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熱敏電阻(NTC)的基本參數及其應用

日期:2024-09-03 14:17
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摘要:
熱敏電阻(NTC)的基本參數及其應用
1 NTC的術語及主要參數
  在家電開發研製領域裏,工程人員在運用熱敏電阻的過程中,有時對一些主要參數的細節產生歧義,原因之一是某些參數的定義和內容缺乏統一的標準和規範。隨著國家標準《直熱式負溫度係數熱敏電阻器(**部分:總規範)》GB/T6663.1-2007/IEC60539-1:2002(以下簡稱“國標”)的實施(07年9月1日),情況開始有所改變。國內熱敏電阻器生產家都應當按照“國標”標注熱敏電阻的參數,使用者也可以根據“國標”向廠家索取熱敏電阻的參數。
  熱敏電阻器是一種隨(感應)溫度的變化其電阻值呈顯著變化的熱敏感半導體元件。溫度升高時阻值下降的熱敏電阻器,稱為負溫度係數熱敏電阻器(NTC)。家電領域裏大量使用的是NTC。
  自熱:當草莓视频色片對NTC進行測量和運用時總會通過一定量的電流,這一電流使NTC自身產生熱量。NTC的自熱會導致其阻值下降,在測量及應用過程中出現動態變化,所以控製自熱是運用NTC的關鍵。當NTC用於溫度測量時,應當盡量避免自熱;當NTC用於液位或風速測量時,則需要利用自熱。
  零功率電阻:定義見“國標”(2.2.18)。零功率電阻是草莓视频毛片器*基本的參數,廠家給出的熱敏電阻器的阻值都屬於零功率,,但“零功率”一詞容易使人費解(因為物理含義上的零功率檢測是不存在的),所以,理解它的工程含義是定義中後一句的內容“……自熱導致的電阻值變化相對於總的測量誤差可以忽略不計”。通常,對NTC的零功率測量是在恒溫槽中進行,影響總的測量誤差有二個主要因素:一是通過NTC的電流,一是恒溫槽精度。一般說來,減少通過NTC的電流的方法比較多,一旦電流下降到一定程度,影響總誤差的往往是恒溫槽的精度。
  環境溫度變化引起的熱時間常數(τa):一般情況下,NTC在穩定的室溫條件下,迅速進入設定(和要求介質)的溫度環境內,測量其溫度上升規定幅度T?所需要的時間。溫度T?的上升幅度為室溫Ta至設定溫度Tb差值的63.2%所需的時間。τa反映NTC在測量溫度時的響應速度。
  耗散係數(δ):使NTC的溫度上升1K所消耗的功率稱為耗散係數。“國標”4.10.2給出的δ計算方法如下:
  δ=U TH·I TH /(T b- T a) W /℃
  式中: U TH為NTC的端電壓; I TH 為流過NTC的電流;T b為自熱穩定溫度;T a 為室內溫度。
  可見,NTC溫度的上升指的是自熱溫度。從另外一個角度看,自熱造成的溫升可以利用δ計算出來。
  例如:已知δ為0.1 W /℃,測量U TH·I TH為0.5 W,則:
  (T b- T a)=U TH·I TH /δ ℃=0.5 /0.1 ℃=5 ℃
  自熱使NTC高於環境溫度5℃。
  2 影響測量溫度的參數
  NTC
  具有價格低廉、阻值隨溫度變化顯著的特點,而廣泛用於溫度測量。通常采用一隻精密電阻與NTC串聯(見圖1),NTC阻值的變化轉變為電壓變化直接進入比較電路或單片機的A/D的輸入接口,不必經過放大處理,電路構成極為簡單。運用NTC時除了選擇合適的R值和B值之外,還應當考慮到測量速度和精度。
  選擇合適的τa:τa值直接反映NTC測量溫度的響應速度,但不是越小越好,確定τa值需要比較與權衡。因為τa值與它的封裝尺寸有關,NTC的封裝尺寸小,則τa值小,機械強度低;封裝尺寸大,則τa值大,機械強度高。

  確定電流範圍:可根據廠家提供的非自熱*大功率或利用耗散係數來確定工作電流的範圍。、

 

  然而,需要引起注意的是不少廠家提供的δ值是NTC二次封裝之前參數,但采用這個δ參數確定的電流雖然不會產生自熱,但是過於保守,影響選擇參數的寬鬆度,因為二次封裝之後的非自熱*大功率已經提高。利用耗散係數確定電流範圍的方法是先確定NTC精度,再確定允許的自熱功耗。例如,NTC的精度為0.1℃,則自熱溫度不超過0.1℃就能夠滿足精度要求,也就是說,小於0.1δ的功率為不產生自熱的功率。
  其它需要注意的因素:①NTC二次封裝之後,τa的參數值較封裝之前增大了。②同一型號、規格的NTC在不同介質中,其δ、τa等參數值相差很大,需注意參數的介質。③在流動的空氣中,NTC略為產生一點自熱對精度的影響不大。④NTC感溫頭不能觸碰非探測物體,例如,在家用空調器裏,翅片前麵測量室溫的感溫頭不能觸碰到翅片。
  3 自熱及耗散係數的特性
  測量耗散係數δ時,“國標”要求在靜止的空氣中進行。通常是在規定容器的玻璃框罩內進行測量。當草莓视频色片做實驗時可以觀察到一些現象,在一個空氣相對穩定(感覺不到流動的空氣)的室內,玻璃框內的溫度與室溫一致。先測量零功率電阻值,當摘掉玻璃框罩後,電阻值未發生變化;然後測量耗散係數,當自熱達到熱平衡時,即通過NTC的電流和它的端電壓呈穩定狀態,當摘掉玻璃框罩後,電流或端電壓出現波動,失去穩定狀態。說明室內微弱的同溫度氣流影響了耗散係數,而未影響零功率電阻值。顯然,NTC產生自熱之後出現對流動空氣的敏感反映,這是一個可以利用的特性。
  4液位測量原理
  氣體和液體是明顯不同的介質,運用NTC在對它們進行測量時,如果可以分辨出這兩種介質,就解決了液位測量的問題。NTC在非自熱狀態也就是零功率狀態下測量溫度時,是無法根據測量結果判斷被測對象的是什麽介質。當NTC處於自熱狀態時,在介質溫度相同的情況下,NTC在不同的介質中耗散係數(δ)是不同的,當NTC被置於不同的介質中時,相同電氣條件下會出現不同的電性能反映,這是測量液位的基本依據。
  以相同溫度的水和空氣為例,在同一電氣條件下,例如給NTC提供一個恒定電流(見圖2),使其在空氣中產生自熱,熱平衡之後NTC兩端電壓相對穩定,接著,將它放入水中,兩端電壓上升。因為NTC從空氣中進入水中後,溫度下降,導致阻值上升,端電壓升高。水的熱容量是空氣的2.5倍,NTC在水中的自熱溫度要達到與空氣一樣的自熱溫度需要2.5倍的功率。
  在實際的液位測量中,水和空氣的溫度往往不一致,當空氣溫度偏低,而水溫偏高時,根據電壓值的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。然而,對於一個溫度點而言,NTC在水中和空氣中分別有個兩電壓值,換言之,當草莓视频色片知道一個溫度點,同時又預先知道這個溫度點上水和空氣分別的電壓值,就可以根據所測量到的電壓值判斷NTC是在水中還是在空氣中。也就是說,測量液位的過程中還必須同時測量溫度,而一般情況下,NTC在自熱狀態下不能測量溫度,這就需要增加一個測量溫度的NTC。利用兩隻NTC,一隻處於非自熱狀態,另一隻處於自熱狀態,經過電子電路的處理就可以對水位進行測量了。同理,其它氣體和液體介質的液位測量的問題都可以得到解決。
  需要指出,設計液位測量電路需要完成一些基礎性的工作,原因是不同電路的NTC所處於的自熱狀態不一定一樣,需要通過試驗或計算獲取測量溫度範圍內每個溫度點上兩種介質的電氣參數,為兩個對應係列。通常,先明定測量方案,再確定電路,然後根據電路要求測量或計算出每個溫度條件下兩種介質的數據。有時模擬電路需要繪製出NTC在兩種介質的溫度電壓曲線(同一溫度參照係中的曲線),而數字及單片機電路需要對兩種介質的電氣參數列表。
  5風速測量原理
  根據上述對耗散係數δ測量的描述,NTC處於自熱狀態中對空氣流動表現的敏感性,表明它具有測量風速的潛力。在同一溫度和電氣條件下,例如在穩定的室溫環境下,給NTC提供一個產生自熱的恒定電流(見圖二)。首先將NTC置於靜止空氣中,此時端電壓*小,然後將風速由小到大逐漸增加,相應地,端電壓逐漸升高。因為流動的空氣使NTC的自熱溫度下降,阻值增加,空氣流速越大,溫度下降越明顯,阻值增加更顯著,反過來,當草莓视频色片知道NTC自熱下降的程度(端電壓值的大小)就可以知道風速的大小,這就是NTC測量風速的基本原理。
  實際測量時空氣的溫度是不同的,因為空氣溫度的下降也會導致自熱溫度的下降,所以測量風速的時候同時要測量空氣溫度。一旦知道空氣溫度,同時又知道在這一溫度條件下隨風速增加而自熱溫度下降的參數(端電壓值的大小),經過對這兩個數據的處理就就可以完成對風速的測量。
  與液位測量一樣,風速測量也要完成一些基礎工作。不過,風速測量的基礎或計算工作量比液位測量要多許多倍,液位測量隻需獲取兩種介質不同溫度下的參數,也就是兩組數據,而風速測量必需獲取測量(風速、溫度)範圍內的每個溫度點上不同風速的數據,為一個族係列。
  6其他的應用
  NTC
  除了用於溫度測量之外,測量液位和風速也有許多可比優勢,具有取代其它測量及控製方式的潛力。
  關於NTC在水位測量上的一個應用實例見《家電科技》雜誌2008年第21期中有詳細介紹,(在此不再贅述)。其它象熱水壺、咖啡壺、加濕器等家電的缺水報警都可以考慮采用NTC的液位測量技術。
  NTC
  還可以廣泛應在測量風速及風量的場所,特點是不僅價格低廉,而且電路結構極為簡單。例如:①家用空調器的過濾網除塵提示。安裝在出風口的NTC檢測風速,當檢測到的風速與風量擋位的風速相比降低到了規定的幅度,提示用戶清潔過濾網;②同樣的思路也可以實現吸塵器的除塵提示;③燃氣熱水器的排風監測。當NTC檢測到排風停止(或被堵)的故障時,切斷氣源及報警;④冷氣計量,對集中冷氣供應係統進行單獨計量,出風口安裝的NTC計量風速(再考慮風口麵積、平均風速等因素),能夠實現集中供冷分別計費。

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