Так, PFA нагрівач може функціонувати як само{0}}нагрівач, вимірюючи опір внутрішнього нагрівального дроту, який передбачувано змінюється залежно від температури. Нагрівальним елементом зазвичай є сплав нікель-хром (Ni-Cr 80/20) із температурним коефіцієнтом опору (TCR) приблизно 0,01–0,015% на градус (100–150 ppm/градус). Це низький показник порівняно з чистими металами (платиновий RTD: 3850 ppm/градус), але його можна виміряти за допомогою точної електроніки. Для обігрівача потужністю 6 кВт (опір ≈ 10 Ом при 20 градусах) підвищення температури на 100 градусів збільшує опір на 0,12–0,18 Ом (1,2–1,8%). Вимірюючи напругу та струм (або використовуючи мостову схему), контролер розраховує опір і робить висновок про середню температуру проводу. Це подвійне -використання усуває окрему термопару або RTD, зменшує точки проникнення та знижує вартість. Однак точність обмежена ±3–5 градусами через низький TCR і градієнти температури вздовж дроту. Для додатків, що вимагають ±1 градус, все ще потрібен окремий датчик.
Принцип дії
Опір нагрівального дроту відповідає R(T)=R₀ × [1 + × (T – T₀)], де – TCR. Для Ni-Cr 80/20 ≈ 130 ppm/градус (0,00013/градус). При 20 градусах R₀=10 Ω. При 120 градусах R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. Зміна становить 0,13 Ом. Щоб виміряти це точно, контролер повинен мати роздільну здатність вище 0,01 Ω. Для цього потрібне чотири{23}}з’єднання (за шкалою Кельвіна), щоб усунути помилки опору електроду. Просте дво-вимірювання буде завалено опором свинцю (0,1–0,5 Ом). Мостова схема (міст Уітстона) з точним еталонним резистором може досягти роздільної здатності 0,005 Ом, що забезпечує точність ±2–3 градуси.
Порівняння зі спеціальними датчиками температури
| Параметр | Само-нагрівач (Ni-Cr) | Інтегрована термопара (тип J/K) | Інтегрований RTD (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/градус) | 100–150 | Н/З (ефект Зеебека) | 3,850 |
| Чутливість | 0,013 Ω/градус (при 10 Ω) | 50 мкВ/градус | 0,38 Ом/градус |
| Точність | ±3–5 градусів | ±1–2 град | ±0,3–0,5 градуса |
| Час відгуку (секунди) | 10–30 (маса дроту) | 1–5 (мале перехрестя) | 2–8 (малий елемент) |
| Додаткова вартість | $5 (електроніка) | 20–50 $ (датчик + дріт) | $30–100 (датчик + дріт) |
| Проникнення | 2 дроти (тільки живлення) | 4 дроти (живлення + датчик) | 4-6 проводів |
| Режим відмови | Розрив ланцюга (виходить з ладу нагрівач) | Датчик може вийти з ладу окремо | Датчик може вийти з ладу окремо |
| Найкраще застосування | Низька-вартість, не-критично | Загальнопромисловий | Контроль точності |
Схема для само-розпізнавання
У простому методі використовується резистор-датчика струму (шунт), з’єднаний послідовно з нагрівачем. Мікроконтролер вимірює напругу на шунті (струм) і напругу на нагрівачі. Він обчислює R_heater=V_heater / I. Завдяки вибірці з частотою 1–10 Гц і фільтрації (усередненню) протягом 10–20 циклів живлення шум від змінного струму зменшується. Для нагрівачів із керуванням SCR-вимірюйте під час циклу ввімкнення-, коли струм стабільний. Для твердотільних-реле (нульове-перехресне перемикання) вимірювайте в середині половини-циклу.
Потім температура виводиться з R_heater. Потрібне калібрування: запустіть нагрівач при відомих температурах (наприклад, у крижаній бані, киплячій воді) і запишіть R.
Практичні межі точності
| Фактор | Внесок помилки | Пом'якшення |
|---|---|---|
| Варіація TCR (від партії до партії) | ±10–20% показання | Калібрування на нагрівач |
| Градієнт температури вздовж дроту | ±2–5 градусів (середнє проти гарячої точки) | Використовуйте середнє для контролю |
| Опір проводу (2-провідний) | ±2-10 градусів | Використовуйте 4-провідний (Кельвін) |
| Шум від мережі змінного струму | ±1–3 град | Фільтрація, синхронна вибірка |
| Старіння (окислення дроту) | ±0,5–1 градус/рік | Перекалібруйте щорічно |
| Самонагрівання сенсорного резистора | ±0,5 градуса | Використовуйте резистор низької температури (10 ppm) |
Приклад поля
Виробник лабораторної водяної бані хотів знизити вартість, відмовившись від окремої термопари. Вони використовували нагрівач PFA потужністю 500 Вт (R₀=48 Ω) із схемою само-розпізнавання. Калібрування дало точність ±2 градуси на 30–100 градусів. Для їх застосування (біологічні зразки, допустимі ±5 градусів) цього було достатньо. Вони заощадили 8 доларів на обігрівачі. Для фармацевтичного реактора, який вимагає ±0,5 градуса, вони зберегли окремий RTD. Концепція саморозпізнавання-спрацювала для низько{16}}точних,-вартісних продуктів.
Обмеження та попередження
Не для безпечно{0}}критичних програм: Якщо контролер не вимірює опір, він може перегріти нагрівач. Додайте окремий термічний запобіжник або термостат високої-межі.
Обігрівач має бути включений, щоб вимірювати температуру: Коли нагрівач вимкнено, контролер не може вимірювати температуру (немає струму). Використовуйте періодичні імпульси низької -напруги (наприклад, 5 В постійного струму), щоб виміряти морозостійкість. Це відомий метод: прикладіть малу напругу (занадто низьку, щоб викликати нагрівання) і виміряйте струм. Потрібна додаткова схема.
Гарячі точки невидимі: само-метод вимірювання середньої температури дроту, а не максимальної. Гаряча точка (наприклад, від накипу) не буде виявлена. Це загроза безпеці.
Висновок: само-розпізнавання працює для недорогих-затратних-точних застосувань
Нагрівач PFA можна використовувати як детектор температури опору (RTD), вимірявши опір його дроту, усунувши окремий датчик температури. За допомогою чотири-з’єднання (за Кельвіном) і точної мостової схеми можна досягти точності ±3–5 градусів. Це зменшує вартість і точки проникнення. Однак низький TCR Ni-Cr (130 ppm/градус) обмежує точність у порівнянні зі спеціальними термометрами температури. Само-розпізнавання підходить для водяних бань, резервуарів для покриття та інших застосувань, де допустимий контроль ±5 градусів. Для точного контролю (±1 градус) або критичного для безпеки-обслуговування використовуйте окрему термопару або RTD. Нагрівач може відчувати себе, але не ідеально. Для дешевого та веселого само-чуття. Щоб бути точним і безпечним, додайте датчик. Знайте межі, вибирайте мудро.
