Да, PFA нагревател може да функционира като само{0}}чувствителен нагревател чрез измерване на съпротивлението на вътрешния нагревателен проводник, което се променя предсказуемо с температурата. Нагревателният елемент обикновено е сплав от никел-хром (Ni-Cr 80/20) с температурен коефициент на съпротивление (TCR) приблизително 0,01–0,015% на градус (100–150 ppm/градус). Това е ниско в сравнение с чистите метали (платинен RTD: 3850 ppm/градус), но може да се измери с прецизна електроника. За нагревател от 6 kW (съпротивление ≈ 10 Ω при 20 градуса), повишаване на температурата със 100 градуса увеличава съпротивлението с 0,12–0,18 Ω (1,2–1,8%). Чрез измерване на напрежение и ток (или използване на мостова верига), контролерът изчислява съпротивлението и прави извод за средната температура на проводника. Тази двойна -употреба елиминира отделна термодвойка или RTD, намалява точките на проникване и намалява разходите. Въпреки това, точността е ограничена до ±3–5 градуса поради ниския TCR и температурните градиенти по дължината на проводника. За приложения, изискващи ±1 градус, все още е необходим отделен сензор.
Принцип на действие
Съпротивлението на нагревателния проводник следва R(T)=R₀ × [1 + × (T – T₀)], където е TCR. За Ni-Cr 80/20, ≈ 130 ppm/градус (0,00013/градус). При 20 градуса, R₀=10 Ω. При 120 градуса, R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. Промяната е 0,13 Ω. За да се измери това точно, контролерът трябва да има разделителна способност, по-добра от 0,01 Ω. Това изисква четири-жична връзка (по Келвин), за да се елиминират грешките в съпротивлението на проводника. Обикновено измерване с два - проводника би било затрупано от съпротивление на олово (0,1–0,5 Ω). Мостова верига (мост на Уитстоун) с прецизен еталонен резистор може да постигне разделителна способност от 0,005 Ω, давайки ±2–3 градуса точност.
Сравнение със специални температурни сензори
| Параметър | Самочувствителен нагревател (Ni-Cr) | Интегрирана термодвойка (тип J/K) | Интегриран RTD (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/градус) | 100–150 | N/A (ефект на Seebeck) | 3,850 |
| Чувствителност | 0,013 Ω/ градус (при 10 Ω) | 50 µV/градус | 0,38 Ω/ градус |
| точност | ±3–5 градуса | ±1–2 градуса | ±0,3–0,5 градуса |
| Време за реакция (секунди) | 10–30 (маса на телта) | 1–5 (малък кръстовище) | 2–8 (малък елемент) |
| Добавени разходи | $5 (електроника) | $20–50 (сензор + кабел) | $30–100 (сензор + кабел) |
| Прониквания | 2 проводника (само захранване) | 4 проводника (захранване + сензор) | 4-6 проводника |
| Режим на отказ | Отворена верига (нагревател не работи) | Сензорът може да се повреди отделно | Сензорът може да се повреди отделно |
| Най-доброто приложение | Ниска-цена, не-критичен | Общопромишлени | Прецизен контрол |
Дизайн на верига за само-разпознаване
Един прост метод използва резистор-отчитащ ток (шунт) последователно с нагревателя. Микроконтролерът измерва напрежението през шунта (ток) и напрежението през нагревателя. Той изчислява R_heater=V_heater / I. Чрез вземане на проби при 1–10 Hz и филтриране (осредняване) за 10–20 цикъла на захранване, шумът от AC се намалява. За SCR{12}}контролирани нагреватели, измервайте по време на в-цикъла, когато токът е стабилен. За полупроводникови-релета (нулево-кръстосано превключване), измервайте в средата на полу-цикъла.
След това температурата се извлича от R_heater. Изисква се калибриране: работете с нагревателя при известни температури (напр. в ледена баня, вряща вода) и запишете R.
Практически граници на точност
| Фактор | Принос на грешка | Смекчаване |
|---|---|---|
| TCR вариация (от партида до партида) | ±10–20% от показанието | Калибриране на нагревател |
| Температурен градиент по протежение на проводника | ±2–5 градуса (средно спрямо гореща точка) | Използвайте средно за контрол |
| Съпротивление на проводника (2-жилен) | ±2–10 градуса | Използвайте 4-жилен (Келвин) |
| Шум от AC захранване | ±1–3 градуса | Филтриране, синхронно вземане на проби |
| Стареене (оксидиране на тел) | ±0,5–1 градус /година | Рекалибрирайте ежегодно |
| Самонагряване-на сензорния резистор | ±0,5 градуса | Използвайте резистор с ниска температура (10 ppm) |
Пример за поле
Производител на лабораторни водни бани искаше да намали разходите, като елиминира отделната термодвойка. Те използваха 500 W PFA нагревател (R₀=48 Ω) със само-чувствителна верига. Калибрирането даде ±2 градуса точност при 30–100 градуса. За тяхното приложение (биологични проби, допустими ±5 градуса) това беше достатъчно. Спестиха $8 на нагревател. За фармацевтичен реактор, изискващ ±0,5 градуса, те запазиха отделен RTD. Концепцията за само-чувствителност работи за продукти с ниска{16}}прецизност,-чувствителни към разходите.
Ограничения и предупреждения
Не за критични{0}}за безопасността приложения: Ако контролерът не успее да измери съпротивлението, той може да прегрее нагревателя. Добавете отделен термичен предпазител или високо-термостат.
Нагревателят трябва да бъде захранван, за да усети температурата: Когато нагревателят е изключен, контролерът не може да измерва температурата (няма ток). Използвайте периодичен импулс с ниско-напрежение (напр. 5 VDC), за да измерите устойчивостта на студ. Това е известен метод: приложете малко сензорно напрежение (твърде ниско, за да предизвика нагряване) и измерете тока. Изисква допълнителна схема.
Горещите точки са невидими: Методът на самочувствителност-измерва средната температура на проводника, а не максималната. Гореща точка (напр. от мащаб) няма да бъде открита. Това е риск за безопасността.
Заключение: Само-разпознаването работи за приложения с ниска-цена и ниска{2}}прецизност
PFA нагревател може да се използва като съпротивителен температурен детектор (RTD) чрез измерване на съпротивлението на проводника му, елиминирайки отделен температурен сензор. С четири-проводна връзка (Келвин) и прецизна мостова схема е постижима точност от ±3–5 градуса. Това намалява разходите и точките на проникване. Но ниският TCR на Ni-Cr (130 ppm/градус) ограничава точността в сравнение със специалните RTD. Само-разпознаването е подходящо за водни бани, резервоари за покритие и други приложения, при които е приемлив контрол от ±5 градуса. За прецизен контрол (±1 градус) или критично-безопасно обслужване използвайте отделна термодвойка или RTD. Нагревателят може да се усети сам, но не идеално. За евтино и весело самочувствие.- За прецизност и безопасност добавете сензор. Знайте границите, избирайте разумно.
