NTC-Thermistorsonde

Die Temperaturempfindlichkeit eines NTC-Sensors wird in ausgedrückt "prozentuale Änderung pro Grad ° C". Abhängig von den verwendeten Materialien und den Besonderheiten des Produktionsprozesses reichen typische Werte für Temperaturempfindlichkeiten von -3% bis -6% pro ° C..

Während die meisten NTC-Thermistor-Messsonden im Allgemeinen für den Einsatz im Temperaturbereich von -55 °C bis 200 °C geeignet sind, gibt es spezielle Familien von Sonden-CTNs, die für den Einsatz bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (- 273,15 °C) sowie solche, die speziell für den Einsatz über 150 °C ausgelegt sind.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, haben NTC-Thermistoren eine viel steilere Widerstands-Temperatur-Steigung als RTD-Messgeräte aus Platinlegierung, was zu einer besseren Empfindlichkeit für die Temperaturerfassung führt.

Trotz allem bleiben RTD-Sensoren (PLATINUM-WIDERSTANDSTHERMOMETER vom Typ Pt100) die genauesten Sensoren mit einer Genauigkeit von ± 0,5 % der gemessenen Temperatur und sie sind nützlich im Temperaturbereich zwischen -200 ° C und 800 ° C, einem viel größeren Bereich als NTC-Temperatursensoren.

Im Vergleich zu RTD ist die NTC habe ein kleinere Größe, schnellere Reaktion, größere Schlag- und Vibrationsfestigkeit bei geringeren Kosten. 
Allerdings bietet dieser Sondentyp eine etwas weniger genaue Temperaturregelung als RTDs. 

Im Vergleich zur Thermoelementsonde ist die Genauigkeit der Temperaturmessung ähnlich. Thermoelemente können jedoch sehr hohen Temperaturen (bis über 1000 °C) standhalten und werden in solchen Anwendungen anstelle von NTC-NTC-Thermistoren verwendet, wo sie manchmal als Pyrometer bezeichnet werden.

Trotzdem die Thermistoren NTC bietet eine höhere Empfindlichkeit, Stabilität und Genauigkeit als Thermoelemente bei niedrigeren Temperaturen. Darüber hinaus werden NTC-Thermistorzähler mit weniger zusätzlichen Schaltkreisen und daher zu geringeren Gesamtkosten verwendet.
Die Kosten werden weiter reduziert, da keine Signalkonditionierungsschaltkreise (Verstärker, Pegelwandler usw.) erforderlich sind, die häufig für RTDs und immer für Thermoelemente benötigt werden.

Gefahr der Selbsterwärmung

Der Selbsterwärmungseffekt ist ein Phänomen, das immer dann auftritt, wenn ein Strom durch die NTC-Thermistor-Messsonde fließt. Da der Thermistor im Grunde ein Widerstand ist, gibt er Energie als Wärme ab, wenn ein Strom durch ihn fließt.

Diese Hitze ist in der Mitte des Thermistors erzeugt und beeinflusst die Messgenauigkeit. Das Ausmaß, in dem dies geschieht, hängt von der Menge des fließenden Stroms, der Umgebung (Flüssigkeit oder Gas, Fluss auf dem NTC-Sensor usw.), dem Thermistor-Temperaturkoeffizienten und dem Thermistor-Status ab.

Die Tatsache, dass der Widerstand des NTC-Sensors und damit der durch ihn fließende Strom von der Umgebung abhängt, wird häufig in Detektoren für das Vorhandensein von Flüssigkeiten verwendet, wie sie beispielsweise in Lagertanks vorhanden sind.

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität stellt die Wärmemenge dar, die erforderlich ist, um die Temperatur des Thermistors von zu erhöhen 1 ° C und wird normalerweise ausgedrückt in mJ / ° C.. Die genaue Kenntnis der Wärmekapazität ist beim Einsatz eines NTC-Thermistorsensors als Einschaltstrombegrenzung von großer Bedeutung, da sie die Ansprechgeschwindigkeit des NTC-Temperatursensors bestimmt.

Auswahl und Berechnung der Kurve

Der strenge Auswahlprozess muss die Verlustkonstante des Thermistors, die thermische Zeitkonstante, den Widerstandswert, die Widerstandstemperaturkurve und die Toleranzen berücksichtigen, um die wichtigsten Faktoren zu nennen.

Da das Verhältnis zwischen Widerstand und Temperatur (die RT-Kurve) stark nichtlinear ist, müssen bei praktischen Systemkonstruktionen bestimmte Näherungswerte verwendet werden.

Annäherung erster Ordnung: Wenn k der negative Temperaturkoeffizient ist, ist ΔT die Temperaturdifferenz und ΔR die Widerstandsänderung, die sich aus der Temperaturänderung ergibt. Diese Näherung erster Ordnung gilt nur für einen sehr engen Temperaturbereich und kann nur für Temperaturen verwendet werden, bei denen k über den gesamten Temperaturbereich nahezu konstant ist.

Beta-Formel: Eine andere Gleichung liefert zufriedenstellende Ergebnisse mit einer Genauigkeit von ±1 ° C über den Bereich von 0 ° C bis +100 ° C. Sie hängt von einer einzigen Materialkonstante β ab, die durch Temperaturmessungen erhältlich ist. Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden:

Wobei R (T) der Widerstand bei der Temperatur T in Kelvin ist, ist R (T 0 ) ein Bezugspunkt bei der Temperatur T 0 . Die Beta-Formel erfordert eine Zweipunktkalibrierung, die typischerweise nicht genauer als ±5 °C über den gesamten nutzbaren Bereich des NTC-Thermistors ist.

Steinhart-Hart-Gleichung: Die bisher bekannteste Annäherung ist die 1968 veröffentlichte Steinhart-Hart-Formel. Dabei ist ln R der natürliche Logarithmus des Widerstands bei der Temperatur T in Kelvin, und A, B und C sind aus experimentellen Messungen abgeleitete Koeffizienten. 

Diese Koeffizienten werden normalerweise von Thermistorlieferanten im Datenblatt veröffentlicht. Die Steinhart-Hart-Formel ist typischerweise innerhalb eines Bereichs von -0,15 °C bis +50 °C auf etwa ±150 °C genau, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. 

Wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, sollte der Temperaturbereich verringert werden und eine Genauigkeit von mehr als ± 0,01 ° C über den Bereich von 0 ° C bis + 100 ° C ist möglich.

Die Wahl der Formel zur Berechnung der Temperatur aus der Widerstandsmessung sollte auf der verfügbaren Rechenleistung sowie den tatsächlichen Toleranzanforderungen basieren.

In einigen Anwendungen ist eine Näherung erster Ordnung mehr als ausreichend, während in anderen sogar die Steinhart-Hart-Gleichung die Anforderungen nicht erfüllt.

In diesem Fall muss der NTC-Thermistor-Temperaturfühler Punkt für Punkt kalibriert werden, wobei eine große Anzahl von Messungen durchgeführt und eine Übereinstimmungstabelle erstellt werden muss. 

Epoxy-verkapselte Thermistoren

Diese NTC-Thermistorsonden bestehen aus Metalloxiden (Mangan, Kobalt, Kupfer und Nickel), die in den Keramikkörper gesintert sind. 

Sie bieten im Allgemeinen schnelle Reaktionszeiten, eine bessere Stabilität und ermöglichen den Betrieb bei höheren Temperaturen als Festplatten- und Chip-NTC-Sensoren, sind jedoch anfälliger.

Es ist üblich, sie in Glas einzuschließen, um sie bei der Montage vor mechanischer Beschädigung zu schützen und ihre Messstabilität zu verbessern. Typische Größen reichen von 0,075 bis 5 mm im Durchmesser.

Scheiben- und Chip-Thermistoren

Diese NTC-Thermistorzähler haben metallisierte Oberflächenkontakte. Sie sind größer und haben langsamere Reaktionszeiten als NTC-Widerstände vom Kugeltyp.

Aufgrund ihrer Größe haben sie jedoch eine höhere Verlustleistungskonstante (erforderliche Leistung, um ihre Temperatur um 1 °C zu erhöhen) und da die vom Thermistor abgegebene Leistung proportional zum Quadrat des Stroms ist, führen sie Ströme höherer Thermistortypen.

Scheibenthermistoren werden hergestellt, indem eine Mischung aus Oxidpulvern in eine runde Matrize gepresst wird, die dann bei hoher Temperatur gesintert wird. Chips werden normalerweise durch ein Bandformverfahren hergestellt, bei dem eine Materialaufschlämmung zu einem dicken Film ausgebreitet, getrocknet und geschnitten wird. Typische Größen reichen von 0,25 bis 25 mm im Durchmesser.

In Glas eingekapselte NTC-Thermistoren