SMACONT | Подключение терморезисторов (термисторов, термосопротивлений)

Содержание

Терморезисторы (термисторы, термосопротивления)
Схема подключения
Подготовка модуля к работе
Конфигурация модуля
Заключение
Дополнительная информация о терморезисторах

Терморезисторы (термисторы, термосопротивления)

Терморезистор (термистор, термосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Одним из главных достоинств термистор, является их НИЗКАЯ ЦЕНА, по сравнению с другими датчиками температуры.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году. Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Термисторы обладают высокой степенью нелинейности параметров, и термисторы различных моделей могут по разному изменять сопротивление в зависимости от температуры.

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (NTC-термисторы, от слов «Negative Temperature Coefficient») и положительным (PTC-термисторы, от слов «Positive Temperature Coefficient» или позисторы) температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление, для NTC-термисторов увеличение температуры приводит к падению их сопротивления.

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.

Далее будет рассмотрена работа с терморезистором MF52.

Характеристики терморезистора MF52

• Температурный диапазон: от -55 до +125˚С;
• Погрешность измерения: ±0,25˚С;
• Допуск: ±1%(F); ±2%(G); ±3%(H); ±5%(J); ±10%(K);

Описание терморезистора MF52 (datasheet):
• на английском языке;
• на русском языке.

Схемы включения терморезисторов

Smacont. Схема 1 включения терморезисторов

Включение терморезисторов. Схема 1

Наиболее распространенным вариантом подключения является схема 1.

При выборе номинала резистора R1, примерно, равным, сопротивлению термистора в районе измеряемых температур, значения Uout будут изменяться ближе к линейным, что обеспечит бОльшую точность.

Выбирая номиналы R1 и терморезистора, следует обратить внимание на протекающий через терморезистор измерительный ток. Если его величина будет более 100 мкА или же сопротивление термистора будет иметь небольшую величину, то результат измерений искажается. Это явление называется саморазогревом, и зависит не только от нагрузки, но и от применяемых материалов и конструкции датчика. Желательно, чтобы мощность на термисторе не превышала 1 мВт, а значит, что при напряжении U = 3.3В, R1 должен быть не менее, 10 кОм. Сопротивление терморезистора в измеряемом диапазоне должно иметь примерно тот же порядок.

Smacont. Схема 2 включения терморезисторов

Включение терморезисторов. Схема 2

Схема 2 используется для режима линеаризации сопротивления (включение обычного резистора параллельно термистору). Если значение резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. При использовании включения по схеме 2, за счет резистора R3 также ограничивается рассеиваемая мощность на терморезисторе, что положительно сказывается на точности измерений температуры.

Этот подход хорош, если микропроцессор не может вычислять выражения с плавающей запятой, поскольку он упрощает реакцию в некотором диапазоне температур до линейного характера. Это также упрощает проектирование схемы, в которой нет микропроцессора.

Smacont. Схема 3 и 4 включения терморезисторов

Включение терморезисторов. Схема 3, 4

Схемы 3 и 4 являются обратными к 1 и 2.

Вычисление значения температуры

Зависимость сопротивления термистора от температуры обычно указывается в характеристиках конкретной модели термистора. Но всегда она представляет из себя логарифмическую кривую, где, если откладывать температуру по оси X, а сопротивление по оси Y, то при температуре 25 ºC, мы по оси Y имеем номинальное значение сопротивление термистора, т.е. в нашем случае 10кОм.

Характеристика NTC-терморезистора

А далее, при повышении температуры, сопротивление либо убывает, как в нашем случае NTC-термистора, либо возрастает, в случае PTC-термистора.

Уравнение Штейнхарта-Харта

Наилучшим приближением, известным на сегодняшний день, является формула Штейнхарта-Харта. Уравнение Стейнхарта — Харта — математическая модель, описывающая сопротивление полупроводниковых терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления в зависимости от температуры. Уравнение названо в честь Джона Стейнхарта (John S. Steinhart) и Стэнли Харта (Stanley R. Hart), впервые опубликовавших его в 1968 г.

Уравнение Штейнхарта для точного приближения:

1/T=A+B*(ln(R))+C*(ln(R))^3

где:
• ln R — логарифм сопротивления при температуре T в Кельвине,
• A, B и C — коэффициенты, полученные из экспериментальных измерений.

Коэффициенты A, B и C обычно публикуются поставщиками термисторов в составе таблицы данных.

Также константы можно определить с помощью данного калькулятора, введя в нем значения сопротивления терморезистора при трех значениях температуры или вы их можете непосредственно узнать из даташита на ваш терморезистор.

Формула Штейнхарта-Харта, как правило, составляет около ±0,15°С в диапазоне от -50°С до +150°С, что является достаточной для большинства применений. Если требуется высокая точность, диапазон температур должен быть уменьшен, а точность около ±0,01°C может быть получена в диапазоне от 0°C до +100°C.

Табличный метод

Уравнение Стейнхарта — Харта подразумевает сложные вычисления, которые требуют много процессорного времени, что часто является неприемлемым. Более простым и эффективным подходом является хранение таблицы, в которую заносятся предварительно рассчитанные значения температуры при тех, или иных значениях АЦП.

Использование константы «B» (модифицированное уравнение Штейнхарта-Харта)

Существует еще более простое уравнение, которое менее точно, но содержит только одну константу. Эта константа обозначена как B, и поэтому уравнение называется B-уравнением.

Каждый материал термистора имеет различную материальную константу и, следовательно, индивидуальную кривую отношения сопротивления и температуры.

Так, константа «B» определяет одно резистивное значение при базовой T1 (25ºС), и другое значение при Т2 (например, при 50ºC или 100ºC).

Следовательно, значение «B» определит постоянную константу материала термистора, ограниченную диапазоном T1 и T2.

1/T = 1/T0 + (1/B)*ln(Rt/Rt0)
где:
• T0 — комнатная температура в Кельвинах, для которой указывается номинал термистора; T0 = 25 + 273.15;
• T — искомая температура, в Кельвинах;
• Rt — измеренное сопротивление термистора в Омах;
• Rt0 — номинальное сопротивление термистора в Омах (при температуре 25ºС).

Из этой формулы следует и обратная, по которой определяем искомую температуру, в Кельвинах:

T = 1/(1/T0 + ln(Rt/Rt0)/B)

Схема подключения

В схеме используется термистор MF52.

Рекомендации по выбору резистора "Rd" озвучены выше (выделено жирным шрифтом). Так как, сопротивление используемого термистор MF52 составляет 10кОм, то сопротивление "Rd" выбрано равным 8,2кОм (ближайшее значение, из имеющихся в наличии).

Схема подключения термистора MF52

WiFi-модуль и термистор установлены на макетной плате для проектирования (Breadboard), позволяющей собирать проекты без пайки.

В качестве внешнего источника используется адаптер питания для зарядки сотовых телефонов, смартфонов, планшетов, с выходным током не менее 500мА. Для автономного питания контроллера можно использовать портативные аккумуляторы (Power Bank) емкостью от 2000мА*ч и выше. В качестве соединительного кабеля между макетной платой (Breadboard) и адаптером используется кабель для зарядки сотовых телефонов.

Подготовка модуля к работе

Подготовка модуля к работе заключается в выполнении следующих шагов.

Шаг 1. Программирование модуля

Программирование модуля (запись программы (прошивки) «Smacont-ESP») осуществляется в соответствии с инструкцией «Программирование модулей ESP и отладочных плат».

Шаг 2. Настройка сетевого соединения с модулем

Выполнить настройку сетевого соединения с модулем в соответствии с инструкцией «Первое включение».

Шаг 3. Настройка WiFi-сети (при необходимости)

При необходимости выполнить настройку WiFi-сети в соответствии с инструкцией «Настройки WiFi-сети».

Конфигурация модуля

GPIO

Для оцифровки напряжения с делителя, используется встроенный АЦП модуля.

Для использования значений АЦП модуля для расчета температуры, необходимо привязать «GPIO A0» модуля к одному из «Vx» (см. рисунки ниже).

Smacont. Привязка «GPIO A0» модуля к одному из «Vx»

Привязка «GPIO A0» модуля к «Vx»

Проконтролируем изменение значения переменной «adc» на графике. Для этого необходимо перейти на вкладку «График» и в выпадающем списке «График 0», выбрать переменную «adc».

Контроль изменения значения переменной «adc» на графике

Для удобства наблюдения изменения значения переменной «adc» необходимо установить следующие параметры на вкладке «График»:
• Развертка = 50 мс/pixel;
• Шаг сетки = 3000 мс;
• Шкала min = 0;
• Шкала max = 1024.

Как видно на рисунке ниже, при касании терморезистора рукой (при нагревании термистора), значение АЦП уменьшается. И наоборот.

Контроль изменения значения переменной «adc»

Действия и сценарии

Определяем две переменные «Vx», в одной бедет содержжаться значение резистора делителя Rd (присваиваем переменной имя «Rd_V22»), во второй будет храниться рассчитанное значение температуры (присваиваем переменной имя «Temp_V22»).

Для повышения точности вычисления, отдельно было измерено сопротивление постоянного резистора Rd, значение которого равно 8122 Ома. Значение сопротивления заносим в переменную «Rd_V22».

Для удобства обработки данных от терморезистора, в прошивке «Smacont-ESP» предусмотрена функция «sens_thermistor(ADC,Rd,Rt0,B,T0,CorrT)».

Заполняем параметры, выделенные синим цветов.

Для выполнения действия, создадим сценарий, который будет выполняться при каждом обновлении переменной «adc». Открыв вкладку "Vx map", проконтролируем значение текущей температуры.

В дальнейшем, полученное значение текущей температуры «Temp_V22» можно использовать в других сценариях, например, для реализации проекта терморегулятора.

Проконтролируем изменение значения текущей температуры на графике. Для этого необходимо перейти на вкладку «График» и в выпадающем списке «График 0», выбрать переменную «Temp_V22».

Контроль изменения значения текущей температуры

Для удобства наблюдения изменения значения переменной «Temp_V22» необходимо установить следующие параметры на вкладке «График»:
• Развертка = 50 мс/pixel;
• Шаг сетки = 3000 мс;
• Шкала min = 0;
• Шкала max = 33.

Контроль изменения значения текущей температуры

Как видно на рисунке выше, при касании терморезистора рукой (при нагревании термистора), показания текущей температуры увеличиваются.

Цифровая фильтрация значений температуры

Чтобы исключить резкие выбросы в рассчитаных значениях и для получения плавной характеристики можно использовать цифровую фильтрацию значений температуры.

Для цифровой фильтрации любой переменной используются первые 8-мь переменных: V0,V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7.
• назначить имя переменной, в которой будет сохранено значение после цифровой фильтрации (например, «Temp_V7»);
• определить уровень фильтрации: 2,4,8 (например, 8);
• передать рассчитанное значение температуры «Temp_V22» в переменную «Temp_V7» (за это отвечает действие N9 «Temp_V7 = Temp_V22»);
• создать сценарий, в котором будет выполняться действие N9 «Temp_V7 = Temp_V22». Сценарий будет выполняться при обновлении значений «adc».

Smacont. Цифровая фильтрация значений температуры

Значение температуры «до» и «после» цифрового фильтра

Загрузка конфигурации на устройство

Загрузка конфигурации на устройство производится в соответствии с инструкцией «Загрузка конфигурации на устройство».

Файл конфигурации: SC-Thermistor.zip.

Заключение

• При использовании встроенного АЦП модуля, с разрешающей способностью 1024 отсчета, дискретность измерения температуры при помощи термисторов составляет 0,08˚С.

• Следует учесть, что встроенный АЦП модуля имеет нелинейность, в районе младших и старших значений.

• Применение термисторов в качестве датчиков температуры имеет определенные ограничения, связанные с точностью и погрешностью измерений, но при использовании предложенного в рамках данной статьи метода такое применение показало хорошие результаты при небольшой стоимости датчика температуры.

• Термисторы-бусинки отличаются меньшей инерционностью при изменении температуры окружающей среды (быстрее нагреваются/остывают), чем датчики в герметичном исполнении.

Дополнительная информация о терморезисторах

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температурах ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К. Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:
- номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;
- температурного коэффициента сопротивления.

Одним из существенных недостатков термисторов в виде «бусинки», как температурных датчиков, является то, что они не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки. Не существует стандартов, регламентирующих их номинальную характеристику сопротивление — температура. «Дисковые» термисторы могут быть взаимозаменяемыми, однако при этом лучшая допускаемая погрешность не менее 0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Типичный 10-килоомный термистор в диапазоне 0—100 °С имеет коэффициенты, близкие к следующим значениям:
- A=1,03*10^(-3)
- B=2,93*10^(-4)
- C=1,57*10^(-7)

Режим работы терморезисторов зависит от выбранной рабочей точки на вольт-амперной характеристике (или ВАХ) такого прибора. В свою очередь ВАХ зависит от приложенной к прибору температуры и конструктивных особенностей терморезистора.

Терморезисторы с рабочей точкой, выставленной на линейном участке ВАХ, используются для контроля за изменением температуры и компенсации параметров (электрическое напряжение или электрический ток) электрических цепей, возникших вследствие изменения температуры. Терморезисторы с рабочей точкой, выставленной на нисходящем участке ВАХ (с «отрицательным сопротивлением») применяются в качестве пусковых реле, реле времени, в системах измерения и контроля мощности электромагнитного излучения на сверхвысоких частотах (или СВЧ), системах теплового контроля и пожарной сигнализации, в установках регулирования расхода жидких и сыпучих сред.

Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы (с температурным ТКС от −2,4 до −8,4 %/К), работающие в широком диапазоне сопротивлений (от 1 до 106 Ом).

Также существуют терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС) (от 0,5 до 0,7 %/К) выполненные на основе кремния, сопротивление которых изменяется по закону близкому к линейному. Такие терморезисторы находят применение в системах охлаждения и температурной стабилизации режимов работы транзисторов в различных радиоэлектронных системах.

Так же терморезисторы с положительным ТКС применяются в качестве саморегулирующихся нагревательных элементов, сопротивление которых растет по мере роста собственной температуры (PTC нагреватель). Такой нагревательный элемент никогда не перегреется и будет выдавать примерно одинаковую тепловую мощность в широком диапазоне напряжений.