NTC-датчики с резисторами, с сопротивлением особо чувствительным к температуре, распространенные из-за простоты, дешевизны, эффективности. Negative Temperature Coefficient означает, что при повышении t° сопротивление сенсора понижается. Изделие ставят везде, где необходимо отследить температуру, в устройствах, зависящих от нее: холодильники, стиралки, бойлеры, теплые полы. Термодатчики используют для самоделок, например на Arduino. Оборудование улавливает сигнал от сенсора НТЦ и срабатывает по настройкам. Рассмотрим принцип работы, виды, характеристики и возможности NTC детекторов и термисторов, где используются, как рассчитать, подобрать.
Понятие NTC температурных датчиков
При обычном применении резисторов не нужно, чтобы их сопротивление (R) менялось с изменением температуры. Зависимость минимальная, иначе элемент влиял бы на схему, например, диод не контролировано менял бы интенсивность свечения. Но если требуется, чтобы его яркость была функцией температуры, то применяют термистор — резистор, сопр. которого чувствительное даже к небольшим сдвигам t°. Такое свойство отображается основной характеристикой — кривой графика зависимости R/T.
Negative Temperature Coefficient — «отрицательный (минусовый) коэффициент t°», он же NTC. Это наиболее часто встречающийся тип температурных сенсоров, так как они дешевле всех прочих, с хорошей эффективностью, достаточной для большинства приборов.
Преимущества, сравнение с иными термодатчиками
Достоинства:
- значительная крутизна кривой R/T, малые отклонения от номиналов, что свидетельствует о хорошей сенситивности;
- минимальное время отклика;
- значительные величины ТКС, то есть большая чувствительность, увеличенная степень изменения R в зависимости от t° (порядка 2–10 % на Кельвин);
- сопротивление демонстрирует большое, точное, прогнозируемое уменьшение по мере роста рабочих температур на ядре резистора;
- чрезвычайная компактность, терморезисторы подойдут на любые платы, даже на пространства, измеряющиеся в мм (есть типоразмеры в виде бусинок), поэтому датчики с ними компактные;
- лучшая прочность, надежность, стабильность, приспособленность для экстремальных сред, помехоустойчивость в своих рабочих диапазонах;
- экономичность, менее трудозатратные в обслуживании. Если кривая правильная, то калибровки не потребуется при монтаже и на всем сроке эксплуатации;
- по кривой легко узнать нужное сопротивление при конкретной температуре.
Преимущества и недостатки:
| По сравнению с RTD | По сравнению с термопарами | ||
| Недостатки | Достоинства | Достоинства | Недостатки |
| менее точные (но не намного)диапазон по t° меньше, чем у RTD | отклик быстрее | точность аналогичная при наличии иных плюсов | Меньший диапазон, термопары работают с t° выше (+600° C) |
| большая сенситивность, стабильность, корректность в своих рабочих рамках; | |||
| простая эксплуатация, что снижает цену, не требуются усилители, интерпретаторы и прочее | |||
| меньший, удобный размер | |||
| низкая стоимость (один их главных плюсов) | |||
| стойкость к ударам, вибрациям выше | |||
Коэффициенты параметров, токоограничивающие свойства лучше в несколько раз, чем у термодатчиков из Si. На порядок выше (от 10 раз), чем у RTD (металлические термодетекторы).
Если сравнивать с RTD (платиновыми), то линия R/T более крутая, что отображает лучшую сенситивность. Но все-таки первые наиболее точные (±0.5 % от замеряемой t°) и они лучшие для границ −200…+800° C, что шире, чем у NTC, но преимущество последних в дешевизне и простоте.
Стандартные параметры NTC температурных датчиков
Типичные характеристики NTC детекторов:
- диапазон -50…+200° C;
- значения сенситивности -3…-6% на 1° C.
Принцип работы
Сплав датчика изменяет токопроводимость при различной t°. Сопротивление при ее росте падает, при понижении — растет. Меняются электропараметры, что и регистрирует схема.
Микроконтроллер обслуживаемого прибора на основе полученных данных, учитывая спецификацию детектора, вычисляет сдвиги t°. Затем подает сигнал исполнительному узлу (реле, системе нагревателя, охлаждения) для действий при том или ином уровне t°.
Пример: учитывая описанный алгоритм на входе компаратора термостата, настроенного по температурной характеристике, происходит управление напряжением, оно претерпевает изменения.
Сами по себе датчик NTC не электронное устройство, он только фиксирует. В основе — нелинейная зависимость сопр. резистора от t° среды. Схема работы может быть и проще: простой вывод на табло значений или реле может реагировать сразу.
Сенсоры чувствительные к электромагнитным излучениям, полям, поэтому их экранируют или монтируют на отдалении от источников таких явлений (силовые провода).
Чем отличаются от термопар
Не надо путать NTC c термопарами: хотя задачи схожие и есть связь с электропараметрами, принцип разный. У первых основывается на изменении сопротивления чувствительной части, у вторых — на изменяющейся при трансформациях температуры разности потенциалов, создающейся двумя сегментами из разных сплавов с разными электросвойствами.
Сенсор NTC из одного цельного кусочка сплава, а термопара — из двух металлов, и измерения базируются именно на трансформациях его сопротивления, а не на разности потенциалов.
Устройство термодатчиков и терморезисторов NTC
Другие названия — датчики резистивные, термисторы, термические или терморезисторы, датчики НТЦ (NTC) температуры или термометры сопротивления (но именно с NTC термистором, не путать с RTD и изделиями с другими чувствительными частями).
Сенсор NTC состоит из резистивного (чувствительного) сегмента — терморезистора и проводков (ножек) для подачи тока на него.
Термистор изготавливается порошковым способом, запеканием.
Материалы: оксиды, галогениды, халькогениды. Используются полупроводники (часто полимерные), они сами по себе с ТКС «−». Для корпуса, наружного покрытия — керамика, стекло, эпоксидка.
Типоразмеры
Типоразмеры самих термисторов: стержни, трубочки, диски, бусинки, пластинки, капли, таблетки. Размеры 1–10 мкм до нескольких мм и 1 см.
Есть также SMD форматы, микропрямоугольнички.
Сразу различим именно датчики как готовые к применению изделия и сами «голые» терморезисторы.
Датчики как приборы могут выполняться в любых формах, корпусах по решению производителя, например, щупы, зонды, «фишки» с разъемами, в водостойком корпусе, с резьбой, на длинном кабеле.
Датчики как готовые приборы
Автомобильные:
Накладные. На поверхность конструкций. Примеры: T2C-NTC 10K для −50…+150° C; ALTF02 S+S для снятия данных с твердых объектов (труб).
Канальные, погружные. Для полостей. T3-NTC 10K с кабелем 30 см, для +50…−50° C; T2I-NTC 10K, 6.5 см, −50…+150° C; TF43T и TM54 для жидкостей в трубах, емкостях.
Наружные. Для погодно-зависимых комплексов, на внешние стены (ATF01 S+S Regeltechnic).
Комнатные. Для внутренних помещений, квартир, офисов.
Многофункциональные. Совмещают иные сенсоры, Исследуют не только температуру, но и давление, плотность и прочее.
Бусинковые
Бисер, шарик, капля, Ø 0.075 до 5 мм. Из свинцовых проводков, сплава с платиной, спекаемых в керамической, стеклокерамической оболочке. Лучший отклик и стабильность, их рабочие температуры выше, чем у дисковых вариантов и чипов.
Минусы: хрупкость выше, нет взаимозаменяемости, требуют индивидуальных градуировок. Нет точных стандартов для их номиналов по отношению R/T.
Диски, пластинки, чипы, трубки
Изделия в форме диска с поверхностными контактами. Форма габаритнее, реакция медленнее, чем у шариков. Но из-за увеличенных габаритов обладают хорошей диссипацией (мощностью для роста t° на 1 градус). Так как рассеиваемая энергия пропорциональная к квадрату тока, лучше работают с высокими токами, чем шарики.
Дисковые изготовляются прессовкой порошкоподобных оксидов в круглую матрицу, затем спекаются. Чипы — литьем под давлением, суспензия распределяется толстым шаром, затем производят сушку, разрезание. Габариты Ø 0.25…25 мм.
Взаимозаменяемые, но есть погрешности, минимально допустимым отклонением считается не менее 0.05° C в рамках 0…+70 °C. Стандартный термистор на 10 кОм в границах 0…+100 обладает коэффициентами близкими к таким:
Термистор в виде трубки:
Инкапсулированные
Инкапсулированные напоминают пластинки, таблетки, могут быть схожие с иными типами. Особенность в их покрытии — оно особо герметичное, воздухонепроницаемое (пузырь, капсула, контейнер), из стекловолокна. Для высоких температур, от +150° C, для плат, где требуется особая прочность. Такое исполнение увеличивает стабильность, защиту, Ø 0.4…10 мм.
Температурные детекторы NTC и PTC
Есть два типа термисторов: отличается направление зависимости R от температуры, механизм ТКС. Слово перед сокращением фразы «Temperature Coefficient» отображает данный нюанс:
- Negative. NTC, рассматриваемые нами. С отрицательным t° коэфф. С ростом температуры падает сопр.;
- Positive, PTC. Второе название позисторы. С положительным t° коэфф. R увеличивается.
Для NTC терморезисторов используют смеси многокристаллических оксидов переходных металлов (MnO, СoOx, NiO и CuO), полупроводников определенных типов (A, B), и стеклоподобных (Ge и Si). А PTC (позисторы) состоят из твердых веществ, основанных на BaTiO₃, данный сплав имеет именно позитивную реакцию (ТКС). Но отличия в работе в основном лишь в направлении зависимости R/T.
Наиболее популярные температурные детекторы NTC среднего диапазона: ТКС −2.4…-8.4 %/К, с широкими границами сопр. (1…106 Ом). Если говорить о PTC, то эти цифры 0.5…0.7 %/К, часто они из кремния, их сопротивление, в отличие от NTC, приближается к линейному.
PTC используются на оборудовании охлаждения, температурной стабилизации в радиоэлектронных схемах, как саморегулирующиеся нагревательные детали. Их R увеличивается по мере роста их же нагрева (PTC нагреватели), такая запчасть никогда не перегреется, всегда выдает устойчивые тепломощности при значительном диапазоне напряжений.
Сферы чрезвычайно схожие, а принцип в основе аналогичный — все зависит от того, что требуется, негативный или положительный ТКС:
- NTC следит за понижением температуры;
- PTC — за повышением.
Виды термисторов NTC
По диапазону значений обслуживаемой среды NTC бывают:
- низкотемпературные. Для ниже 170 К (Кельвины, может быть в Цельсиях);
- средне, 170…510 К;
- высоко, от 510 К;
- сверхвысоко, 900…1300 К.
Отдельной разновидностью являются комбинированные, с косвенным нагревом. Совмещают резистор и «гальванически развязанный» от него элемент нагрева, задающий температуру и, соответственно, сопротивление. Применяются как переменные резисторы, управляемые напряжением, подаваемым на их нагревательную часть.
Износ, раскалибровка
Со временем появляется небольшая раскалибровка, меняются исходные термоэлектро характеристики:
- номинал (при +25 °C) по сопротивлению;
- ТКС.
Расчет, подбор термисторов NTC
Определяют, какой именно терморезистор подходит по кривым R/T, по создаваемым графикам и таблицам значений R-T, по формулам. Процедура сложная, есть целые брошюры и отдельные статьи, поэтому укажем лишь основы.
Лучшей, хотя и сложной, из формул расчетов является таковая «Стейнхарта (Штейнхарта) — Харта»:
Исчисления обычно делают фанаты радиоэлектроники и специалисты, особенно для самоделок. Проще будет подобрать элемент с аналогичной спецификацией, а также воспользоваться уже готовыми рекомендациями специалистов, информация есть в сети на спецсайтах. Модификаций термисторов насчитываются сотни, соответственно, таблицы спецификаций очень габаритные. Часто конкретная партия аналогичных серий термисторов имеет свои данные.
Есть сотни спецификаций NTC термисторов:
Но все-таки исчисления в большинстве случаев крайне желательные, даже если есть данные от производителя о параметрах и рекомендации, так как термисторы с высокой нелинейностью свойств. Разные экземпляры одинаковой спецификации даже, например, при тех же величинах B25/100 (чувствительности, рассмотрим ниже) могут иметь разные сдвиги R. Поэтому формулы для указанного параметра дают лишь приблизительную оценку. Точные результаты требуют сложных вычислений.
Датчики для бытовых или иных приборов в заводских типоразмерах — это уже полностью готовые к применению устройства в корпусе и так далее, все необходимые расчеты сделаны производителями.
Параметры для подбора (обычно отображаются графиками, диаграммами):
- ВАХ;
- кривая соотношение темп./сопр.;
- теплоемкость, константа рассеяния;
- величины R;
- допуски;
- температурный диапазон. Именно в своих границах сенсоры NTC могут работать лучше всех подобных изделий;
- временная постоянная: срок для перехода от одной величины t° к другой. Это период в секундах, требуемый для достижения 63.2 % разницы t° от начального показания до финишного;
- чувствительность: уровень реагирования на сдвиги температуры;
- стабильность контроллера при поддерживании постоянной температуры посредством обратной связи с сенсором.
Приближение первого порядка
Зависимость t°/Ом (график R-T) имеет значительную нелинейность, поэтому для практических схем применяют для расчета так называемые приближения. Пример такового «первого порядка»:
Уравнение справедливо только для небольшого температурного диапазона и для t°, когда k почти постоянная на его разных значениях.
Бета-формула
Есть также бета-уравнение (содержит константу «бета», β). Это самая простая формула из существующих, часто для самоделок, например, на Arduino используют именно ее. Дает результат с точностью ±1 °C. Охватывает диапазон 0…+100° C. Последний зависимый от единственной постоянной материала β, получаемой путем измерений (указывается в спецификации термистора).
Тут нет необходимости в линеаризации реакции сенсора. Формула требует 2-точечной калибровки, стандартно не больше чем ±5 на всем полезном диапазоне.
Уравнение Штейнхарта-Харта
Алгоритм Штейнхарта-Харта — это наилучшее, но более сложное уравнение. Чтобы избежать сложностей, обычно применяют предыдущий метод, но для пользователей со знаниями алгебры и опытом вычислений этот лучший способ. Это общая формула, чтобы подогнать кривую термистора:
Константы A, B, C обычно публикуются производителями, поставщиками как часть таблиц с данными спецификации термисторов. Отклонения по описываемой формуле составляет около ±0.15° C в рамках −50…+150° С, что является отличным показателем. Если требуется высокая корректность, то границы должны быть сужены. Точность ±0,01° C и лучше наблюдается в рамках 0…+100° C.
Какую формулу выбрать
Подбор подходящего исчисления для определения температуры из замеров сопротивления основывается на доступности вычислительных мощностей, а главное, на требованиях допуска. Для некоторых приложений приближение 1-го порядка достаточно, для иных случаев потребуется метод Штейнхарта-Харта, а сенсор должен калиброваться в процессе большого числа измерений по созданной таблице поиска.
Характеристики NTC терморезисторов
Опишем главные позиции и инструменты для определения подходящих термисторов.
Соотношение t°/Ом (кривая R-T)
Большинство NTC детекторов подходят для температурного диапазона −55…+200° C, там они наиболее точные. Но есть и спецсемейство для t° близких к абс. нулю (−273.15 °C), а также для значений выше +200.
На рисунке показана общая тенденция, конкретные цифры зависят от спецификации, номинала. Кривая четко показывает особенность типа NTC: t° растет, сопр. снижается. В позисторах (PTC) наоборот, и они имеют нюанс: обладают своеобразной точкой перелома, при которой сильно изменяют сопр. при некоторых значениях, поэтому работать с ними сложнее. Это одна из причин, по которой большинство не особо дорогих и сравнительно простых приборов снабжаются именно НТЦ детекторами.
Чувствительность по температуре выражена как изменение в % на 1 градус Цельсия. Типичные величины чувствительности находятся в рамках −3…−6 % на 1°.
Теплоемкость и самонагрев
Самонагрев возникает, когда ток течет через терморезистор. Поскольку это резистор, то происходит рассеивание энергии в виде тепла, что влияет на точность замеров. Уровень данного явления зависит от силы тока, среды, а также от ТКС, количества деталей на сегменте. Тот факт, что, нагрев влияет на сопротивление, пропускную способность по току детектора, зависит от окружающих условий, делает деталь незаменимой для использования в резервуарах, содержащих жидкость.
Под теплоемкостью подразумевают количество тепла, требуемого для увеличения температуры сенсора на 1° C, выражена в мДж/° C. Параметр чрезвычайно важен при применении термосенсора как ограничителя пусковых реле, так как ним определяется оперативность отклика этого элемента.
Чувствительность
Охарактеризуем чувствительность выдержкой из специализированного сайта:
ВАХ, режимы работы и их применение
Также подбор осуществляется по вольт-амперной характеристике (ВАХ), которая зависима от прилагаемой к прибору с НТЦ датчиком температуре и от конструкции такового.
NTC сенсоры с рабочей отметкой на нисходящем сегменте ВАХ используются как реле (пусковые, временные) в оснащении, где производятся замеры и контроль мощности электромагнитных излучений сверхвысоких частот. А также для систем теплоконтроля, пожарной сигнализации, на установках, управляющих расходом жидкости, сыпучих веществ.
Где именно применяются датчики температуры NTC
Конкретизируем, где именно применяются NTC датчики.
Наиболее характерные сферы:
- все возможные температурные датчики;
- холодильные, отопительные, нагревательные системы, где не допускается понижение температуры;
- системы вентиляции, кондиционирования;
- контроль за степенью охлаждения в трубах, на открытых локациях;
- теплые полы, бойлеры (водонагреватели), котлы;
- обнаружение отсутствия или наличия жидкости;
- ограничители тока;
- мониторинг t° в автомобилях и прочих агрегатах.
Если обобщить, то это такие направления по температуре:
- измерение;
- контроль, управление, связанные с t°;
- компенсационные процессы.
Примеры применения на практике:
- различные терморегуляторы, термостаты для окружающей среды в холодильниках, бойлерах, для кабельных стяжек, поверхностей нагревательных конструкций;
- термометры различных сред (жидкости, газы), включая воздух в комнатах;
- нагреватели устройств 3D печати (для контроля рабочих площадок, чтобы материал не прилипал к ним);
- автодвигатели, моторы различного типа, включая электрические (предотвращение перегрева);
- печи (предотвращение пригорания, сжигания готовящейся еды).
При установке пленочных теплых полов выносные сенсоры NTC закладывают в гофротрубу, например, стандартно Ø 16 мм, прямо под одной из нагревательных ИК полос на сегменте наименьшей теплоотдачи (под ковриками, мебелью на коротких ножках).
Детекторы NTC можно разделить на 3 группы в зависимости от того, какая их электрохарактеристика важная для определенных целей.
Для каких целей значимы определенные характеристики
| Характеристика | Где используется |
| Сопротивление-температура | Для приложений, приборов, для работы которых значимо соотношение температура/сопротивление. Это устройства для замеров t°, контроля, управления и компенсации, некоторых других связанных физических процессов. На термисторе поддерживают как можно более низкий ток, чтобы максимально уменьшить самонагрев такого зонда. |
| Текущая временная | Приборы с временной задержкой, ограничением пусковых токов, предупреждение перегрузок, перенапряжений и прочего. Характеристика, связанная с теплоемкостью, диссипацией датчика ntc. Схема полагается на терморезистор, нагревается из-за тока на ней, в определенный момент появляются изменения. |
| По напряжению | Для устройств, базирующихся на характеристиках напряжения, тока термических резисторов. Это приборы мониторинга условий окружающей среды, параметров на схеме, которые инициируют изменения рабочей отметки на заданной кривой цепи. Также для ограничения токов, температурной компенсации, измерений t°. |
Обозначение на схеме
На схемах NTC обозначается прямоугольником (пустым) перечеркнутым косой линией внизу с горизонтальной ножкой, также есть значок «t°» с минусом. У позисторов «+».
Другой вариант обозначения — схематическое изображение спирали (наподобие зубчиков кардиограммы), перечеркнутое косой линией с тем же значком температуры:
Схемы, подключение
Схемы применяются для самоделок и сборок. Данный вопрос, как и исчисления при подборе, — отдельная большая тема, поэтому опишем лишь основы, чтобы сориентировать читателя.
Схема для ATmega и Arduino (потребуется также программирование):
В сборке ниже использован термистор TH10K и резистор 10 кОм в качестве R(баланс):
Еще одна схема:
Проверка, замена температурных датчиков NTC
Сама установка элементарная — датчик втыкается в посадочные гнездо, подсоединяются жилы его кабеля на клеммы, также проводки можно соединить скруткой, пайкой, обжимкой. Обычно проводки питания заходят на плату терморегулятора, термостата.
Ниже на фото замена датчика для измерения температуры в комнате с 5-метровым кабелем для котла отопления. Управление и настройка осуществляется терморегулятором, он может быть в комплекте агрегата или докупается отдельно.
Поломки, диагностика, ремонт
Датчики NTC обычно ломаются из-за влияний среды, например, в котлах, бойлерах на них налипает накипь, внутрь попадает теплоноситель.
Проверка состоит в замере мультиметром сопротивления при определенной температуре и в сравнении результата со спецификацией. В нашем случае 2 тестируемые датчики на фото ниже исправные, R около 10 кОм, что соответствует примерно +25° C (температура помещения, где находятся изделия).
Датчик положили на металлическую гирьку для охлаждения, видим, что сопр. при понижении t° растет (показатель на фото соответствует около +21). На втором фото сенсор сняли с охлаждения — R падает при повышении t°.
Итак, для проверки потребуется термометр, мультиметр и таблица зависимости температуры, которую можно скачать в сети для конкретных моделей датчиков для имеющейся марки котла, холодильника и прочего, пример (правая графа — Омы, левая — °C):
Разновидности симптомов поломки:
- если на датчике нет никакого сопротивления, это означает обрыв;
- если R сильно отличается от спецификации — внутренняя поломка самого термистора;
- сопр. соответствует температуре, но в каком-то интервале детектор начинает врать или вообще перестает измерять. Тогда котел тоже уходит в аварийный режим.
Признаки поломки элемента на котле (подобные и на всех бытовых приборах):
- сразу (неск. сек.) после включения, активации помпы уходит в аварийный режим;
- после сброса ошибки все повторяется;
- после открытия крана горячей воды котел выдает ошибку. Скорее всего, сломан сенсор на патрубке для теплой жидкости;
- внезапная остановка;
- несоответствие выдаваемой температуры настроенным значениям, прибор может постоянно нагревать (пока не сработает ограничение, предохранение от перегрева);
- скачки t° или вообще нет нагрева/охлаждения.
NTС датчик, а тем более его терморезистор, не ремонтируется — надо заменить на аналогичный. Исключение составляют случаи, когда закисли контакты, появилась накипь, и это причина поломки, тогда ножки элементов зачищаются.
Для приборов и оборудования (холодильники, стиралки, котлы, автомобили) такие изделия продаются в спецмагазинах, сервисных центрах.
Желательно иметь в запасе заведомо исправную деталь, чтобы провести диагностику со 100 % точностью. Потребуется всего лишь подключить новый термистор и посмотреть, как будет работать агрегат.
Почти всегда, когда котел, бойлер, пол включается, то есть сама электросистема исправная, но наблюдаются странности, некорректности по работе, связанной с температурой причина в термодатчике. Его проверяют в первую очередь, тем более, что процедура простая. Есть также приборы с самодиагностикой — выдают на дисплее, светодиодами, звуком код ошибки, тогда определить неисправность сенсора еще легче.
Загрузка...
