Зонд температуры с NTC-термистором

Зонд температуры с NTC-термистором измеряет температуру через полупроводниковый элемент, чьё сопротивление падает по мере нагрева. Такое поведение противоположно платиновым элементам промышленных термосопротивлений, и потому это семейство специфицируют собственной парой чисел, а не обозначением Pt: сопротивление при опорной температуре и постоянную B, описывающую, насколько круто сопротивление меняется по диапазону.

Здесь описано исполнение 10K с номинальными 10 kΩ при 25 °C и постоянной B25/50 3950 K, обе величины выдержаны в допуске ±1 %. Чувствительный элемент помещён в зонд из нержавеющей стали 304 габаритами 5×25 mm, выведен проводами и оканчивается вилками XH-2P, так что зонд можно воткнуть прямо в плату управления или модуль сбора данных, а не заводить на клеммную колодку.

Поскольку и сопротивление при 25 °C, и постоянная B заданы с допуском, две величины, которые нужны плате управления для линеаризации сигнала, специфицированы, а не названы как номинальные. В этом и состоит практическая разница между зондом, который ведёт уставку в термостатирующем приборе, и зондом, который просто переключается где-то рядом.

Как работает датчик с NTC-термистором

Термистор - полупроводник, у которого концентрация носителей заряда меняется с температурой, а у элемента с отрицательным температурным коэффициентом сопротивление падает, когда элемент греется. Изменение крутое по сравнению с металлическим элементом - и в нём источник и сильных сторон, и границ этого типа. На узком участке около комнатной температуры термистор даёт большое изменение сопротивления на малое изменение температуры, поэтому простая схема различает маленький шаг. На широком участке та же кривая сильно нелинейна, поэтому отсчёт надо линеаризовать по конкретному элементу - что и описывает пара R25 и B.

Поэтому два зонда с одинаковым номинальным сопротивлением не взаимозаменяемы. Два элемента по 10 kΩ с разными постоянными B идут по разным кривым, и плата, линеаризованная под одну, будет давать смещение по всей шкале на другой, хотя при 25 °C обе сойдутся. Полученный материал указывает значение B только для исполнения 10K, а для прочих вариантов сопротивления оставляет его незаполненным, так что эти варианты нельзя считать тем же прибором с другой опорной величиной.

Что элемент действительно видит, задают корпус зонда и то, как он встречается со средой. Нержавеющая оболочка даёт элементу механическую защиту и определённый тепловой путь, и тепловая постоянная времени в 3 секунды, измеренная в перемешиваемой воде, - свойство этой сборки, а не одного полупроводника: диаметр и толщина стенки оболочки и то, насколько плотно элемент сидит внутри, значат больше, чем тип элемента. Тот же зонд в неподвижном воздухе становится медленнее, и материал говорит об этом прямо, измеряя постоянную в перемешиваемой воде.

Второй эффект, который надо держать в поле зрения, - саморазогрев. Постоянная рассеивания 3,6 mW/°C - мощность, поднимающая температуру чувствительного тела на 1 °C в неподвижном воздухе, а наибольшие 256 mW - предел разрушения, а не рабочая величина. Между ними и лежит решение: тока возбуждения должно хватать, чтобы разрешить температуру, но не так много, чтобы элемент грел сам себя. В неподвижном воздухе, где тепло уходит медленно, этот потолок заметно ниже, чем в жидкости.

Как выбрать зонд с NTC-термистором

Начинают с того, что показание должно вести. Термостат, защитный отключатель и табло температуры по-разному нагружают один и тот же зонд, а две величины, от которых зависит, возьмёт ли его плата, - это сопротивление при 25 °C и постоянная B. Там, где плата уже построена под одну пару, изменение либо номинала сопротивления, либо значения B меняет отображаемую температуру, поэтому зонд согласуют со входом, а не покупают с тем же номиналом.

Затем диапазон температур. Два приведённых в полученном материале диапазона не согласуются, и сам материал отмечает это расхождение, поэтому горячее приложение стоит строить по меньшей величине, пока она не подтверждена. Зонд, выбранный у верхнего края диапазона, не оставляет запаса ни на допуск элемента, ни на разницу между температурой среды и температурой у элемента.

Дальше механическая пригодность. Стандартный зонд - 5×25 mm, материал предлагает и другие габариты по заказу, но размер зонда - не только вопрос установки: оболочка большего размера отзывается медленнее, а меньшая достаёт туда, куда большая не дотянется. Когда зонд прижат к поверхности, а не погружён, площадь контакта и сила зажима решают не меньше, чем элемент.

Наконец соединение. Вилка XH-2P подходит к плате с парной колодкой. Там, где линия длинная или среда влажная, надо решить и длину выводов, и их изоляцию, а в полученном материале не решено ни то, ни другое.

Ограничения и то, что нужно подтвердить

Первое ограничение - семейство элемента. Это термистор, а не платиновое термосопротивление: его нельзя подставить на вход PT100, и им нельзя пользоваться там, где нужна документированная прослеживаемая температура без таблицы сопротивление-температура и без записи калибровки. Когда процесс требует температуры, которую можно отнести назад к эталону, брать надо платиновое семейство, а этот зонд ему не равен.

Второе: полученный материал не даёт таблицы сопротивление-температура. Пара R25 и B описывает кривую, но плату управления обычно линеаризуют по таблице, а не по двум числам, и несколько испытаний на надёжность выражены допустимым дрейфом сопротивления - а в ошибку по температуре это переводится только тогда, когда таблица есть.

Третье: материал не указывает ни степени защиты, ни длины выводов, ни допустимой температуры выводов, ни сертификации. На этой странице они опубликованы как требующие данных, а не как оценённые. Величины электрической прочности изоляции и сопротивления изоляции измерялись в воде, что говорит об электрической развязке сборки выводов, но не о том, сколько зонд может оставаться погружённым и в какой среде.

И наконец, идентификация открыта. Изделие не имеет обозначения модели в полученном материале, поэтому при заказе надо называть значение сопротивления, значение B, габариты зонда, длину выводов и исполнение клемм, а не ссылаться на код.