اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی یا ترمیستور

 

  • مقاومت حرارتی چیست ؟

یکی از روش های اندازه گیری دما استفاده از روش اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی یا ترمیستور است. اساس کار این روش تبدیل تغییرات درجه حرارت به تغییرات مقاومت الکتریکی است. مقاومت حرارتی یا ترمیستور نوعی مقاومت متغیر است که مقاومت الکتریکی آن به نسبت به مقاومت های استاندارد وابستگی بیشتری به دما دارد. درصد تغییرات مقاومت یک ترمیستور در اثر یک درجه تغییر دما، چیزی در حدود ۳ الی ۵ درصد است. 

همانطور که می دانید مقاومت الکتریکی یک جسم از رابطه (R=ρ (L/A محاسبه می شود. در این رابطه، L طول جسم، A سطح مقطع و ρ مقاومت مخصوص جسم است که به ویژگی های ذاتی جسم و دمای آن بستگی دارد. با ثابت بودن سایر پارامترها در صورتی که دمای جسم تغییر کند، مقاومت الکتریکی آن تغییر خواهد کرد.

 

اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی

 

  • انواع مقاومت حرارتی

انواع مقاومت حرارتی به دو دسته تقسیم می شوند.

  1. مقاومت حرارتی با ضریب حرارتی مثبت (PTC)
  2. مقاومت حرارتی با ضریب حرارتی منفی (NTC)
شمای فنی ترمیستور PTC
شمای فنی ترمیستور PTC

 


برای پشتیبانی فنی با شرکت الیکا الکتریک تماس بگیرید: 

031-32664550

031-32663836

031-32663837


 

ترمیستور یا مقاومت حرارتی PTC

ترمیستور یا مقاومت حرارتی PTC از مواد سرامیکی چندکریستالی با ضریب حرارتی مثبت بالا ساخته شده است. در اندازه گیری دما با ترمیستور PTC یا Positive Temperature Coefficient، مقاومت الکتریکی با افزایش دما افزایش و با کاهش آن، کاهش می یابد. یعنی با اندازه گیری مقاومت ترمیستور دما بدست می آید از فلزات به عنوان عناصر PTC استفاده می شود، اما مقاومت الکتریکی آنها کم است. بنابراین برای آشکارسازی تغییرات مقاومت الکتریکی باید اندازه مقاومت فلز نسبتا بزرگ باشد، به همین دلیل با ساخت مقاومت به صورت سیم پیچ طول آن افزایش یافته و مقاومت بزرگی می سازد.

مقاومت حرارتی PTC
                ترمیستور PTC
  • پل وتسون

برای آشکارسازی تغییرات مقاومت معمولا مولتی متر دیجیتال استفاده می شود. اما برای اندازه گیری مقاومت های کوچک هنوز استفاده از مدار پل وتسون کاربرد دارد. مدار پل وتسون از چهار مقاومت که به صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شده اند تشکیل می شود. شکل زیر مدار پل وتسون را نشان می دهد.

پل وتسون
                             پل وتسون

در مدار پل وتسون در صورتی که ضرب مقاومت های روبه رو با هم مساوی باشد ولتاژ دو نقطه C و D با هم مساوی می شوند. در این حالت پل وتسون در تعادل است. برای اندازه گیری مقاومت می توان بین دو نقطه C و D یک ولت متر قرار داد. با معلوم بودن ولتاژ R1 و R2 مطابق شکل زیر و مقاومت متغیر R3، می توان مقدار مقاومت RX را بدست آورد. برای این کار میزان مقاومت R3 را تغییر می دهیم تا ولتاژ Vout برابر صفر شود. در این صورت تنها مجهول مقاومت RX است که با استفاده از رابطه پل وتسون در حالت تعادل بدست می آید.

عملکرد مدار پل وتسون
                    عملکرد مدار پل وتسون

 

برای بررسی تغییرات دما در ترمیستور PTC کافی است مقاومت ترمیستور را جایگزین مقاومت مجهول کنیم و مقاومت R3 به گونه ای تنظیم کنیم که در دمای صفر درجه سانتیگراد عقربه ولت متر صفر را نشان دهد. با افزایش دما، عقربه ولتمتر در جهت مثبت (دمای بالاتر از صفر) و با کاهش دما، عقربه ولت متر در جهت منفی(دمای پایین تر از صفر) منحرف می شود. این انحراف بعنوان درجه حرارت معرفی می گردد. در شکل زیر، مشخصه تغییرات مقاومت چند فلز معروف نسبت به درجه حرارت آمده است.

 

مشخصه تغییرات دما بر اساس نوع فلز

 

  • انواع ترمیستور PTC  تجاری

    • سیلیستور

در سیلیستور ها (Silistor) منحنی عملکرد مقاومت-دما تقریبا به صورت خطی با شیبی است که در بیشتر کاربردها بسیار کم است (به منحنی عملکرد ترمیستور PTC مراجعه کنید). این شیب در ضریب دمایی منفی در دمایی بالای 150 درجه سانتی گراد نمایش داده شود. سیلیستور ضریب دمایی در حدود 0.7 تا 0.8 درصد درجه سانتی گراد دارد.

    • ترمیستور سوئیچینگ یا کلید زنی

در ترمیستور سوپیچینگ یا کلید زنی (PTC Switching) همانطور که در منحنی عملکرد آن مشخص است تا نقطه Rmin، ضریب دما کمی منفی است. بعد از این نقطه ضریب دما تا حدی مثبت می شود تا به دمای انتقال یعنی Tc برسد. به این دما، دمای کلید زنی، انتقال یا Curie گفته می شود. در این دما مقاومت ترمیستور PTC سوپیچینگ یا کلید زنی با شیب زیادی افزایش می یابد. دمای Curie به دمایی گفته می شود که در آن دما مقاومت دوبرابر Rmin باشد.

Rmin نقطه ای است که در آن ضریب دما مثبت می شود.

R25 مقاومتی است که ترمیستور PTC در دمای 25 درچه سانتی گراد داد. این مقاومت با جریان پایین اندازه گیری می شود.

 

منحنی عملکرد ترمیستور PTC
                                             منحنی عملکرد ترمیستور PTC

 

 

  • کاربرد مقاومت حرارتی یا ترمیستور  PTC

این نوع ترمیستور ها به علت حساسیت به دما، به عنوان سنسور مورد استفاده قرار می گیرند.از ترمیستورهای PTC در مدارهای قدرت برای حفاظت در برابر جریان هجومی استفاده می شوند. در ادامه کاربرد مقاومت حرارتی PTC معرفی می شوند:

  • هیترهای خود تنظیم با ترمیستور PTC

در مقاومت حرارتی PTC دمای ترمیستور بر اساس جریان عبوری به طور خودکار تنظیم می شود. وقتی در هیترها دما کاهش پیدا کند، مقاومت نیز با دما کم می شود و جریان عبوری از ترمیستور PTC افزایش می یابد و هیتر گرم می شود. به طور مشابه اگر دما افزایش یابد مقاومت ترمیستور نیز با دما افزایش یافته و جریان عبوری کم می شود. در نتیجه هیتر خنک می شود.

هیتر های خود تنظیم ترمیستور PTC

  • محافظت در برابر اضافه جریان با ترمیستور PTC

از مقاومت حرارتی PTC در بسیاری از مدارها برای محافظت در برابر اضافه جریان استفاده می شود. در صورتی که اضافه جریان در مدار اتفاق بیفتد دمای بدنه ترمیستور PTC افزایش یافته و مقاومت آن به شدت بالا می رود و جریان را محدود می کند. وقتی مشکل در مدار برطرف شود و مقاومت حرارتی خنک گردد مدار دوباره به عملکرد عادی خود ادامه می دهد. برای این کاربرد عموماً از ترمیستورهای پلمیری استفاده می شود.

ترمیستور محافظت در برابر اضافه جریان

  • تاخیر زمانی در ترمیستور PTC

تاخیر زمانی مورد نیاز برای یک مدار می تواند با استفاده از مقاومت حرارتی PTC و مدت زمان مورد نیاز برای گرم شدن مقاومت و رسیدن به حالت مقاومت بالا در ترمیستور تأمین شود. برای مثال از ترمیستور PTC در لامپ های فلورسنت استفاده می شود. در ابتدای کار وقتی ولتاژ به لامپ فلورسنت اعمال می شود، ترمیستور PTC خنک است و ولتاژ لامپ کمتر از ولتاژ راه انداز لامپ است. جریان عبوری از مدار، الکترود ها و ترمیستور را گرم می کند. وقتی ترمیستور به دمای بالاتری رسید، تغییر حالت می دهد و ولتاژ لامپ به ولتاژ راه انداز می رسد و روشن می شود. 

 

  • استفاده از ترمیستور PTC برای راه اندازی موتور

بعضی موتور های الکتریکی سیم پیچ راه اندازی جداگانه ای دارند که فقط باید در طول راه اندازی برق رسانی شود. در این شرایط از خاصیت گرم کنندگی خودکار ترمیستور های PTC که به صورت سری با سیم پیچ قرار گرفته اند استفاده می شود. وقتی مدار روشن شود، ترمیستور مقاومت کمی دارد و اجازه عبور جریان به سیم پیچ راه انداز را می دهد. وقتی موتور شروع به کار کرد مقاومت حرارتی گرم می شود و مقاومت آن بالا می رود و جریان عبوری از آن بسیار کم می شود و عملا مدار راه انداز از موتور جدا می شود.

بنابراین از مقاومت حرارتی برای حفاظت حرارتی وسایل سیم پیچی شده مانند موتورها و ترانسفورماتورها به کار استفاده می شود. در عمل  PTC ها در داخل سیم پیچ وسیله برقی جاسازی شده و با منبع تغذیه به صورت سری قرار می گیرند.

 

  • محدود کردن جریان های هجومی در منبع تغذیه سوئیچ با ترمیستور PTC

 

کاربرد-PTC-محدود کردن-جریان های-هجومی-در-منبع-تغذیه-سوئیچ

 

  • محدود کردن جریان های هجومی برای اینورترهای صنعتی با ترمیستور PTC

مدار-محدود-کردن-جریان-هجومی-برای-اینورترهای-صنعتی-به-همراه-PTC

 

  • حفاظت اضافه جریان برای سولنوئید با ترمیستور PTC

مدار-حفاظت-اضافه-جریان-برای-سولنوئید-با-PTC

 

  • حفاظت اضافه جریان برای موتورهای on-board DC با ترمیستور PTC

مثال-مدار-حفاظت-اضافه-جریان-برای-موتورهای-on-board-DC

 

  • حفاظت اضافه جریان در تجهیزات حفاظتی سرج (SPD) با ترمیستور PTC

به طور مثال در تصویر زیر حفاظت مدار برای SPD پلاگین (plug-in) به همراه ترمیستور PTC را مشاهده می کنید.

 

مثال-حفاظت-مدار-برای-SPD-پلاگین-(plug-in)-به-همراه-ترمیستور-PTC

 

ترمیستور یا مقاومت حرارتی NTC

در ترمیستور NTC یا Negative Temperature Coefficient مقاومت الکتریکی با افزایش دما کاهش و با کاهش آن،افزایش می یابد. ترمیستور های امروزی می توانند دماهای پایین حدود ۱۰۰ تا دماهای بالا حدود ۵۰۰+ را اندازه گیری کنند. 

شبیه به RTD، ترمیستور نیز یک مقاومت حساس به دما است. در حالی که ترموکوپل متنوع ترین سنسور دما ,RTD پایدارترین سنسور دما است، ترمیستور حساس ترین سنسور دما است. ترمیستور بیشترین تغییرات نسبت به دما را از خود نشان می دهد. ترمیستور ها معمولاً از مواد نیمه هادی تشکیل شده اند. 

ترمیستور NTC
                                                           ترمیستور NTC

 

  • مدارهای پایه برای تشخیص و جبران سازی دما از طریق ترمیستور NTC

از ترمیستورهای NTC با یک مقاومت سری می توان به عنوان قسمتی از یک مدار تقسیم ولتاژ استفاده کرد. در این صورت با تغییر مقاومت ناشی از تغییر دما، ولتاژ خروجی وابسته به دما تولید می شود. با افزایش دما مقاومت NTC کاهش یافته و ولتاژ خروجی مدار تقسیم ولتاژ را تغییر می دهد. این تغییر برای شروع عملیات جبران دما و حفاظت از اجزای مدار از افزایش دما، به میکروکنترلر فرستاده می شود.

مدارهای-پایه-برای-تشخیص-و-جبران سازی-دما-از-طریق-ترمیستور-NTC

 

ترمیستورهای NTC با مقاومت 10 کیلو اهم رایج تر هستند. به طور مثال در مدار NTC شکل زیر ولتاژ خروجی در دمای 25 درجه و 100 درجه سانتی گراد مطابق زیر به دست می آید.

 

مثالی-از-مدار-NTC

 

 

ولتاژ-خروجی-در-مدار-NTC

  • کاربرد مقاومت حرارتی یا ترمیستور NTC

  • محدود کردن جریان هجومی در منبع تغذیه سوئیچینگبا ترمیستور NTC

مدار-محدود-کردن-جریان-هجومی-در-منبع-تغذیه-سوئیچینگ-با-NTC

  • محدود کردن جریان هجومی در ماژول قدرت AC-DC با ترمیستور NTC

مدار-محدود-کردن-جریان-هجومی-در-ماژول-قدرت-AC-DC-با-مقاومت-حرارتی-NTC

 

  • محدود کردن جریان هجومی در مبدل DC-DC با ترمیستور NTC

مدار-محدود-کردن-جریان-هجومی-در-مبدل-DC-DC-با-NTC

 

  • محدود کردن جریان هجومی در اینورتر صنعتی تک فاز و سه فاز با ترمیستور NTC

 

مدار-محدود-کردن-جریان-هجومی-در-اینورتر-صنعتی-تک-فاز-با-NTC

مدار-محدود-کردن-جریان-هجومی-در-اینورتر-صنعتی-سه-فاز-با-NTC

 

 

  • استفاده از ترمیستور NTC در مدار شارژ باتری موبایل

یک نمونه از کاربردهای NTC، تشخیص دمای باتری دستگاه موبایل است.

تمام باتری های قابل شارژ و باتری های لیتیوم یونی باید توسط مدارهای شارژ هوشمند کنترل و محافظت شوند. در مدار حفاظتی حسگر دما ترجیحاً از ترمیستورهای NTC استفاده می شود.

ترمیستور NTC بسته به نوع باتری قادر به تشخیص دما برای اهداف متفاوت است. از مواردی که حتماً باید دما اندازه گیری شود، هنگام شارژ سریع باتری است. ترمیستور NTC بخشی از واحد کنترل شارژ هوشمند است (مطابق شکل زیر) که اطمینان می دهد، دما در محدوده ای است که امکان شارژ سریع را دارد. در حین شارژ، NTC به طور مکرر هر 5 تا 10 ثانیه دما را اندازه می گیرد و می تواند افزایش دمای باتری در انتهای سیکل شارژ یا ناشی از شرایط غیر طبیعی شارژ را تشخیص دهد.

در هنگام شارژ اکر دمای باتری از حد مجاز بیشتر شود، مقدار مقاومت NTC کاهش یافته و دستور توقف شارژ را می دهد. در هنگام دشارژ، ترمیستور NTC، هم چنین جبران دما برای اندازه گیری ولتاژ انجام می دهد، که به اندازه گیری شارژ باقیمانده باتری کمک می کند.

 

استفاده-از-ترمیستور-NTC-در-مدار-شارژ-باتری-موبایل

 

  • تفاوت مقاومت حرارتی PTC و NTC

مقاومت ترمیستور NTC با افزایش دما، کاهش می یابد و به عنوان اندازه گیرهای با ضریب حرارتی منفی شناخته می شوند.

 

مقاومت ترمیستور PTC با افزایش دما، افزایش می یابد و به عنوان اندازه گیرهای با ضریب حرارتی مثبت شناخته می شوند.

 

مقایسه-ترمیستورهای-PTC-و-NTC

 

الیکا الکتریک مقایسهمزایا و معایب مقاومت حرارتی 

اغلب ترمیستورها نوع NTC و دارای ضریب حرارتی منفی هستند؛ این بدین معنی است که مقاومت آنها با افزایش دما کاهش پیدا می کند. این ضریب تا چندین درصد به ازاء هر درجه سانتیگراد است و در نتیجه ترمیستور قابلیت اندازه گیری کوچکترین تغییرات دما را دارد.

بهایی که برای این افزایش حساسیت پرداخت می شود، به ازاء از دست دادن خطی بودن آن است. ترمیستور یک وسیله اندازه گیری شدیداً غیرخطی است که به پارامترهای پروسه مورد اندازه گیری وابسته است. به همین دلیل سازندگان ترمیستور آن طوری که منحنی های RTD و ترموکوپل استاندارد شده اند، آنها را استاندارد نکرده اند.

تلاش فراوانی صورت گرفته است تا ترمیستور دارای مشخصه خطی تر باشد. روش هایی مبتنی بر اضافه کردن مقاومت هایی که مشخصه ترمیستور را خطی نماید تحت عناوین دوسیمه یا چهار سیمه از آن دسته هستند. اما با روش های مدرن ثبت اطلاعات با استفاده از میکروکنترلرها، دیگر نیازی به این روشهای سخت افزاری نیست.

 مقاومت بالای ترمیستور مزیت بزرگی برای آن به حساب می آید و برای اندازه گیری، مشکلاتی که به عنوان مثال با RTD  داشتید وجود ندارد. یک ترمیستور با مقاومت ۵۰۰۰ اهم در ۲۵ درجه سانتیگراد و ضریب حرارتی ۴٪ به ازاء هر درجه سانتیگراد، حتی اگر مقاومت سیمهای ارتباطی ۱۰ اهم باشد، خطای مربوط به این مقاومت حدود 0.05 درجه سانتیگراد است، که این خطا در مقایسه با یک RTD، پانصد برابر کوچکتر است.

چون ترمیستور از نیمه هادی ساخته می شود در دماهای خیلی بالا نسبت به ترموکوپل و RTD  نیاز بیشتری به کالیبراسیون مجدد دارد؛ به همین دلیل از ترمیستور تنها برای چند صد درجه سانتیگراد استفاده می شود. ترمیستور را می توان خیلی کوچک ساخت که به همین دلیل سرعت پاسخ آنها به تغییرات دما زیاد خواهد بود. به دلیل حجم کوچک آنها، خطای کمتری ناشی از اثر خود گرمایی در ترمیستورها به وجود می آید. ترمیستورها نسبت به ترموکوپل و RTD  آسیب پذیرتر هستند و در نصب و استفاده از آنها باید دقت بیشتری به خرج داد.

 

 

  • مقایسه منحنی مشخصه ترموکوپل، RTD و ترمیستور

 

مقایسه-نمودار-خروجی-ترمیستور-RTD-و-ترموکوپل

 


بیشتر بخوانید:

روش های اندازه گیری دما

اندازه گیری دما با سنسور

دستگاه های اندازه گیری الکتریکی

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

2 نظرات

  1. سعید کهال

    پاسخ دادن

    سلام وقتتون بخیر متشکرم از مطالب خوبی که گذاشتید من یک کاربر عادی هستم در مورد تعمیر یک دستگاه خردکن ۱۲۳ و سوختن یک مقاومت حرارتی می خواستم ازتون سوال کنم که ببینم این مقاومت و از کجا میتونم تهیه کنم و چه نوعی هستش

    4 سپتامبر 2020
    • الیکا الکتریک

      پاسخ دادن

      سلام. روزتون بخیر. خوشحالیم که این مقاله برای شما مفید بوده. لطفا با گروه فنی شرکت الیکا الکتریک تماس بگیرین تا بهتر راهنماییتون کنن.
      03132663836

      13 سپتامبر 2020

نظرات