NHIỆT ĐIỆN TRỞ LÀ GÌ

NHIỆT ĐIỆN TRỞ LÀ GÌ? CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Một nhiệt điện trở là một nhiệt kế điện trở, hoặc một điện trở có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Thuật ngữ này là sự kết hợp giữa các loại nhiệt độ cao và điện trở. Nó được làm bằng các oxit kim loại, được ép thành hạt, đĩa hoặc hình trụ và sau đó được bọc bằng một vật liệu không thấm nước như epoxy hoặc thủy tinh.

Có hai loại nhiệt điện: Hệ số nhiệt độ âm (NTC) và Hệ số nhiệt độ dương (PTC). Với nhiệt điện trở NTC, khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, điện trở tăng. Loại nhiệt điện trở này được sử dụng nhiều nhất.

Một nhiệt điện trở PTC hoạt động hơi khác một chút. Khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng và khi nhiệt độ giảm thì điện trở giảm. Loại nhiệt điện trở này thường được sử dụng làm cầu chì.

Thông thường, một nhiệt điện trở đạt được độ chính xác cao trong phạm vi nhiệt độ giới hạn khoảng 50 độ C quanh nhiệt độ mục tiêu. Phạm vi này phụ thuộc vào điện trở cơ sở.

Các ký hiệu nhiệt điện trở là:

Hình 1: Biểu tượng nhiệt điện trở - Hoa Kỳ và Nhật Bản

Mũi tên của chữ T biểu thị rằng điện trở thay đổi dựa trên nhiệt độ. Hướng của mũi tên hoặc thanh không đáng kể.

Nhiệt điện trở dễ sử dụng, rẻ tiền, chắc chắn và có thể dự đoán trước những thay đổi về nhiệt độ. Mặc dù chúng không hoạt động tốt với nhiệt độ quá nóng hoặc quá lạnh, chúng là cảm biến được lựa chọn cho các ứng dụng đo nhiệt độ ở điểm gốc mong muốn. Chúng rất lý tưởng khi cần nhiệt độ rất chính xác.

Một số ứng dụng phổ biến nhất của nhiệt điện trở là trong nhiệt kế kỹ thuật số, trong ô tô để đo nhiệt độ dầu và chất làm mát, và trong các thiết bị gia dụng như lò nướng và tủ lạnh, nhưng chúng cũng được tìm thấy trong hầu hết mọi ứng dụng cần mạch bảo vệ sưởi ấm hoặc làm mát để an toàn hoạt động. Đối với các ứng dụng phức tạp hơn, chẳng hạn như máy dò ổn định laser, khối quang và thiết bị ghép điện tích, nhiệt điện trở được tích hợp. Ví dụ, nhiệt điện trở 10 kΩ là tiêu chuẩn được tích hợp trong các gói laser.
LÀM THẾ NÀO ĐỂ NHIỆT ĐIỆN TRỞ ĐỌC NHIỆT ĐỘ CỦA NHẬT BẢN?

Một nhiệt điện trở không thực sự có thể đọc bất cứ thứ gì, thay vào đó điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Làm thế nào nhiều thay đổi điện trở phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng trong nhiệt điện trở.

Không giống như các cảm biến khác, nhiệt điện trở là phi tuyến, có nghĩa là các điểm trên biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ sẽ không tạo thành một đường thẳng. Vị trí của đường dây và mức độ thay đổi của nó được xác định bởi cấu trúc của nhiệt điện trở. Một đồ thị nhiệt điện trở điển hình trông như thế này:

Hình 2: Điện trở so với nhiệt độ

Làm thế nào thay đổi điện trở được chuyển đổi thành dữ liệu có thể đo được sẽ được đề cập chi tiết dưới đây.
SỰ KHÁC BIỆT GIỮA MỘT NHIỆT ĐIỆN TRỞ VÀ CÁC CẢM BIẾN KHÁC LÀ GÌ?

Ngoài nhiệt điện trở, một số loại cảm biến nhiệt độ khác được sử dụng. Phổ biến nhất là Đầu dò nhiệt độ điện trở (RTD) và mạch tích hợp (IC), chẳng hạn như các loại LM335 và AD590. Cảm biến nào hoạt động tốt nhất cho một mục đích sử dụng cụ thể dựa trên nhiều yếu tố. Bảng dưới đây đưa ra một so sánh ngắn gọn về lợi ích và nhược điểm của từng loại.

THAM SỐ

THERMISTOR

RTD

LM335

AD592

Phạm vi nhiệt độ

Trong phạm vi ˜50 ° C của nhiệt độ trung tâm nhất định

−260 ° C đến + 850 ° C

−40 ° C đến + 100 ° C

−20 ° C đến + 105 ° C

Chi phí tương đối

Rất rẻ

Đắt nhất

Đắt tiền

Đắt tiền

Thời gian cố định

6 đến 14 giây

1 đến 7 giây

1 đến 3 giây

2 đến 60 giây

Ổn định

Rất ổn định, 0,0009 ° C

.05 0,05 ° C

.010,01 ° C

.010,01 ° C

Nhạy cảm

Cao

Thấp

Thấp

Thấp

Ưu điểm

Bền chặt
Kéo dài
Có độ nhạy cao
Kích thước nhỏ
Chi phí thấp nhất
Tốt nhất để đo nhiệt độ điểm đơn

Thời gian đáp ứng tốt nhất
Đầu ra tuyến tính
Phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng nhất
Tốt nhất để đo một phạm vi nhiệt độ

Đắt tiền
Đầu ra tuyến tính

Đắt tiền
Đầu ra tuyến tính

Nhược điểm

Đầu ra phi tuyến
Phạm vi nhiệt độ giới hạn
Thời gian phản hồi chậm

Đắt
Độ nhạy thấp

Phạm vi nhiệt độ giới hạn
Độ nhạy thấp
Kích thước lớn

Thời gian phản hồi chậm nhất
Phạm vi nhiệt độ giới hạn
Độ nhạy thấp
Kích thước lớn

Phạm vi nhiệt độ: Phạm vi nhiệt độ tổng thể gần đúng trong đó loại cảm biến có thể được sử dụng. Trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, một số cảm biến hoạt động tốt hơn những cảm biến khác.

Chi phí tương đối: Chi phí tương đối vì các cảm biến này được so sánh với nhau. Ví dụ, thermistors không tốn kém liên quan đến RTD, một phần vì vật liệu được lựa chọn cho RTD là bạch kim.

Thời gian không đổi: Thời gian gần đúng cần thiết để thay đổi từ giá trị nhiệt độ này sang giá trị nhiệt độ khác. Đây là thời gian, tính bằng giây, một nhiệt điện trở phải đạt tới 63,2% chênh lệch nhiệt độ từ lần đọc ban đầu đến lần đọc cuối cùng.

Tính ổn định: Khả năng của bộ điều khiển duy trì nhiệt độ không đổi dựa trên phản hồi nhiệt độ của cảm biến.

Độ nhạy: Mức độ phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ.
NHỮNG HÌNH DẠNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ CÓ SẴN?

Nhiệt điện có nhiều hình dạng khác nhau - đĩa, chip, hạt hoặc que và có thể được gắn hoặc nhúng bề mặt trong một hệ thống. Chúng có thể được gói gọn trong nhựa epoxy, thủy tinh, phenolic nung hoặc sơn. Hình dạng tốt nhất thường phụ thuộc vào vật liệu nào đang được theo dõi, chẳng hạn như chất rắn, lỏng hoặc khí.

Ví dụ, một nhiệt điện trở hạt là lý tưởng để nhúng vào thiết bị, trong khi một thanh, đĩa hoặc đầu hình trụ là tốt nhất cho các bề mặt quang học. Một chip nhiệt điện trở thường được gắn trên bảng mạch in (PCB). Có rất nhiều, rất nhiều hình dạng khác nhau của nhiệt điện và một số ví dụ là:

Hình 3: Các loại nhiệt điện trở

Chọn hình dạng cho phép tiếp xúc bề mặt tối đa với thiết bị có nhiệt độ đang được theo dõi. Bất kể loại nhiệt điện trở nào, việc kết nối với thiết bị được giám sát phải được thực hiện bằng cách sử dụng keo dán hoặc keo epoxy có tính dẫn nhiệt cao. Điều quan trọng là dán hoặc keo này không dẫn điện.
LÀM THẾ NÀO ĐỂ MỘT NHIỆT ĐIỆN TRỞ LÀM VIỆC TRONG MỘT HỆ THỐNG ĐƯỢC KIỂM SOÁT?

Công dụng chính của nhiệt điện trở là đo nhiệt độ của thiết bị. Trong một hệ thống được kiểm soát nhiệt độ, nhiệt điện trở là một phần nhỏ nhưng quan trọng của một hệ thống lớn hơn. Một bộ điều khiển nhiệt độ theo dõi nhiệt độ của nhiệt điện trở. Sau đó, nó báo cho lò sưởi hoặc máy làm mát khi bật hoặc tắt để duy trì nhiệt độ của cảm biến.

Trong sơ đồ bên dưới, minh họa một hệ thống ví dụ, có ba thành phần chính được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ của thiết bị: cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển nhiệt độ và thiết bị Peltier (được dán nhãn ở đây là TEC hoặc bộ làm mát nhiệt điện). Đầu cảm biến được gắn vào tấm làm mát cần duy trì nhiệt độ cụ thể để làm mát thiết bị và dây được gắn vào bộ điều khiển nhiệt độ. Bộ điều khiển nhiệt độ cũng được kết nối điện tử với thiết bị Peltier, làm nóng và làm mát thiết bị mục tiêu. Tản nhiệt được gắn vào thiết bị Peltier để giúp tản nhiệt.

Hình 4: Hệ thống điều khiển nhiệt điện trở
Công việc của cảm biến nhiệt độ là gửi phản hồi nhiệt độ đến bộ điều khiển nhiệt độ. Cảm biến có một lượng nhỏ dòng điện chạy qua nó, được gọi là dòng điện thiên vị, được gửi bởi bộ điều khiển nhiệt độ. Bộ điều khiển không thể đọc điện trở, do đó, nó phải chuyển đổi các thay đổi điện trở thành thay đổi điện áp bằng cách sử dụng nguồn hiện tại để áp dụng dòng điện phân cực trên điện trở nhiệt để tạo ra điện áp điều khiển.

Bộ điều khiển nhiệt độ là bộ não của hoạt động này. Nó lấy thông tin cảm biến, so sánh nó với những gì thiết bị cần được làm mát (gọi là điểm đặt) và điều chỉnh dòng điện qua thiết bị Peltier để thay đổi nhiệt độ để phù hợp với điểm đặt.

Vị trí của nhiệt điện trở trong hệ thống ảnh hưởng đến cả độ ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển. Để ổn định tốt nhất, nhiệt điện trở cần được đặt càng gần lò sưởi nhiệt điện hoặc điện trở càng tốt. Để có độ chính xác tốt nhất, nhiệt điện trở cần được đặt gần thiết bị cần điều khiển nhiệt độ. Lý tưởng nhất, nhiệt điện trở được nhúng trong thiết bị, nhưng nó cũng có thể được gắn bằng cách sử dụng keo hoặc keo dẫn nhiệt. Ngay cả khi một thiết bị được nhúng, các khe hở không khí nên được loại bỏ bằng cách sử dụng keo dán nhiệt hoặc keo.

Hình dưới đây cho thấy hai nhiệt điện trở, một gắn trực tiếp vào thiết bị và một điều khiển từ xa hoặc ở xa thiết bị. Nếu cảm biến ở quá xa thiết bị, thời gian trễ nhiệt làm giảm đáng kể độ chính xác của phép đo nhiệt độ, trong khi đặt nhiệt điện trở quá xa thiết bị Peltier sẽ làm giảm độ ổn định.

Hình 5: Vị trí nhiệt điện trở

Trong hình dưới đây, biểu đồ minh họa sự khác biệt về số đọc nhiệt độ được thực hiện bởi cả hai nhiệt điện trở. Nhiệt điện trở được gắn vào thiết bị đã phản ứng nhanh với sự thay đổi của tải nhiệt và ghi lại nhiệt độ chính xác. Các nhiệt điện trở từ xa cũng phản ứng nhưng không hoàn toàn nhanh chóng. Quan trọng hơn, các bài đọc được giảm hơn một nửa độ. Sự khác biệt này có thể rất đáng kể khi cần nhiệt độ chính xác.

Hình 6: Đồ thị đáp ứng vị trí nhiệt điện trở

Khi vị trí của cảm biến đã được chọn, phần còn lại của hệ thống cần được cấu hình. Điều này bao gồm xác định điện trở nhiệt cơ sở, dòng điện phân cực cho cảm biến và nhiệt độ điểm đặt của tải trên bộ điều khiển nhiệt độ.
NÊN SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ NHIỆT VÀ DÒNG ĐIỆN PHÂN CỰC NÀO?

Nhiệt điện trở được phân loại theo mức độ điện trở đo được ở nhiệt độ phòng xung quanh, được coi là 25 ° C. Thiết bị có nhiệt độ cần được bảo trì có các thông số kỹ thuật nhất định để sử dụng tối ưu, như được xác định bởi nhà sản xuất. Chúng phải được xác định trước khi chọn một cảm biến. Do đó, điều quan trọng là phải biết những điều sau đây:

Nhiệt độ tối đa và tối thiểu cho thiết bị là gì?
Nhiệt điện trở là lý tưởng khi đo nhiệt độ một điểm trong phạm vi 50 ° C của môi trường xung quanh. Nếu nhiệt độ quá cao hoặc thấp, nhiệt điện trở sẽ không hoạt động. Mặc dù có những trường hợp ngoại lệ, hầu hết các nhiệt điện trở hoạt động tốt nhất trong khoảng từ -55 ° C đến + 114 ° C.

Vì nhiệt điện trở là phi tuyến, có nghĩa là nhiệt độ đối với các giá trị điện trở biểu đồ trên đồ thị dưới dạng đường cong chứ không phải đường thẳng, nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp không được ghi lại chính xác. Ví dụ, những thay đổi rất nhỏ ở nhiệt độ rất cao sẽ ghi lại những thay đổi điện trở không đáng kể, điều này sẽ không chuyển thành thay đổi điện áp chính xác.

Phạm vi nhiệt điện trở tối ưu là gì?
Tùy thuộc vào dòng điện thiên vị từ bộ điều khiển, mỗi nhiệt điện trở có phạm vi hữu ích tối ưu, nghĩa là phạm vi nhiệt độ nơi những thay đổi nhỏ về nhiệt độ được ghi lại chính xác.

Bảng dưới đây cho thấy phạm vi nhiệt độ hiệu quả nhất đối với nhiệt điện bước sóng ở hai dòng phân cực phổ biến nhất.

Hình 7: Biểu đồ lựa chọn nhiệt điện trở

Tốt nhất là chọn một nhiệt điện trở trong đó nhiệt độ điểm đặt ở giữa phạm vi. Độ nhạy của nhiệt điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Ví dụ, một nhiệt điện trở có thể nhạy hơn ở nhiệt độ lạnh hơn so với nhiệt độ ấm hơn, như trường hợp với nhiệt điện trở TCS10K5 10 kΩ của Bước sóng . Với TCS10K5, độ nhạy là 162 mV mỗi độ C trong khoảng từ 0 ° C đến 1 ° C, và đó là 43 mV / ° C trong khoảng từ 25 ° C đến 26 ° C, và 14 mV ° C trong khoảng từ 49 ° C đến 50 ° C.

Giới hạn điện áp trên và dưới của đầu vào cảm biến của bộ điều khiển nhiệt độ là gì?
Giới hạn điện áp của phản hồi cảm biến đến bộ điều khiển nhiệt độ được chỉ định bởi nhà sản xuất. Lý tưởng là chọn tổ hợp dòng điện trở và dòng điện phân cực tạo ra điện áp trong phạm vi cho phép của bộ điều khiển nhiệt độ.

Điện áp có liên quan đến điện trở theo định luật Ohm. Phương trình này được sử dụng để xác định những gì hiện tại thiên vị là cần thiết. Định luật Ohm quy định rằng dòng điện qua một dây dẫn giữa hai điểm tỷ lệ thuận với sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm và, đối với dòng điện thiên vị này, được viết là:

V = I BIAS x R

Trong đó:
V là điện áp, trong Volts (V)
I BIAS là dòng điện, trong Amperes hoặc Amps (A)
I BIAS có nghĩa là dòng điện cố định
R là điện trở, tính bằng Ohms (Ω)

Bộ điều khiển tạo ra một dòng điện phân cực để chuyển đổi điện trở nhiệt trở thành điện áp có thể đo được. Bộ điều khiển sẽ chỉ chấp nhận một phạm vi điện áp nhất định. Ví dụ, nếu phạm vi điều khiển là 0 đến 5 V, điện áp nhiệt điện trở không được thấp hơn 0,25 V để nhiễu điện cấp thấp không cản trở việc đọc và không được đọc cao hơn 5 V.

Giả sử sử dụng bộ điều khiển trên và một nhiệt điện trở 100 kΩ, chẳng hạn như TCS651 của Bước sóng và nhiệt độ mà thiết bị cần duy trì là 20 ° C. Theo bảng dữ liệu TCS651, điện trở là 126700 ở 20 ° C. Để xác định xem nhiệt điện trở có thể làm việc với bộ điều khiển hay không, chúng ta cần biết phạm vi có thể sử dụng của dòng điện phân cực. Sử dụng Luật Ohm để giải quyết cho I BIAS , chúng tôi biết những điều sau đây:

V / R = TÔI BIAS

0,25 / 126700 = 2 PhaA là đầu thấp nhất trong phạm vi
5,0 / 126700 = 39,5

Có, nhiệt điện trở này sẽ hoạt động, nếu dòng điện thiên vị của bộ điều khiển nhiệt độ có thể được đặt giữa 2 PhaA và 39.5.

Khi chọn một nhiệt điện trở và dòng điện phân cực, tốt nhất là chọn một trong đó điện áp phát triển ở giữa phạm vi. Đầu vào phản hồi của bộ điều khiển cần phải có điện áp, được lấy từ điện trở nhiệt.

Vì mọi người liên quan đến nhiệt độ dễ dàng nhất, nên điện trở thường cần được thay đổi theo nhiệt độ. Mô hình chính xác nhất được sử dụng để chuyển đổi điện trở nhiệt trở thành nhiệt độ được gọi là phương trình Steinhart-Hart.
PHƯƠNG TRÌNH STEINHART-HART LÀ GÌ?

Phương trình Steinhart-Hart là một mô hình được phát triển vào thời điểm máy tính không phổ biến và hầu hết các phép tính toán học được thực hiện bằng cách sử dụng các quy tắc trượt và các công cụ hỗ trợ toán học khác, chẳng hạn như các bảng hàm siêu việt. Phương trình được phát triển như một phương pháp đơn giản để mô hình hóa nhiệt độ nhiệt điện trở dễ dàng và chính xác hơn.

Phương trình Steinhart-Hart là:

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

Trong đó:
T là nhiệt độ, tính bằng Kelvins (K, Kelvin = Celsius + 273,15)
R là điện trở tại T, trong Ohms (Ω)
A, B, C, D và E là các hệ số Steinhart-Hart thay đổi tùy theo loại của nhiệt điện trở được sử dụng và phạm vi nhiệt độ được phát hiện.
Đây là Nhật ký tự nhiên, hoặc Đăng nhập vào cơ sở Napierian 2.71828

Các thuật ngữ có thể tiếp tục vô tận nhưng, vì sai số rất nhỏ, phương trình được rút ngắn sau thuật ngữ lập phương và thuật ngữ bình phương được loại bỏ, vì vậy phương trình Steinhart-Hart tiêu chuẩn được sử dụng là:

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

Một trong những niềm vui của các chương trình máy tính là các phương trình sẽ mất nhiều ngày, nếu không phải vài tuần, để giải quyết được thực hiện trong giây lát. Loại máy tính phương trình Steinhart-Hart Máy tính trong bất kỳ công cụ tìm kiếm nào và các trang liên kết đến máy tính trực tuyến được trả về.
PHƯƠNG TRÌNH STEINHART-HART ĐƯỢC SỬ DỤNG NHƯ THẾ NÀO?

Phương trình này tính toán với độ chính xác cao hơn điện trở thực của điện trở nhiệt dưới dạng hàm của nhiệt độ. Phạm vi nhiệt độ càng hẹp, tính toán điện trở sẽ càng chính xác. Hầu hết các nhà sản xuất nhiệt điện trở cung cấp các hệ số A, B và C cho một phạm vi nhiệt độ điển hình.
STEINHART VÀ HART LÀ AI?

John S. Steinhart và Stanley R. Hart lần đầu tiên phát triển và xuất bản phương trình Steinhart-Hart trong một bài báo có tên Đường cong hiệu chỉnh cho nhiệt điện trở vào năm 1968, khi họ là nhà nghiên cứu tại Viện Carnegie của Washington. Steinhart tiếp tục trở thành Giáo sư Địa chất và Địa vật lý, và Nghiên cứu Hàng hải tại Đại học Wisconsin-Madison và Stanley R. Hart trở thành Nhà khoa học cao cấp tại Viện Hải dương học Woods Hole.
PHẦN KẾT LUẬN

Nhiệt điện trở là điện trở phụ thuộc nhiệt độ, thay đổi điện trở với thay đổi nhiệt độ. Chúng rất nhạy cảm và phản ứng với những thay đổi rất nhỏ về nhiệt độ. Chúng được sử dụng tốt nhất khi cần duy trì nhiệt độ cụ thể và khi theo dõi nhiệt độ trong phạm vi 50 ° C của môi trường xung quanh.

Nhiệt điện trở, là một phần của hệ thống kiểm soát nhiệt độ, là cách tốt nhất để đo lường và kiểm soát việc làm nóng và làm mát thiết bị Peltier. Khả năng điều chỉnh tăng dần của chúng cho phép độ ổn định hệ thống lớn nhất. Nhiệt điện trở có thể được nhúng trong hoặc gắn trên bề mặt trên thiết bị cần theo dõi nhiệt độ. Tùy thuộc vào loại, họ có thể đo chất lỏng, khí hoặc chất rắn.

Bước sóng cung cấp nhiều loại nhiệt điện hạt và đầu hình trụ. Đối với một danh sách các lựa chọn hiện tại, bấm vào đây .