Thermistortemperatursensor

Was ist ein Thermistor-Temperatursensor?

Ein Thermistor ist ein Thermometer, dessen Widerstand von der Temperatur abhängt. Der Begriff ist eine Kombination aus „thermisch“ und „Widerstand“. Es besteht aus Metalloxiden, die zu Perlen, Scheiben oder Zylindern gepresst und dann in einem undurchlässigen Material wie Epoxid oder Glas eingekapselt werden.

Die verschiedenen Arten von Thermistor-Temperatursensoren

Es gibt zwei Arten von Thermistoren: 

  • der negative Temperaturkoeffizient (NTC oder CTN) 
  • und der positive Temperaturkoeffizient (PTC oder CTP). 

Bei einer NTC-Sonde nimmt der Widerstand ab, wenn die Temperatur ansteigt. Umgekehrt nimmt der Widerstand zu, wenn die Temperatur sinkt. Dieser Thermistortyp ist der am weitesten verbreitete.

Ein PTC-Thermistor funktioniert etwas anders. Wenn die Temperatur steigt, steigt der Widerstand und wenn die Temperatur sinkt, nimmt der Widerstand ab. Typischerweise erreicht ein Thermistor eine hohe Genauigkeit innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs von ungefähr 50 ° C um die Zieltemperatur. Dieser Bereich hängt vom Grundwiderstand ab.

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Thermistor-Symbole

Der Pfeil neben T bedeutet, dass der Widerstand je nach Temperatur variabel ist. Die Richtung des Pfeils oder des Balkens ist nicht signifikant.

Thermistorsensoren sind einfach zu verwenden, kostengünstig, robust und reagieren vorhersehbar auf Änderungen. Obwohl sie bei sehr niedrigen oder hohen Temperaturen nicht gut funktionieren, sind sie der Sensor der Wahl für Anwendungen, die Temperaturen über einen niedrigen Messbereich messen. Der Thermistor ist ideal, wenn eine präzise Temperaturregelung erforderlich ist.

Einige der häufigsten Anwendungen für Thermistoren sind digitale Thermometer, Öl- und Kühlmitteltemperaturmessungen, Haushaltsgeräte wie Öfen und Kühlschränke.

Abbildung 1: Thermistorsymbol - USA und Japan

Wie "misst" der Thermistor die Temperatur?

In der Realität "liest" ein Thermistor nichts, der Widerstand eines Thermistors ändert sich mit der Temperatur. Der Grad der Widerstandsänderung hängt von der Art des im Thermistor verwendeten Materials ab.

Im Gegensatz zu anderen Messsonden sind Thermistoren nichtlinear, was bedeutet, dass die Punkte in einem Diagramm, das die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur darstellt, keine gerade Linie bilden. Die Konstruktion des Thermistors bestimmt die Position der Leitung und ihre Entwicklung. Ein typisches Thermistordiagramm sieht folgendermaßen aus:

Abbildung 2: Widerstand als Funktion der Temperatur

Was ist der Unterschied zwischen einem Thermistor und anderen Sensoren?

Zusätzlich zu Thermistoren werden mehrere andere Arten von Temperatursensoren verwendet. Am gebräuchlichsten sind Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) und integrierte Schaltkreise (ICs). Welche Messsonde für einen bestimmten Zweck am besten geeignet ist, hängt von vielen Faktoren ab. 

Temperaturbereich: Der ungefähre globale Temperaturbereich, in dem ein Sondentyp verwendet werden kann. Innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs arbeiten einige Sensoren besser als andere.

Kosten: Relative Kosten, wenn diese Sensoren miteinander verglichen werden. Zum Beispiel sind Thermistoren im Vergleich zu RTDs kostengünstig, teilweise weil das Material der Wahl für RTDs Platin ist.

Empfindlichkeit: ungefähre Zeit, die benötigt wird, um von einem Temperaturwert zum anderen zu gelangen. Dies ist die Zeit in Sekunden, die ein Thermistor benötigt, um 63,2% der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem letzten Messwert zu erreichen.

Welche Arten von Thermistoren gibt es?

Thermistor-Temperatursensoren gibt es in einer Vielzahl von Formen – Scheibe, Chip, Perle oder Stab – und können auf der Oberfläche montiert oder in ein System integriert werden. Sie können mit Epoxidharz, Glas, eingebranntem Phenolharz vergossen oder lackiert werden. Die beste Form hängt oft von dem zu überwachenden Material ab, wie z. B. einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas.

Ein Thermistorchip ist normalerweise auf einer Leiterplatte montiert. Es gibt viele, viele verschiedene Formen von Thermistoren.

Wählen Sie eine Form, die maximalen Oberflächenkontakt mit dem Gerät ermöglicht, dessen Temperatur überwacht wird. Unabhängig vom Thermistortyp muss die Verbindung zum überwachten Gerät mit einer Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder einem Epoxidklebstoff hergestellt werden. Es ist im Allgemeinen wichtig, dass diese Paste oder dieser Klebstoff keine Elektrizität leitet.

Wie funktioniert ein Thermistor in einem gesteuerten System?

Der Thermistor wird hauptsächlich verwendet, um die Temperatur eines Geräts zu messen. In einem temperaturgesteuerten System ist der Thermistor ein kleiner, aber wichtiger Teil eines größeren Systems. Ein Temperaturregler überwacht die Temperatur des Thermistors. Es teilt dann einem Heiz- oder Kühlgerät mit, wann es ein- oder auszuschalten ist, um die Sondentemperatur aufrechtzuerhalten.

Der Sensorkopf wird auf der Kühlplatte befestigt, die eine bestimmte Temperatur halten muss, um das Gerät zu kühlen, und die Drähte werden mit dem Temperaturregler verbunden. Der Temperaturregler ist auch elektronisch mit der Peltier-Vorrichtung verbunden, die die Zielvorrichtung heizt und kühlt. Der Kühlkörper ist an der Peltier-Vorrichtung angebracht, um die Wärmeableitung zu erleichtern.

Die Position der Thermistorsonde im System beeinflusst sowohl die Stabilität als auch die Messgenauigkeit des Steuersystems. Für eine bessere Stabilität sollte der Thermistor so nah wie möglich an der thermoelektrischen oder Widerstandsheizung platziert werden. Für beste Genauigkeit sollte sich der Thermistor in der Nähe des Geräts befinden, das eine Temperaturregelung erfordert.

Idealerweise ist der Thermistor im Gerät eingebaut, er kann aber auch mit Wärmeleitpaste oder Kleber befestigt werden. Auch wenn ein Messgerät integriert ist, müssen Luftspalte mit Wärmeleitpaste oder Kleber beseitigt werden.

Was sind die oberen und unteren Spannungsgrenzen am Eingang des Temperatursensors?

Die an einen Temperaturregler zurückgegebenen Sensorspannungsgrenzen werden vom Hersteller festgelegt. Wählen Sie im Idealfall einen Thermistor und eine Kombination von Vorspannungsströmen, die eine Spannung innerhalb des vom Temperaturregler zugelassenen Bereichs erzeugen.

Ohm'sches Gesetz

Die Spannung ist an den Widerstand gebunden (Ohmsches Gesetz). Diese Gleichung wird verwendet, um zu bestimmen, welcher Vorspannungsstrom erforderlich ist. Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom, der durch einen Leiter zwischen zwei Punkten fließt, direkt proportional zur Potentialdifferenz zwischen den beiden Punkten ist und dass für diesen Vorspannungsstrom geschrieben wird:

U = R x I

wo:

U ist die Spannung in Volt (V)

I BIAS ist der Strom in Ampere oder in Ampere (A)

I BIAS bedeutet, dass der Strom fest ist

R ist der Widerstand in Ohm (Ω)

Die Steuerung erzeugt einen Vorspannungsstrom, um den Widerstand des Thermistors in eine messbare Spannung umzuwandeln. Die Steuerung akzeptiert nur einen bestimmten Spannungsbereich. Wenn beispielsweise ein Reglerbereich zwischen 0 und 5 V liegt, sollte die Thermistorspannung nicht weniger als 0,25 V betragen, damit ein geringes elektrisches Rauschen das Lesen nicht stört und nicht nicht mehr als 5 V, um gelesen werden zu können.

Beispiel

Angenommen, die Verwendung des Controllers ATR121 und ein 10 kΩ Thermistor (B25 / 85: 3435K), wie die Sensoren Universal NTC wasserdicht 10kOhm B3435 1500mm - Guilcor und dass die Temperatur, die das Gerät aufrechterhalten muss, 20 ° C beträgt. Gemäß dem technischen Datenblatt beträgt der Widerstand 10 Ω bei 000 ° C. Um festzustellen, ob der Thermistor mit der Steuerung arbeiten kann, müssen wir den verwendbaren Bereich kennen Vorspannungsströme. Wenn wir das Ohmsche Gesetz verwenden, um I zu lösen, wissen wir Folgendes:

G / R = I BIAS
0,25 / 10 = 000 uA ist das unterste Ende des Bereichs
5,0 / 126700 = 500 uA ist am höchsten

Ja, dieser Thermistor funktioniert, wenn der Vorspannungsstrom des Temperaturreglers zwischen 25 µA und 500 µA eingestellt werden kann.

Bei der Auswahl eines Thermistors und eines Vorspannungsstroms ist es am besten, einen Sensor zu wählen, dessen Spannung in der Mitte des Bereichs liegt. Der Reglereingang muss mit Strom versorgt werden, abgeleitet vom Widerstand des Thermistors.

Das genaueste Modell zur Umwandlung des Widerstands von Thermistoren in Temperatur heißt Steinhart-Hart-Gleichung.

Was ist die Steinhart-Hart-Gleichung?

Die Steinhart-Hart-Gleichung ist ein Modell, das zu einer Zeit entwickelt wurde, als Computer nicht allgegenwärtig waren und die meisten mathematischen Berechnungen mit Rechenschiebern und anderen mathematischen Werkzeugen wie z als die transzendentalen Funktionstabellen. Die Gleichung wurde als einfache Methode entwickelt, um Thermistortemperaturen einfach und genauer zu modellieren. Die Steinhart-Hart-Gleichung lautet wie folgt:

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

wo:

T ist die Temperatur in Kelvin (K, Kelvin = Celsius + 273,15),

R ist der Widerstand in T in Ohm (Ω).

A, B, C, D und E sind die Steinhart-Hart-Koeffizienten, die je nach Typ variieren. des verwendeten Thermistors und des erfassten Temperaturbereichs.

In Natural Log oder Log Base Napierian 2.71828

Die verwendete Standard-Steinhart-Hart-Gleichung lautet wie folgt:

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

Einer der Vorteile von Computerprogrammen besteht darin, dass Gleichungen, deren Lösung Tage oder sogar Wochen gedauert hätte, in wenigen Augenblicken gelöst werden. Geben Sie „Steinhart-Hart Equation Calculator“ in eine beliebige Suchmaschine ein und Seiten mit Links zu Online-Rechnern werden zurückgegeben.

Wie wird die Steinhart-Hart-Gleichung verwendet?

Diese Gleichung berechnet den tatsächlichen Widerstand eines Thermistors als Funktion der Temperatur genauer. Je enger der Temperaturbereich ist, desto genauer ist die Widerstandsberechnung. Die meisten Thermistorhersteller liefern die Koeffizienten A, B und C für einen typischen Temperaturbereich.

Wer sind Steinhart und Hart?

John S. Steinhart und Stanley R. Hart entwickelten und veröffentlichten die Steinhart-Hart-Gleichung erstmals 1968 in einem Artikel mit dem Titel „Kalibrierungskurven für Thermistoren“, als sie Forscher an der Carnegie Institution in Washington waren . Steinhart wurde später Professor für Geologie und Geophysik, studierte dann Meereswissenschaften an der Universität von Wisconsin-Madison und Stanley R. Hart wurde leitender Forscher an der Woods Hole Oceanographic Institution.

Fazit

Thermistorsensoren sind temperaturabhängige Widerstände, die ihren Widerstand bei Temperaturänderungen ändern. Sie sind sehr empfindlich und reagieren auf sehr kleine Temperaturänderungen. Sie werden am besten verwendet, wenn eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten werden muss und wenn Temperaturen innerhalb von 50 °C der Umgebungstemperatur überwacht werden.

Thermistormessgeräte sind als Teil eines Temperaturregelsystems die beste Möglichkeit, die Erwärmung und Kühlung eines Peltier-Geräts zu messen und zu steuern. Ihre Fähigkeit, sich pro Minute anzupassen, ermöglicht maximale Systemstabilität. Thermistoren können integriert oder auf dem Gerät montiert werden, das eine Temperaturüberwachung erfordert. Je nach Typ können sie Flüssigkeiten, Gase oder Feststoffe messen.



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