Da, PFA grijač može funkcionirati kao samo{0}}osjetljivi grijač mjerenjem otpora unutarnje grijaće žice, koji se predvidljivo mijenja s temperaturom. Grijaći element obično je legura nikal-kroma (Ni-Cr 80/20) s temperaturnim koeficijentom otpora (TCR) od približno 0,01–0,015% po stupnju (100–150 ppm/stupnju). To je malo u usporedbi s čistim metalima (platina RTD: 3850 ppm/stupanj), ali mjerljivo preciznom elektronikom. Za grijač od 6 kW (otpor ≈ 10 Ω na 20 stupnjeva), porast temperature od 100 stupnjeva povećava otpor za 0,12–0,18 Ω (1,2–1,8%). Mjerenjem napona i struje (ili korištenjem premosnog kruga), regulator izračunava otpor i daje zaključak o prosječnoj temperaturi žice. Ova dvostruka-namjena eliminira odvojeni termoelement ili RTD, smanjuje točke prodiranja i smanjuje troškove. Međutim, točnost je ograničena na ±3–5 stupnjeva zbog niskog TCR-a i temperaturnih gradijenata duž žice. Za aplikacije koje zahtijevaju ±1 stupanj, potreban je poseban senzor.
Princip rada
Otpor grijaće žice slijedi R(T)=R₀ × [1 + × (T – T₀)], gdje je TCR. Za Ni-Cr 80/20, ≈ 130 ppm/ stupanj (0,00013/ stupanj ). Na 20 stupnjeva, R₀=10 Ω. Na 120 stupnjeva, R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. Promjena je 0,13 Ω. Da bi se to točno izmjerilo, regulator mora imati razlučivost veću od 0,01 Ω. Za to je potrebna četvero{23}}žična (Kelvinova) veza kako bi se uklonile pogreške otpora elektroda. Jednostavno mjerenje s dvije-žice bilo bi preplavljeno otporom olova (0,1–0,5 Ω). Premosni sklop (Wheatstoneov most) s preciznim referentnim otpornikom može postići rezoluciju od 0,005 Ω, dajući točnost od ±2–3 stupnja.
Usporedba s namjenskim senzorima temperature
| Parametar | Samo-grijač (Ni-Cr) | Integrirani termoelement (tip J/K) | Integrirani RTD (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/ stupanj) | 100–150 | N/A (Seebeckov efekt) | 3,850 |
| Osjetljivost | 0,013 Ω/ stupanj (pri 10 Ω) | 50 µV/ stupanj | 0,38 Ω/ stupanj |
| Točnost | ±3–5 stupnjeva | ±1–2 stupnja | ±0,3–0,5 stupnjeva |
| Vrijeme odziva (sekunde) | 10–30 (masa žice) | 1–5 (mali spoj) | 2–8 (mali element) |
| Troškovi dodani | 5 USD (elektronika) | 20–50 USD (senzor + žica) | 30–100 USD (senzor + žica) |
| Prodori | 2 žice (samo napajanje) | 4 žice (napajanje + senzor) | 4-6 žica |
| Način neuspjeha | Otvoreni krug (grijač ne radi) | Senzor može zasebno pokvariti | Senzor može zasebno pokvariti |
| Najbolja aplikacija | Niska-cijena, nije-kritično | Općeindustrijski | Kontrola preciznosti |
Dizajn sklopa za samo{0}}osjećaj
Jednostavna metoda koristi strujni{0}}otpornik (šant) u seriji s grijačem. Mikrokontroler mjeri napon preko šanta (struja) i napon preko grijača. Izračunava R_heater=V_heater / I. Uzorkovanjem na 1–10 Hz i filtriranjem (prosječenjem) tijekom 10–20 ciklusa napajanja, buka iz izmjenične struje se smanjuje. Za SCR-kontrolirane grijače, mjerite tijekom uključenog-ciklusa kada je struja stabilna. Za-state releje (nul-cross switching), mjerite na sredini polu-ciklusa.
Temperatura se tada izvodi iz R_grijača. Potrebna je kalibracija: uključite grijač na poznatim temperaturama (npr. u ledenoj kupelji, kipućoj vodi) i zabilježite R.
Praktične granice točnosti
| Faktor | Doprinos pogreške | Smanjenje |
|---|---|---|
| TCR varijacija (od serije do serije) | ±10–20% očitanja | Kalibracija po grijaču |
| Gradijent temperature duž žice | ±2–5 stupnjeva (prosječno u odnosu na vruću točku) | Koristite prosjek za kontrolu |
| Otpor provodnika (2 žice) | ±2–10 stupnjeva | Koristite 4-žilni (Kelvin) |
| Buka iz AC napajanja | ±1–3 stupnja | Filtriranje, sinkrono uzorkovanje |
| Starenje (oksidacija žice) | ±0,5–1 stupanj/godina | Kalibrirajte jednom godišnje |
| Samo{0}}zagrijavanje senzorskog otpornika | ±0,5 stupnjeva | Koristite otpornik niske temperature (10 ppm) |
Primjer polja
Proizvođač laboratorijske vodene kupelji želio je smanjiti troškove uklanjanjem zasebnog termoelementa. Koristili su PFA grijač od 500 W (R₀=48 Ω) sa samo-osjetljivim krugom. Kalibracija je dala točnost od ±2 stupnja preko 30-100 stupnjeva. Za njihovu primjenu (biološki uzorci, prihvatljivo ±5 stupnjeva) to je bilo dovoljno. Uštedjeli su 8 dolara po grijalici. Za farmaceutski reaktor koji zahtijeva ±0,5 stupnjeva, zadržali su zaseban RTD. Koncept samo{15}}osjećaja funkcionirao je za-nisko{16}}precizne, tro-osjetljive proizvode.
Ograničenja i upozorenja
Nije za sigurno-kritične aplikacije: Ako regulator ne uspije izmjeriti otpor, može pregrijati grijač. Dodajte zaseban toplinski osigurač ili termostat s visokim-ograničenjem.
Grijač mora biti uključen da osjeti temperaturu: Kada je grijač isključen, regulator ne može mjeriti temperaturu (nema struje). Upotrijebite povremeni nisko{1}}puls napona (npr. 5 VDC) za mjerenje otpornosti na hladnoću. Ovo je poznata metoda: primijenite mali osjetilni napon (prenizak da izazove zagrijavanje) i izmjerite struju. Zahtijeva dodatni sklop.
Hotspotovi su nevidljivi: Metoda samo{0}}osjećaja mjeri prosječnu temperaturu žice, a ne maksimalnu. Hotspot (npr. od kamenca) neće biti otkriven. Ovo je sigurnosni rizik.
Zaključak: Samo-osjećaj radi za niske-cijenovne,-precizne aplikacije
PFA grijač se može koristiti kao detektor temperature otpora (RTD) mjerenjem otpora njegove žice, eliminirajući poseban senzor temperature. S četvero{1}}žičnom (Kelvin) vezom i preciznim premosnim krugom, može se postići točnost od ±3–5 stupnjeva. To smanjuje troškove i točke prodora. Međutim, nizak TCR Ni-Cr (130 ppm/stupanj) ograničava točnost u usporedbi s namjenskim RTD uređajima. Samo-osjećaj je prikladan za vodene kupke, spremnike za oplate i druge primjene gdje je prihvatljiva kontrola od ±5 stupnjeva. Za preciznu kontrolu (±1 stupanj ) ili sigurnosno-kritične usluge, koristite zasebni termoelement ili RTD. Grijač može osjetiti sam sebe, ali ne savršeno. Za jeftino i veselo,-osjećaj. Za precizno i sigurno dodajte senzor. Znajte granice, birajte mudro.
