Sonda termistorowa NTC do pomiaru temperatury

Sonda termistorowa NTC do pomiaru temperatury mierzy temperaturę przez element półprzewodnikowy, którego rezystancja spada wraz ze wzrostem temperatury. To zachowanie jest przeciwieństwem elementów platynowych stosowanych w przemysłowych RTD i dlatego ta rodzina jest określona własną parą liczb, a nie oznaczeniem Pt: rezystancją w temperaturze odniesienia i stałą B opisującą, jak stromo rezystancja zmienia się w zakresie.

Wersja na tej stronie to wariant 10K, z nominalną rezystancją 10 kΩ przy 25 °C i wartością B25/50 3950 K, obie utrzymane w ±1 %. Element pomiarowy siedzi w sondzie ze stali nierdzewnej 304 o wymiarach 5×25 mm, wyprowadzony na przewodach i zakończony złączami wtykowymi XH-2P, dzięki czemu sondę można podłączyć bezpośrednio do płyty sterującej lub modułu akwizycji, bez potrzeby listwy zaciskowej.

Ponieważ zarówno rezystancja przy 25 °C, jak i stała B są tolerowane, dwie wartości potrzebne płycie sterującej do linearyzacji sygnału są określone, a nie nominalne. To jest praktyczna różnica między sondą, która śledzi wartość zadaną w urządzeniu termostatycznym, a taką, która jedynie przełącza w jej pobliżu.

Jak działa czujnik termistorowy NTC

Termistor to półprzewodnik, którego stężenie nośników zmienia się z temperaturą, a w elemencie o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancja spada wraz ze wzrostem temperatury. Zmiana jest stroma w porównaniu z elementem metalowym, co jest źródłem zarówno jego zalet, jak i ograniczeń. W wąskim zakresie wokół temperatury pokojowej termistor daje dużą zmianę rezystancji na małą zmianę temperatury, więc prosty układ może rozróżnić drobny przyrost. W szerokim zakresie ta sama charakterystyka jest silnie nieliniowa, więc odczyt musi być linearyzowany względem konkretnego elementu, co dokładnie opisują para R25 i B.

Dlatego dwie sondy o tej samej rezystancji nominalnej nie są zamienne. Dwa elementy 10 kΩ o różnych stałych B mają różne charakterystyki i płyta linearyzowana dla jednej będzie odczytywać z przesunięciem względem drugiej w całym zakresie, mimo że obie zgadzają się przy 25 °C. Dostarczony materiał podaje wartość B tylko dla wersji 10K, a pozostałe opcje rezystancji pozostawia bez wartości B, więc tych opcji nie można traktować jak tego samego urządzenia z inną rezystancją odniesienia.

Korpus sondy i sposób połączenia z ośrodkiem określają to, co element rzeczywiście widzi. Osłona ze stali nierdzewnej daje elementowi ochronę mechaniczną i określoną drogę termiczną, a termiczna stała czasowa 3 s mierzona w mieszanej wodzie jest własnością tego zespołu, a nie samego półprzewodnika: średnica osłony i grubość ścianki oraz to, jak ściśle element siedzi wewnątrz, mają większe znaczenie niż typ elementu. Ta sama sonda w spoczynkowym powietrzu jest wolniejszym urządzeniem i materiał to potwierdza, mierząc stałą w mieszanej wodzie.

Samonagrzewanie jest drugim efektem, który należy mieć na uwadze. Stała dysypacji 3,6 mW/°C to moc podnosząca korpus pomiarowy o 1 °C w spoczynkowym powietrzu, a moc maksymalna 256 mW jest granicą niszczenia, a nie wartością roboczą. Między nimi leży decyzja projektowa: wystarczająco dużo prądu wzbudzenia, by rozróżnić temperaturę, ale nie tyle, by element sam się nagrzewał. W spoczynkowym powietrzu, gdzie ciepło uchodzi powoli, ten sufit jest znacznie niższy niż w cieczy.

Jak dobrać właściwą sondę NTC

Zacząć należy od tego, co ma napędzać odczyt. Termostat, zabezpieczenie i wyświetlacz temperatury stawiają różne wymagania tej samej sondzie, a dwie wartości decydujące o tym, czy płyta może ją użyć, to rezystancja przy 25 °C i stała B. Gdy płyta jest już zbudowana pod jedną parę, zmiana wartości rezystancji lub wartości B zmienia wyświetlaną temperaturę, więc sondę trzeba dopasować do wejścia, a nie kupić na tę samą wartość nominalną.

Następnie zakres temperatur. Dwa zakresy podane w dostarczonym materiale nie są zgodne i sam materiał odnotowuje rozbieżność, więc gorące zastosowanie powinno być projektowane według niższej wartości do czasu jej potwierdzenia. Sonda wybrana blisko górnej granicy zakresu nie zostawia marginesu na tolerancję elementu ani na różnicę między temperaturą ośrodka a temperaturą elementu.

Następnie dopasowanie mechaniczne. Standardowa sonda ma 5×25 mm i materiał oferuje inne wymiary na zamówienie, ale wymiar sondy to nie tylko kwestia montażu: większa osłona reaguje wolniej, a mniejsza sięga tam, gdzie większa nie dosięgnie. Gdy sonda jest dociskana do powierzchni, a nie zanurzona, pole styku i siła docisku określają odczyt w takim samym stopniu jak element.

Na końcu połączenie. Złącze wtykowe XH-2P pasuje do płyty z odpowiadającym gniazdem. Gdy trasa jest długa lub otoczenie jest wilgotne, długość kabla i jego izolacja muszą być ustalone, a żadna z nich nie jest podana w dostarczonym materiale.

Ograniczenia i punkty do potwierdzenia

Rodzina elementów jest pierwszym ograniczeniem. To termistor, a nie platynowy RTD, więc nie można go podłączyć na wejście PT100 i nie można go użyć tam, gdzie wymagana jest udokumentowana, spójna pomiarowo temperatura, bez tabeli R-T i zapisu kalibracji. Gdy proces wymaga temperatury, którą można odnieść do wzorca, rodzina platynowa jest właściwym wyborem, a ta sonda nie jest równoważnikiem.

Drugim jest to, że dostarczony materiał nie podaje tabeli rezystancja-temperatura. Para R25 i B opisuje charakterystykę, ale płyta sterująca jest zwykle linearyzowana względem tabeli, a nie dwóch wartości, a kilka badań niezawodności jest podanych jako dopuszczalny dryft rezystancji, który można przeliczyć na błąd temperatury dopiero po uzyskaniu tej tabeli.

Po trzecie, materiał nie podaje stopnia ochrony obudowy, długości kabla, klasy temperatury kabla ani certyfikatu. Są one opublikowane na tej stronie jako wymagane informacje, a nie szacowane. Wartości wytrzymałości dielektrycznej i rezystancji izolacji były mierzone w wodzie, co świadczy o izolacji elektrycznej zespołu kabla, ale nie są stwierdzeniem, jak długo sonda może pozostawać zanurzona i w jakich ośrodkach.

Na koniec, identyfikacja jest otwarta. Produkt nie ma oznaczenia modelu w dostarczonym materiale, więc przy składaniu zamówienia wartość rezystancji, wartość B, wymiary sondy, długość kabla i forma zacisków muszą być podane, a nie cytowane jako kod.