить сжигания приготавливаемой еды.

В данной статье мы рассматриваем только один тип датчика, способного измерять температуру. Этот датчик называется термистором.

Термистор обладает сопротивлением, которое намного сильнее зависит от температуры, чем сопротивление других типов резисторов.

Мы буде использовать Arduino для измерения и обработки показаний термистора, после чего мы преобразуем эти показания в удобный для чтения формат единиц измерения температуры.

Ниже приведена фотография термистора, который мы собираемся использовать:

Необходимые компоненты

Комплектующие

• Arduino (Mega или Uno или любая другая модель);
• несколько перемычек;
• паяльник и припой (возможно, понадобится, если ваш термистор не будет влезать в разъемы на плате Arduino).

Программное обеспечение

• Arduino IDE

Теория

При типовом использовании резистора вы не хотите, чтобы его сопротивление менялось при изменении температуры. Это не реально в реальной жизни, можно лишь обеспечить небольшое изменение сопротивления при большом изменении температуры. Если бы это было не так, то резисторы странно влияли бы на работу схем, например, светодиод мог бы светиться намного ярче или тусклее по мере изменения температуры окружающей среды.

Но что, если вы действительно хотите, чтобы яркость светодиода была функцией температуры? Здесь появляется термистор. Как вы могли догадаться, у термистора сопротивление сильно изменяется при небольшом изменении температуры. Чтобы проиллюстрировать это, ниже приведена кривая изменения сопротивления термистора:

На рисунке показаны лишь единицы измерения без фактических значений, так как диапазон сопротивлений зависит от типа конкретного термистора. Как вы можете заметить, по мере увеличения температуры сопротивление терморезистора уменьшается. Это является отличительным свойством резистора с отрицательным температурным коэффициентом (Negative Temperature Coefficient), или, кратко, NTC термистора.

Существуют также терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (Positive Temperature Coefficient, PTC), сопротивление которых увеличивается по мере роста температуры. Однако, PTC термисторы имеют своего рода точку перелома и сильно меняют сопротивление при некоторой температуре. Это делает взаимодействие с PTC термисторами чуть более сложным. По этой причине в большинстве дешевых измерителей температуры предпочтительнее использовать NTC термисторы.

В оставшейся части статьи, как вы можете догадаться, мы будем говорить о терморезисторах типа NTC.

Четыре подхода к нахождению формулы для построения кривой

Теперь, когда мы лучше понимаем поведение термисторов, вы можете удивиться, как мы можем использовать Arduino для измерения температуры. Кривая на графике выше нелинейна и, следовательно, простое линейное уравнение нам не подходит (на самом деле мы можем вывести уравнение, но об этом позже).

Так что же делать?

Прежде чем продолжить, подумайте, как бы вы это сделали на Arduino или даже в схеме без микропроцессорных компонентов.

Существует несколько способов решения этой проблемы, которые перечислены ниже. Это далеко не полный список всех методик, но он покажет вам некоторые популярные подходы.

Метод 1

Некоторые производители предоставляют настолько полную информацию, что в ней содержится весь график, отображающий определенные диапазоны целочисленных значений температуры и сопротивления (типовые значения). Один такой термистор может быть найден в техническом описании от компании Vishay .

Как, имея такие подробные данные, можно было бы реализовать измерение температуры на Arduino. Вам нужно было бы жестко прописать в коде все эти значения в огромной таблице поиска или очень длинных структурах управления " switch...case " или " if...else ".

А если производитель не удосужился предоставить подробную таблицу, то вам придется самостоятельно измерить каждую точку для формирования такой таблицы. Этот день будет для программиста довольно уныл. Но этот метод не так уж и плох и имеет место в использовании. Если текущий проект проверяет лишь несколько точе или даже небольшой диапазон, этот способ может быть предпочтительным. Например, одна такая ситуация возникает, если вы хотите измерить, находятся ли значения выбранных диапазонах температур, и зажечь светодиод для индикации этого состояния.

Но в нашем проекте мы хотим измерять температуру в почти непрерывном диапазоне и отправлять показания на монитор последовательного порта, поэтому этот метод использовать не будем.

Метод 2

Вы можете попытаться «линеаризовать» реакцию термистора, добавив к нему дополнительную схему.

Одним из популярных способов выполнения этого является подключение резистора параллельно термистору. Некоторые микросхемы предлагают сделать это за вас.

Определение того, как выбрать и линеаризовать участок кривой, вместе с выбором правильного номинала резистора - это тема для отдельной статьи. Этот подход хорош, если микропроцессор не может вычислять выражения с плавающей запятой (например, PICAXE), поскольку он упрощает реакцию в некотором диапазоне температур до линейного характера. Это также упрощает проектирование схемы, в которой нет микропроцессора.

Но у нас в этой статье микропроцессор используется, и мы хотим измерять температуру во всем диапазоне.

Метод 3

Вы можете взять данные из таблицы в техническом описании или (если нравятся извращения) сформировать собственную таблицу, выполнив самостоятельные измерения и воссоздав график в чем-то типа Excel. Затем вы можете использовать функцию подгонки кривой для создания формулы этой кривой. Это неплохая идея, и вся выполненная работа даст красивую формулу, которую вы сможете использовать в программе. Но это займет некоторое время для предварительной обработки данных.

Хотя это разумный подход, мы не хотим зависеть от анализа всех этих данных. Кроме того, каждый термистор немного отличается (но, конечно, это не проблема, если допуск довольно низок).

Метод 4

Оказывается, есть общая формула для подгонки кривой, предназначенная для устройств типа термисторов. Она называется уравнением Штейнхарта-Харта. Ниже представлена его версия (в других версиях используются члены во второй и степени):

\[\frac{1}{T}=A+B\ln(R)+C(\ln(R))^3\]

где R - сопротивление терморезистора при температуре T (в Кельвинах).

Это общее уравнение кривой, подходящее для всех типов NTC термисторов. Аппроксимация связи температуры и сопротивления «достаточно подходит» для большинства применений.

Обратите внимание, что уравнение нуждается в константах A, B и C. Для разных термисторов они различаются и должны быть либо заданы, либо вычислены. Поскольку мы имеем три неизвестных, вам необходимо выполнить три измерения сопротивления при определенных температурах, которые затем могут быть использованы для создания трех уравнений и определения значений этих констант.

Даже для тех из нас, кто хорошо знают алгебру, это всё еще слишком трудоемко.

Вместо этого, есть еще более простое уравнение, которое менее точно, но содержит только одну константу. Эта константа обозначена как β, и поэтому уравнение называется β-уравнением.

\[\frac{1}{T}=\frac{1}{T_o}+(\frac{1}{\beta})\cdot\ln\left(\frac{R}{R_o}\right)\]

где R 0 - сопротивление при контрольной температуре T 0 (например, сопротивление при комнатной температуре). β обычно указывается в техническом описании; а если нет, то вам необходимо только одно измерение (одно уравнение) для расчета этой константы. Это уравнение я буду использовать для взаимодействия с нашим термистором, поскольку оно является самым простым из тех, с которыми я столкнулся, и не нуждается в линеаризации реакции термистора.

Измерение сопротивления с помощью Arduino

Теперь, когда мы выбрали метод построения кривой, мы должны выяснить, как реально измерить сопротивление с помощью Arduino, прежде чем мы сможем передать информацию о сопротивлении в β-уравнение. Мы можем сделать это используя делитель напряжения:

Это будет наша схема взаимодействия с термистором. Когда термистор определит изменение температуры, это отразится на выходном напряжении.

Теперь, как обычно, мы используем формулу для делителя напряжения.

Но нам неинтересно выходное напряжение V выход, нас интересует сопротивление термистора R термистор. Поэтому мы выразим его:

Это намного лучше, но нам необходимо измерить наше выходное напряжение, а также напряжение питания. Так как мы используем встроенный АЦП Arduino, то можем представить напряжение, как числовое значение на определенной шкале. Итак, конечный вид нашего уравнения показан ниже:

Это работает потому, что не имеет значения, как мы представляем напряжение (в вольтах или в цифровых единицах), эти единицы сокращаются в числителе и знаменателе дроби, оставляя безразмерное значение. Затем мы умножаем его на сопротивление, чтобы получить результат в омах.

D max у нас будет равно 1023, так как это самое большое число, которое может выдать наш 10-разрядный АЦП. D измеренное - это измеренное значение аналого-цифровым преобразователем, которое может быть в диапазоне от нуля до 1023.

Всё! Теперь можно приступить к сборке!

Соберем это

Я использовал термистор TH10K.

Также я использовал резистор 10 кОм в качестве R баланс в нашем делителе напряжения. Константы β у меня не было, поэтому я рассчитал ее сам.

Ниже приведена полная схема устройства. Она довольно проста.

А так выглядит конечный макет:

Код программы для Arduino

Код снабжен большим количеством комментариев, чтобы помочь вам понять логику программы.

В основном он измеряет напряжение на делителе, вычисляет температуру, а затем показывает ее в терминале последовательного порта.

Для забавы добавлены также некоторые операторы " if...else ", чтобы показать, как вы можете действовать в зависимости от диапазона температур.

//=============================================================================== // Константы //=============================================================================== // Связанные с термистором: /* Здесь у нас несколько констант, которые упрощают редактирование кода. Пройдемся по ним. Чтение из АЦП может дать одно значение при одной выборке, а затем немного отличающееся значение при следующей выборке. Чтобы избежать влияния шумов, мы можем считывать значения с вывода АЦП несколько раз, а затем усреднять значения, чтобы получить более постоянное значение. Эта константа используется в функции readThermistor. */ const int SAMPLE_NUMBER = 10; /* Чтобы использовать бета уравнение, мы должны знать номинал второго резистора в нашем делителе. Если вы используете резистор с большим допуском, например, 5% или даже 1%, измерьте его и поместите результат в омах сюда. */ const double BALANCE_RESISTOR = 9710.0; // Это помогает вычислять сопротивление термистора (подробности смотрите в статье). const double MAX_ADC = 1023.0; /* Эта константа зависит от термистора и должна быть в техническом описании, или смотрите статью, как рассчитать ее, используя бета-уравнение. */ const double BETA = 3974.0; /* Необходима для уравнения преобразования в качестве "типовой" комнатной температуры. */ const double ROOM_TEMP = 298.15; // комнатная температура в Кельвинах /* Термисторы обладают типовым сопротивлением при комнатной температуре, укажем его здесь. Опять же, необходимо для уравнения преобразования. */ const double RESISTOR_ROOM_TEMP = 10000.0; //=============================================================================== // Переменные //=============================================================================== // Здесь мы будем хранить текущую температуру double currentTemperature = 0; //=============================================================================== // Объявления выводов //=============================================================================== // Входы: int thermistorPin = 0; // Вход АЦП, выход делителя напряжения //=============================================================================== // Инициализация //=============================================================================== void setup() { // Установить скорость порта для отправки сообщений Serial.begin(9600); } //=============================================================================== // Основной цикл //=============================================================================== void loop() { /* Основной цикл довольно прост, он печатает температуру в монитор последовательного порта. Сердце программы находится в функции readThermistor. */ currentTemperature = readThermistor(); delay(3000); /* Здесь описываем, что делать, если температура слишком высока, слишком низка или идеально подходит. */ if (currentTemperature > 21.0 && currentTemperature < 24.0) { Serial.print("It is "); Serial.print(currentTemperature); Serial.println("C. Ahhh, very nice temperature."); } else if (currentTemperature >= 24.0) { Serial.print("It is "); Serial.print(currentTemperature); Serial.println("C. I feel like a hot tamale!"); } else { Serial.print("It is "); Serial.print(currentTemperature); Serial.println("C. Brrrrrr, it"s COLD!"); } } //=============================================================================== // Функции //=============================================================================== ///////////////////////////// ////// readThermistor /////// ///////////////////////////// /* Эта функция считывает значения с аналогового вывода, как показано ниже. Преобразует входное напряжение в цифровое представление с помощью аналого-цифрового преобразования. Однако, это выполняется несколько раз, чтобы мы могли усреднить значение, чтобы избежать ошибок измерения. Это усредненное значение затем используется для расчета сопротивления термистора. После этого сопротивление используется для расчета температуры термистора. Наконец, температура преобразуется в градусы Цельсия. */ double readThermistor() { // переменные double rThermistor = 0; // Хранит значение сопротивления термистора double tKelvin = 0; // Хранит рассчитанную температуру double tCelsius = 0; // Хранит температуру в градусах Цельсия double adcAverage = 0; // Хранит среднее значение напряжения int adcSamples; // Массив для хранения отдельных результатов // измерений напряжения /* Рассчитать среднее сопротивление термистора: Как упоминалось выше, мы будем считывать значения АЦП несколько раз, чтобы получить массив выборок. Небольшая задержка используется для корректной работы функции analogRead. */ for (int i = 0; i < SAMPLE_NUMBER; i++) { adcSamples[i] = analogRead(thermistorPin); // прочитать значение на выводе и сохранить delay(10); // ждем 10 миллисекунд } /* Затем мы просто усредняем все эти выборки для "сглаживания" измерений. */ for (int i = 0; i < SAMPLE_NUMBER; i++) { adcAverage += adcSamples[i]; // складываем все выборки. . . } adcAverage /= SAMPLE_NUMBER; // . . . усредняем их с помощью деления /* Здесь мы рассчитываем сопротивление термистора, используя уравнение, описываемое в статье. */ rThermistor = BALANCE_RESISTOR * ((MAX_ADC / adcAverage) - 1); /* Здесь используется бета-уравнение, но оно отличается от того, что описывалось в статье. Не беспокойтесь! Оно было перестроено, чтобы получить более "красивую" формулу. Попробуйте сами упростить уравнение, чтобы поупражняться в алгебре. Или просто используйте показанное здесь или то, что приведено в статье. В любом случае всё будет работать! */ tKelvin = (BETA * ROOM_TEMP) / (BETA + (ROOM_TEMP * log(rThermistor / RESISTOR_ROOM_TEMP))); /* Я буду использовать градусы Цельсия для отображения температуры. Я сделал это, чтобы увидеть типовую комнатную температуру, которая составляет 25 градусов Цельсия. */ tCelsius = tKelvin - 273.15; // преобразовать кельвины в цельсии return tCelsius; // вернуть температуру в градусах Цельсия }

Возможные следующие шаги

Всё в данной статье показывает довольно простой способ измерения температуры с помощью дешевого термистора. Есть еще пара способов улучшить схему:

• добавить небольшой конденсатор параллельно выходу делителя. Это стабилизирует напряжение и может даже устранить необходимость усреднения большого количества выборок (как было сделано в коде) - или, по крайней мере, мы сможете усреднять меньшее количество выборок;
• использовать прецизионные резисторы (допуск меньше 1%), чтобы получить более предсказуемые измерения. Если вам критична точность измерений, имейте в виду, что самонагревание термистора может повлиять на измерения; в данной статье самонагрев не компенсируется.

Конечно, термисторы - это только один из датчиков, используемых для измерения температуры. Другой популярный выбор - это микросхемы датчиков (пример работы с одной из них описан ). В этом случае вам не придется иметь дело с линеаризацией и сложными уравнениями. Два других варианта - это термопара и инфракрасный тип датчика; последний может измерять температуру без физического контакта, но он уже не так дешев.

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!