Bagaimana Termistor Digunakan untuk Mengukur Suhu: Cara Kerja, Sirkuit, Aplikasi

Saat Anda menyetel alat penggoreng udara dan mati pada saat yang tepat, atau penanak nasi turun agar tetap hangat tepat ketika butiran telah menyerap cukup air, ada komponen kecil yang memikirkan alat tersebut. Komponen tersebut adalah termistor, sebuah resistor dua terminal yang resistansinya berubah seiring suhu. Artikel ini menjelaskan cara termistor digunakan untuk mengukur suhu: prinsip fisika yang membuatnya bekerja, rangkaian yang membaca resistansinya, matematika yang mengubah pembacaan tersebut menjadi suhu, dan detail praktis yang menentukan apakah pengukuran tetap akurat selama penggunaan bertahun-tahun.

Resistensi Yang Berubah Sesuai Suhu

Kesimpulan pertama: termistor NTC mengukur suhu karena resistansinya turun dengan cara yang diketahui dan berulang seiring kenaikan suhu. Properti tunggal itulah yang mengubah komponen pasif menjadi sensor.

Termistor terbuat dari bahan semikonduktor keramik, biasanya oksida logam, disinter menjadi manik, chip, atau cakram kecil. Ada dua keluarga. Termistor koefisien suhu negatif (NTC) menurunkan resistansi seiring meningkatnya suhu; termistor koefisien suhu positif (PTC) meningkatkan resistansi dan lebih sering digunakan untuk proteksi arus berlebih atau pemanas yang dapat mengatur sendiri. Untuk pengukuran suhu, tipe NTC mendominasi.

Perubahannya cukup besar untuk dibaca tanpa perangkat elektronik yang rumit. Termistor NTC 10 kΩ pada suhu 25°C berukuran sekitar 33,6 kΩ pada 0°C dan sekitar 700 Ω pada 100°C - ayunan hampir 50 banding 1 pada rentang pengoperasian sebagian besar peralatan rumah tangga. Sebuah Sensor suhu NTC oleh karena itu hanya memerlukan input analog dasar pada mikrokontroler, sedangkan termokopel memerlukan amplifikasi dan kompensasi sambungan dingin. Kombinasi sinyal besar, biaya rendah, dan ukuran kecil inilah yang menyebabkan termistor muncul di hampir setiap peralatan dengan pengatur suhu.

Bagaimana Mikrokontroler Membaca Termistor

Kesimpulan pertama: mikrokontroler membaca termistor melalui pembagi tegangan, karena konverter analog-ke-digital (ADC) mengukur tegangan, bukan hambatan.

Susunan standar menghubungkan termistor dan resistor tetap secara seri melintasi rel suplai, dengan titik pengukuran di antara keduanya. ADC mengukur tegangan node, dan resistansi dihitung dari tegangan tersebut. Jika termistor berada pada sisi rendah dan resistor tetap berada pada sisi tinggi:

Vout = Vcc × Rtetap / (Rtermistor Tetap)

Ketika termistor memanas dan resistansinya turun, semakin banyak tegangan suplai yang turun pada resistor tetap, sehingga Vout naik. Saat dingin, Vout jatuh.

Rantai pengukuran praktis memiliki empat bagian:

• Tegangan suplai yang stabil, biasanya 3,3 V atau 5 V
• Sebuah resistor tetap dengan toleransi yang ketat, sebaiknya 1% atau lebih baik
• Termistor NTC dalam paket yang sesuai dengan lingkungan pengoperasian
• ADC dengan resolusi yang cukup untuk membedakan langkah suhu terkecil yang menjadi perhatian desain

Termistor NTC 10 kΩ dengan nilai B 3950, dipasangkan dengan resistor tetap 10 kΩ dan suplai 5 V, menghasilkan pembacaan berikut:

Perhatikan jarak yang tidak rata: antara 0°C dan 25°C, output berubah sebesar 1,35 V, sedangkan antara 75°C dan 100°C hanya berubah sebesar 0,32 V. Sensitivitas secara alami lebih tinggi pada suhu yang lebih rendah. Desainer menerima hal ini, mengatur ulang pembagi untuk membiaskan sensitivitas terhadap jendela pengoperasian, atau memperbaikinya dalam firmware karena kurvanya mulus dan dapat diulang.

Mengubah Resistansi menjadi Suhu

Kesimpulan pertama: setelah resistansi diketahui, tiga metode standar mengubahnya menjadi suhu: tabel pencarian, persamaan parameter B, atau persamaan Steinhart-Hart. Pilihannya adalah trade-off antara kesederhanaan, penggunaan memori, dan akurasi.

Tabel Pencarian (Tabel R-T)

Produsen menerbitkan tabel resistansi versus suhu untuk setiap jenis sensor. Firmware menyimpan tabel itu, menemukan dua entri yang mengelompokkan resistansi saat ini dan melakukan interpolasi secara linier di antara keduanya. Ini adalah metode tercepat pada mikrokontroler kecil dan paling umum pada papan kontrol peralatan. Tangkapannya adalah tabel tersebut harus sesuai dengan nilai B sensor. Memasangkan tabel B = 3435 dengan sensor B = 3950 menghasilkan kesalahan beberapa derajat di kedua ujung rentang.

Persamaan Parameter B

Untuk rentang suhu sedang, resistansinya sebagai berikut:

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298.15)]

dimana T dalam kelvin, R25 adalah resistansi pada 25°C dan B adalah konstanta material, biasanya antara 3000 K dan 5000 K untuk termistor NTC. Persamaan ini hanya memerlukan dua konstanta dan mudah diterapkan. Alat ini kehilangan keakuratannya ketika rentang suhu melebihi 50°C, namun dalam jangka waktu yang sempit, alat ini merupakan cara tercepat untuk memperkirakan suhu tanpa menggunakan tabel.

Persamaan Steinhart-Hart

Untuk jangkauan terluas dan akurasi terbaik, persamaan Steinhart-Hart adalah pilihan standar:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Ketiga koefisien, A, B dan C (jangan bingung dengan konstanta material di atas), disesuaikan dengan kurva yang diukur sensor. Dengan koefisien yang baik, persamaan ini berlaku dalam seperseratus derajat di seluruh rentang terukur. Mikrokontroler mengevaluasinya beberapa kali per detik, sehingga biaya komputasi dapat diabaikan.

Apapun metode yang digunakan, sensor itu sendiri membawa toleransi. Termistor NTC standar memiliki toleransi resistansi sekitar ±1% pada 25°C dan toleransi nilai B ±1%, yang jika digabungkan berarti kesalahan sekitar ±0,5°C hingga ±1°C pada 100°C. Jika desain memerlukan akurasi yang lebih ketat, tentukan sensor dengan kualitas lebih tinggi atau lakukan kalibrasi satu titik di jalur produksi.

Pertimbangan Praktis yang Menentukan Akurasi Nyata

Kesimpulan pertama: keakuratan pengukuran termistor ditentukan oleh kondisi pemasangan dan pengoperasian serta oleh elemen sensor itu sendiri. Pada peralatan nyata, empat faktor menyebabkan sebagian besar kesalahan.

Pemanasan sendiri. Arus bias menghangatkan sensor sedikit di atas media yang diukur, menciptakan kesalahan yang terus-menerus. Pertahankan disipasi daya di bawah sekitar 1 mW untuk sensor manik kaca. Sebagai referensi, sensor 10 kΩ dalam pembagi 10 kΩ dengan suplai 3,3 V menghilangkan sekitar 0,27 mW pada 25°C - aman, namun mudah terlampaui jika tegangan suplai dinaikkan atau resistor tetap dibuat jauh lebih besar.

Pencocokan nilai B. Dua sensor dengan resistansi yang sama pada suhu 25°C tetapi nilai B yang berbeda terbaca sama pada suhu kamar dan semakin menyimpang dari suhu tersebut. Konfirmasikan bahwa nilai B dari sensor produksi sesuai dengan karakterisasi di firmware; ketidakcocokan adalah akar penyebab umum dari perilaku "baik pada suhu 25°C, salah pada suhu 90°C".

Pengemasan dan waktu respons. Elemen keramik telanjang merespons dalam sepersekian detik, namun enkapsulasi memperlambatnya. Manik-manik berlapis epoksi bereaksi dengan cepat dan menyesuaikan udara kering yang bergerak melintasi elemen pemanas; probe yang terbuat dari logam atau silikon lebih lambat tetapi tahan terhadap air, uap, dan bahan pembersih. Memilih probe tersegel untuk aplikasi basah, atau manik epoksi cepat untuk aliran udara, sama pentingnya dengan spesifikasi kelistrikan.

Penempatan. Termistor mengukur suhu lokalnya sendiri. Letaknya sedekat mungkin dengan titik yang dikontrol - elemen pemanas, rongga memasak, atau cairan yang dipanaskan. Jarak beberapa milimeter, hembusan angin dari kipas pendingin, atau braket logam tebal yang menyerap panas dapat menggeser pembacaan beberapa derajat.

Sistem termistor tingkat peralatan, yang ditentukan dan dipasang dengan mempertimbangkan keempat faktor ini, akan mempertahankan kalibrasinya selama bertahun-tahun. Tingkat prediktabilitas inilah yang diandalkan oleh produsen ketika mereka membangun algoritma kontrol pada komponen berbiaya rendah.

Pengukuran Termistor pada Peralatan Rumah Tangga Nyata

Pada peralatan produksi, termistor tidak pernah bekerja secara terpisah. Ini terhubung ke papan kontrol melalui rangkaian kabel, dan konektor, kabel timah, dan insulasi adalah bagian dari sistem pengukuran. Sensor dengan terminal longgar atau insulasi retak menghasilkan pembacaan terputus-putus yang tidak dapat dikoreksi oleh kalibrasi apa pun. Oleh karena itu, produsen mengevaluasi sensor, rangkaian kabel, dan konektor sebagai satu kesatuan, bukan sebagai bagian komoditas yang terpisah.

Dalam alat penggoreng udara, sensor NTC memantau rongga memasak dan melapor ke pengontrol, yang mengalihkan pemanas untuk mempertahankan suhu yang disetel. Sensor harus bereaksi dengan cepat dan tetap stabil dalam perubahan suhu yang luas; sensor yang lambat menyebabkan overshoot dan warna kecoklatan yang tidak merata.

Sensor Suhu NTC Penggorengan Udara dari Cixi Tengyu Sensor NTC dengan respons cepat dari pabrikan Tiongkok mendukung kontrol suhu yang stabil pada penggorengan udara, membantu menghindari overshoot dan pencoklatan yang tidak merata selama siklus memasak. Lihat Produk →

Ketel listrik adalah ujian yang berbeda. Sensor dipasang pada pelat pemanas dengan segel termal, dan firmware memantau kenaikan suhu yang cepat. Jika kopling termal melemah, ketel dapat terus memanas melewati titik didih sebelum pengontrol bereaksi. Elemen respons cepat yang dipadukan dengan struktur pemasangan yang andal membuat ketel listrik dapat mati dengan andal setiap saat.

Pemasok Sensor Suhu NTC Ketel Listrik Pemasok ini menawarkan sensor NTC untuk ketel listrik, dengan kopling termal dan respons cepat untuk mencegah panas berlebih, memastikan penghentian yang dapat diandalkan selama perebusan. Lihat Produk →

Penanak nasi menggunakan prinsip yang sama lebih lanjut. Sensor berada di bawah panci bagian dalam, dan pengontrol mengamati laju kenaikan suhu untuk menentukan kapan air telah terserap, lalu mematikan daya untuk menjaga kehangatan. Ini adalah aplikasi termistor klasik: sensor berbiaya rendah, pembagi sederhana, dan kurva berkarakteristik yang bekerja sama untuk menghasilkan hasil memasak yang konsisten. Pendekatan yang sama juga terjadi pada pembuat susu kedelai, pengolah makanan, dan alat pemasak tekanan listrik.

Produsen Sensor Suhu NTC Penanak Nasi Sensor dari pembuat ini cocok untuk penanak nasi, memantau kenaikan suhu untuk mengatur penyerapan air dan fungsi penghangat, sehingga mendukung hasil memasak yang konsisten. Lihat Produk →

Dari sudut pandang pengadaan, pertanyaan praktisnya bukanlah apakah termistor mengukur suhu dengan baik - memang demikian - namun apakah sensor yang disertakan memiliki karakteristik kurva RT yang benar, dikemas untuk lingkungan nyata dan dikirimkan dengan kabel yang tahan dalam perakitan dan penggunaan sehari-hari. Memilih a wiring harness dan produsen sensor suhu NTC yang mengontrol semua elemen tersebut secara bersamaan menghindari masalah ketidakcocokan yang muncul setelah produk sampai di lapangan.

Intinya

Termistor mengukur suhu karena resistansinya mengikuti kurva yang dapat diulang dan dipahami dengan baik. Rantainya pendek: pembagi tegangan mengubah resistansi menjadi tegangan, ADC mendigitalkan tegangan tersebut, dan tabel pencarian atau persamaan Steinhart-Hart mengubahnya menjadi suhu. Akurasi sebenarnya berasal dari detail yang tidak ditunjukkan oleh persamaan - pemanasan sendiri, pencocokan nilai B, pengemasan, penempatan, dan kabel yang menghubungkan sensor ke pengontrol. Tangani detail tersebut dengan benar, dan komponen yang harganya beberapa sen per unit akan membuat peralatan berada dalam satu atau dua derajat dari targetnya selama bertahun-tahun pengoperasian sehari-hari.