http://www.linksammlung.info/

http://www.schaltungen.at/

                                                                                             Wels, am 2021-11-22

Make an Arduino Temperature Sensor (Thermistor Tutorial)

NTC Heißleiter - Online Rechner

ARDUINO Sketch

Die aktuelle Temperatur wird im Programm in drei Schritten ermittelt:
1. Berechnung der Spannung am analogen Eingang
2. Berechnung des Widerstandswertes des NTC-Widerstandes
3. Berechnung der aktuellen Temperatur

#include <TM1637Display.h>                                // Anzeige Bibliothek
#define CLK 6
#define DIO 7

TM1637Display display(CLK, DIO);
int R = 9910;                                             // Spannungsteiler, fester Widerstand
float Rn = 10110;                                         // gemessen (Ohm)
float Tn = 23;                                            // gemessen (°C)
float B = 3398;                                           // Thermistorkonstante B (errechnet)

void setup() {
    display.setBrightness(10);
    display.clear();
}

void loop() {
                                                        
    float Analog_Wert = (float)analogRead (A0);           // analogen Wert A0 auslesen               
    float U_ntc = (5.2 * Analog_Wert) / 1023;             // Spannung
    float R_ntc = (U_ntc * Rn) / (5.2 - U_ntc);           // Widerstand
                                                          // Temperatur-Berechnung
        // Rt = Rn * e hoch B*(1/T - 1/Tn)                // Ausgangsformel
        // T = 1 / [(log(Rt/Rn)/B + 1/Tn] - 273,15        // umgestellt in °K
        // Tnk = 26,2 + 273,15                            // °K
    float A1 = log(R_ntc / Rn) / B;
    float A2 = A1 + 1 / (Tn + 273.15);
    float T = (1 / A2) - 273.15;

    display.showNumberDecEx(T, 0b00000000, false, 4, 4);  // Anzeige
    delay(1000);                                          // Wartezeit
}
// *******************************************************************************************   

Widerstand und Temperatur   -Temperaturkoeffizient-

Ein Thermistor ist eine Art von Widerstand, der verwendet wird, um zu messen Samuel Ruben erfand den Thermistor 1930 und erhielt das US-Patent Nr. 2,021,491.

Nimmt man in erster Näherung an, dass der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur linear ist, dann gilt:

Δ R = k Δ T

wo

Δ R = Widerstandsänderung

Δ T = Temperaturänderung

k = Widerstandstemperaturkoeffizient erster Ordnung

Thermistoren können in Abhängigkeit vom Vorzeichen von k in zwei Typen eingeteilt werden . Wenn k positiv ist, nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur zu, und das Gerät wird als Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten ( PTC ) oder Kaltleiter bezeichnet . Wenn k negativ ist, nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab, und das Gerät wird als Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten ( NTC ) bezeichnet. Widerstände, die keine Thermistoren sind, sind so ausgelegt, dass sie ein möglichst kleines k aufweisen , damit ihr Widerstand über einen weiten Temperaturbereich nahezu konstant bleibt.

Thermistoren unterscheiden sich von Widerstandstemperaturdetektoren dadurch, dass das in einem Thermistor verwendete Material im Allgemeinen eine Keramik oder ein Polymer ist, während RTDs reine Metalle verwenden. Auch das Temperaturverhalten ist unterschiedlich; RTDs sind über größere Temperaturbereiche nützlich.

Steinhart-Hart-Gleichung

In der Praxis funktioniert die lineare Näherung (oben) nur über einen kleinen Temperaturbereich. Für genaue Temperaturmessungen muss die Widerstands-/Temperaturkurve des Gerätes genauer beschrieben werden. Die Steinhart-Hart-Gleichung ist eine weit verbreitete Näherung dritter Ordnung:

wobei a , b und c als Steinhart-Hart-Parameter bezeichnet werden und für jedes Gerät angegeben werden müssen. T ist die Temperatur in Ohm . Um den Widerstand als Funktion der Temperatur anzugeben, kann das Obige umgeordnet werden in:

wo

und

Der Fehler in der Steinhart-Hart-Gleichung beträgt im Allgemeinen weniger als 0,02 °C bei der Temperaturmessung. Typische Werte für einen Thermistor mit einem Widerstand von 3000 Ω bei Raumtemperatur (25°C = 298,15 K) sind beispielsweise:

B-Parametergleichung

NTC-Thermistoren können auch mit der B- Parametergleichung charakterisiert werden, die im Wesentlichen die Steinhart-Hart-Gleichung mit c=0 ist .

wo die Temperaturen in Kelvin sind . Wenn man die Erweiterung nur auf die erste Ordnung verwendet, erhält man:

oder

wo

R ₀ ist der Widerstand bei Temperatur T ₀ (normalerweise 25 °C=298,15 K)

Leitungsmodell

Viele NTC-Thermistoren werden aus einer gepressten Scheibe oder Ladung hergestellt - es fördert sie in das leitende Band . Je mehr Ladungsträger zur Verfügung stehen, desto mehr Strom kann ein Material leiten. Dies wird in der Formel beschrieben:

I = elektrischer Strom (Ampere)
n = Ladungsträgerdichte (count/m³)
A = Querschnittsfläche des Materials (m²)
v = Ladungsträgergeschwindigkeit (m/s)
e = Ladung eines Elektrons (Coulomb)

Der Strom wird mit einem Amperemeter gemessen. Bei großen Temperaturänderungen ist eine Kalibrierung erforderlich. Bei kleinen Temperaturänderungen ist der Widerstand des Materials bei Verwendung des richtigen Halbleiters linear proportional zur Temperatur. Es gibt viele verschiedene Größen von halbleitenden Thermistoren im Bereich von etwa 0,01 Kelvin bis 2000 Kelvin (-273,14 °C bis 1700°C).

Die meisten PTC-Thermistoren sind vom "schaltenden" Typ, was bedeutet, dass ihr Widerstand bei einer bestimmten kritischen Temperatur plötzlich ansteigt. Die Bauelemente bestehen aus einer dotierten polykristallinen Dielektrizitätskonstante, die die Bildung von Potentialbarrieren zwischen den Kristallkörnern verhindert, was zu einem geringen Widerstand führt. In diesem Bereich hat das Gerät einen kleinen negativen Temperaturkoeffizienten. Bei der Curie-Punkt-Temperatur sinkt die Dielektrizitätskonstante ausreichend, um die Bildung von Potentialbarrieren an den Korngrenzen zu ermöglichen, und der Widerstand steigt stark an. Bei noch höheren Temperaturen kehrt das Material zum NTC-Verhalten zurück. Die zur Modellierung dieses Verhaltens verwendeten Gleichungen wurden in den 1960er Jahren von W. Heywang und GH Jonker abgeleitet.

Eine andere Art von PTC-Thermistoren besteht darin, dass der Kunststoff kühl ist, die Kohlenstoffkörner alle miteinander in Kontakt stehen und einen leitenden Pfad durch das Gerät bilden. Wenn sich der Kunststoff erwärmt, dehnt er sich aus, zwingt die Kohlenstoffkörner auseinander und lässt den Widerstand des Geräts schnell ansteigen. Wie der BaTiO ₃ -Thermistor hat dieses Gerät ein stark nichtlineares Widerstands-/Temperaturverhalten und wird zum Schalten, nicht zur proportionalen Temperaturmessung verwendet.

Ein weiterer Thermistortyp ist ein Silistor , ein wärmeempfindlicher Siliziumwiderstand. Silistoren sind ähnlich aufgebaut und arbeiten nach den gleichen Prinzipien wie andere Thermistoren, verwenden jedoch Silizium als halbleitendes Komponentenmaterial.

Selbsterhitzungseffekte

Wenn ein Strom durch einen Thermistor fließt, erzeugt er Wärme, die die Temperatur des Thermistors über die seiner Umgebung anhebt. Wenn der Thermistor zur Messung der Umgebungstemperatur verwendet wird, führt dieser Selbsterwärmungseffekt zu einem Fehler, wenn keine Korrektur vorgenommen wird. Alternativ kann dieser Effekt genutzt werden. Es kann zum Beispiel ein empfindliches Luftströmungsgerät sein, das in einem Segelflugzeug-Steiggeschwindigkeitsinstrument verwendet wird, das elektronische Variometer, oder als Zeitgeber für ein Relais dienen, wie es früher in Telefonzentralen der Fall war.

Die elektrische Leistungsaufnahme des Thermistors beträgt nur

Pe=IV

wobei I der Strom und V der Spannungsabfall am Thermistor ist. Diese Energie wird in Wärme umgewandelt und diese Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben. Die Übertragungsgeschwindigkeit wird durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz gut beschrieben:

Pt=K(T(R)-To)

wobei T(R) die Temperatur des Thermistors in Abhängigkeit von seinem Widerstand R ist , T ₀ die Umgebungstemperatur und K die Verlustkonstante , normalerweise ausgedrückt in Milliwatt pro °C. Im Gleichgewicht müssen die beiden Raten gleich sein.

Pe=Pt

Der Strom und die Spannung am Thermistor hängen von der jeweiligen Schaltungskonfiguration ab. Wenn als einfaches Beispiel die Spannung am Thermistor konstant gehalten wird, gilt nach dem Ohmschen Gesetz I = V / R und die Gleichgewichtsgleichung kann für die Umgebungstemperatur als Funktion des gemessenen Widerstands des Thermistors gelöst werden:

Die Verlustkonstante ist ein Maß für die thermische Anbindung des Thermistors an seine Umgebung. Sie wird im Allgemeinen für den Thermistor in ruhender Luft und in gut gerührtem Öl angegeben. Typische Werte für einen kleinen Glasperlen-Thermistor sind 1,5 mW/°C in ruhender Luft und 6,0 ​​mW/°C in gerührtem Öl. Wenn die Umgebungstemperatur im Voraus bekannt ist, kann ein Thermistor verwendet werden, um den Wert der Verlustkonstante zu messen. Beispielsweise kann der Thermistor als Durchflusssensor verwendet werden, da die Verlustkonstante mit der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids am Thermistor vorbei ansteigt.

Anwendungen

• PTC-Thermistoren können als strombegrenzende Geräte zum Schutz von Schaltkreisen oder als Ersatz für Sicherungen verwendet werden. Der durch das Gerät fließende Strom verursacht eine geringe Widerstandserwärmung. Wenn der Strom groß genug ist, um mehr Wärme zu erzeugen, als das Gerät an seine Umgebung abgeben kann, erwärmt sich das Gerät, wodurch sein Widerstand ansteigt und dadurch noch mehr Erwärmung verursacht wird. Dies erzeugt einen selbstverstärkenden Effekt, der den Widerstand nach oben treibt und den Strom und die Spannung, die dem Gerät zur Verfügung stehen, reduziert.
• PTC-Thermistoren können als Heizelemente in kleinen temperaturgesteuerten Öfen verwendet werden. Mit steigender Temperatur steigt der Widerstand, wodurch der Strom und die Erwärmung sinken. Das Ergebnis ist ein stationärer Zustand. Eine typische Anwendung ist ein Quarzofen , der die Temperatur des Quarzes eines hochpräzisen Quarzoszillators regelt. Kristallöfen werden normalerweise auf die obere Grenze der Temperaturspezifikation des Geräts eingestellt, damit sie die Temperatur durch Erhitzen aufrechterhalten können.
• NTC-Thermistoren werden als Widerstandsthermometer bei Tieftemperaturmessungen in der Größenordnung von 10 K eingesetzt.
• NTC-Thermistoren können als Einschaltstrombegrenzungseinrichtungen in Stromversorgungskreisen verwendet werden. Sie weisen anfangs einen höheren Widerstand auf, der verhindert, dass beim Einschalten große Ströme fließen, und erwärmen sich dann und werden zu einem viel niedrigeren Widerstand, um während des normalen Betriebs einen höheren Stromfluss zu ermöglichen. Diese Thermistoren sind normalerweise viel größer als Messthermistoren und wurden speziell für diese Anwendung entwickelt.
• NTC-Thermistoren werden regelmäßig in Automobilanwendungen eingesetzt. Zum Beispiel überwachen sie Dinge wie Kühlmitteltemperatur und/oder Öltemperatur im Motor und liefern Daten an die ECU und indirekt das Armaturenbrett.
• Thermistoren werden auch häufig in modernen digitalen Thermostaten und zur Überwachung der Temperatur von Akkupacks während des Ladevorgangs verwendet.

Verweise

• Technisches Datenblatt für Thermistoren von Measurement Specialties: Temperatur

Hersteller

• Semitec
• Messspezialitäten
• Thermometrie-GE
• Sensor Scientific, Inc.
• Blackbeads Electronics, Inc. - Philippinen
• Betatherm
• Ametherm, Inc.
• Qualitätsthermistor
• US Sensor Corp.

Siehe auch

• Ohm'sches Gesetz
• Widerstand
• Thermoelement
• Thermostat
• Widerstandstemperaturdetektor

Thermometer

#include <math.h>
#define READING_PIN 0

double R1 = 10000.0; //resistance put in parallel
double V_IN = 5.0;

double A = 1.129148e-3;
double B = 2.34125e-4;
double C = 8.76741e-8;
double K = 9.5; // mW/dec C – dissipation factor

double SteinhartHart(double R)
{
// calculate temperature
double logR  = log(R);
double logR3 = logR * logR * logR;

return 1.0 / (A + B * logR + C * logR3 );

}

void setup() {
Serial.begin(9600);
}

void loop() {
double adc_raw = analogRead(READING_PIN);
//Serial.println(adc_raw);
double V =  adc_raw / 1024 * V_IN;
Serial.print(“V =”);
Serial.print(V);

//calculate resistance
double R_th = (R1 * V ) / (V_IN – V);
Serial.print(“V   R_th = “);
Serial.print(R_th);

double kelvin = SteinhartHart(R_th) – V*V/(K * R_th);
double celsius = kelvin – 273.15;
Serial.print(“Ohm  —   T = “);
Serial.print(celsius);
Serial.print(“C\n”);
delay(1000);
}

#include <math.h>
#include "LiquidCrystal.h"
LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);
float A = 1.009249522e-03, B = 2.378405444e-04, C = 2.019202697e-07;
float T,logRt,Tf,Tc;
float Thermistor(int Vo) {
 logRt = log(10000.0*((1024.0/Vo-1))); 
 T = (1.0 / (A + B*logRt + C*logRt*logRt*logRt)); 
 Tc = T - 273.15;                     // Convert Kelvin to Celcius
 Tf = (Tc * 1.8) + 32.0;              // Convert Kelvin to Fahrenheit
 return T;
}

void setup(){
 lcd.begin(16,2);
 lcd.setCursor(0,0);
 lcd.print(" Digital");
 lcd.setCursor(0,1);
 lcd.print(" Temperature");
 delay(8000);
 lcd.clear();
 lcd.print(" Shashwat__Raj");
 delay(8000);
 lcd.clear();
}

void loop() 
{
 lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Temp:");
  lcd.print((Thermistor(analogRead(0))));
  lcd.print("k ");
 
 lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print((Tc));
  lcd.print(" C ;");

 lcd.setCursor(9,1);
  lcd.print((Tf));
  lcd.print(" F");
 delay(800);
}

In der Praxis ist es natürlich oft besser, eine ratiometrische oder Brückentopologie zu verwenden, um die Auswirkungen von Schwankungen der Stromversorgung und des Bias-Widerstands zu minimieren.

Eine alternative Anordnung, die in vielen Designs bei der Messung von Widerstand und Widerstandsänderungen bevorzugt wird, ist die Verwendung einer Konstantstromquelle (Abbildung 4).

Hier kann V_TEMP mit Gleichung 4 berechnet werden:

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Referenzen:

1. Texas Instruments, "Temperaturerfassung mit Thermistoren"
2. Texas Instruments, "Verbesserung der Temperaturmessgenauigkeit in Batterie-Überwachungssystemen"
3. Ametherm, Inc., "NTC-Thermistor Beta"
4. Ametherm, Inc., "Das Geheimnis erfolgreicher Thermistor-Betaberechnungen"
5. AVX/Kyocera, "TPCNTC/PTC-Thermistoren"
6. TDK, "NTC-Thermistoren: Allgemeine technische Informationen"
7. Bureau International des Poids et Mesures, "Leitfaden für sekundäre Thermometrie: Thermistor-Thermometrie"

Thermistor Mathematics

Obwohl die Steinhart-Hart-Gleichung genau sein mag, habe ich festgestellt, dass sie für die Verwendung durch einen analogen Designer in einer Hardwareanwendung nutzlos ist. Es ist einfach zu schwierig, mathematisch ohne erhebliche Softwareressourcen zu arbeiten.