Hőmérséklet mérés termisztorral

Termisztorokról általánosságban

A termisztor egy olyan két kivezetésű áramköri elem, amely hő hatására számottevően megváltoztatja elektromos ellenállását – az ellenállás-változás nagysága milliószorosa a fémeknél tapasztalt változásnak. Minden termisztor a termorezisztivitás jelenségén, azaz az elektromos ellenállás hőmérséklet-függőségének felhasználásán alapszik. Az ellenállás változás kétirányú lehet, ha a termisztor ellenállása

• csökken a hőmérséklet emelésével akkor negatív, ha (Negative Temperature Coefficient or NTC)

• ha nő a hőmérséklet emelésével akkor pozitív karakterisztikájú termisztorról beszelünk (Positive Temperature Coefficient or PTC).

 

Hőmérséklet mérés

Ezt egy Arduino modulal fogjuk megoldani. Ellenállást nem, feszültséget viszont tudunk mérni Arduinoval. Két ellenállással feszültségosztót hozunk létre, aminek az egyik ellenállása fix (10K) a másik a termisztor aminek ellenállása a hőmérséklet függvényében változik. A feszültségosztó egy olyan négypólus, amelyet legegyszerűbb esetben két sorba kapcsolt ellenállás alkot. Ha az osztóra feszültséget kapcsolunk, akkor az ellenállásokon átfolyó áram azokon feszültségesést hoz létre. A két feszültség összege megegyezik a bemenő feszültséggel.

U_s = I(R + R_t)

A feszültség esés a fix ellenálláson pedig

U₀ = I⋅R

A fenti két egyenletet megoldva R_t-re a következőt kapjuk (részletek itt)

R_t = R((U_s/U₀) -1)

A továbbiakban ezt az egyenletet használjuk majd a termisztor ellenállásának a kiszámítására.

Kapcsolás

A Temperature Measurement with a Thermistor and an Arduino cikkből

U₀ mérése és a R_t kiszámítása

// File: ThermistorVoltageResistance.pde
//
// Use a voltage divider to indicate electrical resistance of a thermistor.
// -- setup() is executed once when sketch is downloaded or Arduino is reset
void setup() {
Serial.begin(9600); // open serial port and set data rate to 9600 bps
Serial.println("Thermistor voltage and resistance measurement:");
Serial.println("\n Vo Rt");
}
// -- loop() is repeated indefinitely
void loop() {
int ThermistorPin = 1; // Analog input pin for thermistor voltage
int Vo; // Integer value of voltage reading
float R = 9870.0; // Fixed resistance in the voltage divider
float Rt; // Computed resistance of the thermistor
Vo = analogRead(ThermistorPin);
Rt = R*( 1023.0 / float(Vo) - 1.0 );
Serial.print(" "); Serial.print(Vo);
Serial.print(" "); Serial.println(Rt);
delay(200);
}

 

V_o = analogRead(ThermistorPin); eredménye egy egész szám (integer) 0-1023 között, tehát ha az eredmény 1023, akkor az 5V-nak felel meg. 

Az R_t = R*( 1023.0 / float(V_o) – 1.0 );  kiszámításánál lebegőpontos számot (float) használunk, hogy százados jegy pontossággal kapjuk meg az ellenállás értéket.  

A kimeneti értékek így néznek ki

U0	Rt
487	10863.08
488	10820.59
488	10820.59
487	10863.08
488	10820.59
489	10778.28

 

A hőmérséklet számítása R_t-ből

Steinhart-Hart egyenlet

A c₁, c₂, c₃ a termisztorra jellemző értékek, amit az egyes termisztorok adatlapja tartalmaz, ezt majd egyszerűen csak be kell helyettesíteni az egyenletbe.

 

folyt. köv….

31-05-2016

Néhány tesztelésre váró termisztor

NTC modstand – 1 Kohm 500mW Ø5mm

For temperatur compensation, temperatur measurement og control.

Egenskaber:

• Materiale: epoxy-coated

Tekniske detaljer:

• Nominel modstand: 1 kohm (ved 25°C)
• B-constant (±7%): 3700°K
• Maks. permissible strøm: 80mA
• thermal dissipation constant: 6mW/°C
• thermal time constant: 17sec.
• Størrelse: Ø5mm
• EAN Barcode: 5410329270308

 

NTC modstand – 10 Kohm 500mW Ø5mm

For temperatur compensation, temperatur measurement og control.

Egenskaber:

• Materiale: epoxy-coated

Tekniske detaljer:

• Nominel modstand: 10 kohm (ved 25°C)
• B-constant (±7%): 4100°K
• Maks. permissible strøm: 30mA
• thermal dissipation constant: 6mW/°C
• thermal dissipation constant: 15sec.
• Størrelse: Ø5mm
• EAN Barcode: 5410329270285

 

NTC modstand – 100 Ohm 500mW Ø5mm

For temperatur compensation, temperatur measurement og control.

Egenskaber:

• Materiale: epoxy-coated

Tekniske detaljer:

• Nominel modstand: 100 ohm (ved 25°C)
• B-constant (±7%): 3100°K
• Maks. permissible strøm: 200mA
• thermal dissipation constant: 6mW/°C
• thermal dissipation constant: 19sec.
• Størrelse: Ø5mm
• EAN Barcode: 5410329270261

 

NTC modstand – 100 Kohm 500mW Ø5mm

For temperatur compensation, temperatur measurement og control.

Egenskaber:

• Materiale: epoxy-coated

Tekniske detaljer:

• Nominel modstand: 100 kohm (ved 25°C)
• B-constant (±7%): 4400°K
• Maks. permissible strøm: 15mA
• thermal dissipation constant: 6mW/°C
• thermal dissipation constant: 16sec.
• Størrelse: Ø5mm
• EAN Barcode: 5410329270278

 

folyt. köv….

05-06-2016

10 Kohm 500mW Ø5mm teszt. A kapcsolás a cikk elején, csak itt A0-t használunk A1 helyett. A c₁, c₂, c₃ értékeket természetesen a használt termisztortól függően változtatni kell.

#include <math.h>         //loads the more advanced math functions
 
void setup() {            //This function gets called when the Arduino starts
  Serial.begin(115200);   //This code sets up the Serial port at 115200 baud rate
}
 
double Thermister(int RawADC) {  //Function to perform the fancy math of the Steinhart-Hart equation
 double Temp;
 Temp = log(((10240000/RawADC) - 10000));
 Temp = 1 / (0.001129148 + (0.000234125 + (0.0000000876741 * Temp * Temp ))* Temp );
 Temp = Temp - 273.15;              // Convert Kelvin to Celsius
 //Temp = (Temp * 9.0)/ 5.0 + 32.0; // Celsius to Fahrenheit - comment out this line if you need Celsius
 return Temp;
}
 
void loop() {             //This function loops while the arduino is powered
  int val;                //Create an integer variable
  double temp;            //Variable to hold a temperature value
  val=analogRead(0);      //Read the analog port 0 and store the value in val
  temp=Thermister(val);   //Runs the fancy math on the raw analog value
  Serial.println(temp);   //Print the value to the serial port
  Serial.println(val);
  delay(1000);            //Wait one second before we do it again
}

forrás: http://computers.tutsplus.com/tutorials/how-to-read-temperatures-with-arduino–mac-53714

Arduino 1.6.8 soros plotterével felvett grafikon, ez maximum szemléltetésre jó, mivel nincs idő tengely, és a hőmérséklet létpék sem túl részletes.

Az első csúcs, amikor megdörzsöltem a termisztort, azonnal reagált, majd kb. 2 perc alatt visszaállt az eredeti hőmérsékletre. A második esetben jégkockát érintettem hozzá, itt a víz rövidre zárta az áramkört, gyorsan letöröltem. A harmadik esetben szintén jégkockát érintettem hozzá, kicsit körültekintőbben.

 

Már csak a megfelelő ház kiválasztása maradt hátra.

folyt. köv…

2016-07-02

Szenzorkalibrálás

Így első körben ez inkább csak egy összehasonlítás egy megbízható pontosságú referencia szenzorral. Végre lehetőségem nyílt méréseket végezni egy precíz 0,1 ^oC pontosságú szenzorral. A kapott eredmények igen biztatóak.

Egyelőre a szenzort még az acéltokozás nélkül teszteltem, így válaszideje, és hőmérséklet értékei, a fűtés, hűtés után eléggé különbözőek voltak. Stabilizálódás után 0,1^oC eltérést mutattak, ami a céljainknak tökéletesen megfelel, a korrekciót majd egy megfelelő faktorral való szorzással korrigálom. Természetesen majd, ha a tokozás elkészül, akkor egy kétpontos kalibrációval fogjuk tökéletesíteni.

Mérési eredmények →

A referencia szenzor egy 15cm-es acéltokozású szenzor, amihez hozzáragasztottam a termisztort, ami csak a natúr epoxi réteggel volt borítva, így érthető, hogy másképp reagáltak, az eltérő hővezetési, hőátadási tulajdonságaik miatt.
Néhány érték a hőmérséklet stabilizálódása után:

t(h)	Termisztor T(oC)	Referencia T(oC)
2,400556	25,71	25,6
2,403333	25,71	25,6
2,406111	25,71	25,6
2,408889	25,71	25,6
2,411667	25,71	25,6
2,414444	25,71	25,6
2,417222	25,71	25,6
2,42	25,71	25,6
2,422778	25,8	25,6
2,425556	25,71	25,6

 

Még ami fontos, hogy a kábelhossz 76cm, ami a két láb miatt 152cm, ennek szintén van ellenállása, így ezt is figyelembe kell venni.

Felhasznált irodalom

Temperature Measurement with a Thermistor and an Arduino

Class Notes for EAS 199B Gerald Recktenwald ∗ May 25, 2013 

http://www.mikeelektronika.hu/elektrotechnika/eltech/12_a_feszltsgoszt.html