Áno, ohrievač PFA môže fungovať ako ohrievač s vlastným{0}}snímaním meraním odporu jeho vnútorného vykurovacieho drôtu, ktorý sa predvídateľne mení s teplotou. Vyhrievacím prvkom je zvyčajne zliatina niklu-chrómu (Ni{3}Cr 80/20) s teplotným koeficientom odporu (TCR) približne 0,01 – 0,015 % na stupeň (100 – 150 ppm/stupeň). To je nízke v porovnaní s čistými kovmi (platina RTD: 3 850 ppm/stupeň), ale merateľné pomocou presnej elektroniky. Pre 6 kW ohrievač (odpor ≈ 10 Ω pri 20 stupňoch) zvýšenie teploty o 100 stupňov zvyšuje odpor o 0,12–0,18 Ω (1,2–1,8 %). Meraním napätia a prúdu (alebo pomocou mostíkového obvodu) regulátor vypočíta odpor a odvodí priemernú teplotu drôtu. Toto dvojité-použitie eliminuje samostatný termočlánok alebo RTD, znižuje body prieniku a znižuje náklady. Presnosť je však obmedzená na ±3–5 stupňov v dôsledku nízkeho TCR a teplotných gradientov pozdĺž drôtu. Pre aplikácie vyžadujúce ±1 stupeň je stále potrebný samostatný snímač.
Princíp činnosti
Odpor vykurovacieho drôtu zodpovedá R(T)=R₀ × [1 + × (T – T₀)], kde je TCR. Pre Ni-Cr 80/20, ≈ 130 ppm/stupeň (0,00013/ stupeň). Pri 20 stupňoch, R₀=10 Ω. Pri 120 stupňoch, R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. Zmena je 0,13 Ω. Na presné meranie musí mať regulátor rozlíšenie lepšie ako 0,01 Ω. Vyžaduje si to štvorvodičové (Kelvinovo) pripojenie, aby sa eliminovali chyby odporu elektródy. Jednoduché dvojvodičové meranie by bolo zaplavené odporom vodiča (0,1 – 0,5 Ω). Mostíkový obvod (Wheatstoneov most) s presným referenčným odporom môže dosiahnuť rozlíšenie 0,005 Ω, čo dáva presnosť ±2–3 stupne.
Porovnanie so špeciálnymi snímačmi teploty
| Parameter | Samočinný{0}}ohrievač (Ni-Cr) | Integrovaný termočlánok (typ J/K) | Integrovaný RTD (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/stupeň) | 100–150 | N/A (Seebeckov efekt) | 3,850 |
| Citlivosť | 0,013 Ω/stupeň (pri 10 Ω) | 50 uV/stupeň | 0,38 Ω/stupeň |
| Presnosť | ±3-5 stupňov | ±1–2 stupne | ±0,3–0,5 stupňa |
| Čas odozvy (sekundy) | 10-30 (hmotnosť drôtu) | 1-5 (malá križovatka) | 2–8 (malý prvok) |
| Pridané náklady | 5 dolárov (elektronika) | 20 – 50 USD (senzor + drôt) | 30 – 100 USD (senzor + drôt) |
| Prieniky | 2 vodiče (iba napájanie) | 4 vodiče (napájanie + snímač) | 4-6 drôtov |
| Režim zlyhania | Otvorený okruh (zlyhanie ohrievača) | Senzor môže zlyhať samostatne | Senzor môže zlyhať samostatne |
| Najlepšia aplikácia | Nízke-náklady, nie-kritické | Všeobecný priemyselný | Presné ovládanie |
Návrh obvodu pre vlastné{0}}snímanie
Jednoduchá metóda využíva prúd-snímací odpor (shunt) v sérii s ohrievačom. Mikrokontrolér meria napätie na bočníku (prúd) a napätie na ohrievači. Vypočítava R_heater=V_heater / I. Vzorkovaním pri 1–10 Hz a filtrovaním (priemerovaním) počas 10–20 cyklov napájania sa zníži hluk zo striedavého prúdu. V prípade ohrievačov riadených SCR{12}}merajte počas cyklu zapnutia{13}, keď je prúd stabilný. Pre polovodičové-relé (nulové-priečne prepínanie) merajte v strede pol-cyklu.
Teplota je potom odvodená z R_heater. Vyžaduje sa kalibrácia: prevádzkujte ohrievač pri známych teplotách (napr. v ľadovom kúpeli, vriacej vode) a zaznamenajte R.
Hranice praktickej presnosti
| Faktor | Chybový príspevok | Zmiernenie |
|---|---|---|
| Variácia TCR (dávka k dávke) | ±10–20 % čítania | Kalibrácia na ohrievač |
| Teplotný gradient pozdĺž drôtu | ±2–5 stupňov (priemer vs. hotspot) | Na kontrolu použite priemer |
| Odpor olova (2-vodičový) | ±2-10 stupňov | Použite 4-vodičový (Kelvin) |
| Hluk zo striedavého prúdu | ±1-3 stupne | Filtrovanie, synchrónne vzorkovanie |
| Starnutie (oxidácia drôtu) | ±0,5–1 stupeň/rok | Každoročne prekalibrujte |
| Vlastné{0}}ohrievanie snímacieho odporu | ±0,5 stupňa | Použite nízkoteplotný odpor (10 ppm) |
Príklad poľa
Laboratórny výrobca vodného kúpeľa chcel znížiť náklady odstránením samostatného termočlánku. Použili 500 W ohrievač PFA (R₀=48 Ω) so samočinným -obvodom. Kalibrácia poskytla presnosť ±2 stupne na 30–100 stupňov. Na ich aplikáciu (biologické vzorky, prípustné ±5 stupňov) to postačovalo. Ušetrili 8 dolárov za ohrievač. Pre farmaceutický reaktor vyžadujúci ±0,5 stupňa si ponechali samostatný RTD. Koncept vlastného{15}}zisťovania fungoval pre produkty s nízkou{16}}presnosťou a cenou{17}}.
Obmedzenia a varovania
Nie pre bezpečnostné-aplikácie: Ak ovládač zlyhá pri meraní odporu, môže dôjsť k prehriatiu ohrievača. Pridajte samostatnú tepelnú poistku alebo termostat s vysokým{1}}limitom.
Ohrievač musí byť napájaný, aby snímal teplotu: Keď je ohrievač vypnutý, regulátor nemôže merať teplotu (žiadny prúd). Na meranie odporu proti chladu použite periodický nízkonapäťový impulz (napr. 5 V DC). Toto je známa metóda: použite malé snímacie napätie (príliš nízke na to, aby spôsobilo zahrievanie) a zmerajte prúd. Vyžaduje dodatočné obvody.
Hotspoty sú neviditeľné: Metóda samo{0}}snímania meria priemernú teplotu vodiča, nie maximálnu. Hotspot (napr. z váhy) nebude detekovaný. Ide o bezpečnostné riziko.
Záver: Vlastné{0}}snímanie funguje pri nízkych-nákladoch a nízkych{2}}presných aplikáciách
Ohrievač PFA možno použiť ako odporový teplotný detektor (RTD) meraním odporu vodiča, čím sa eliminuje samostatný teplotný snímač. So štvorvodičovým (Kelvinovým) pripojením a presným mostíkovým obvodom je možné dosiahnuť presnosť ±3–5 stupňov. To znižuje náklady a body prieniku. Nízke TCR Ni-Cr (130 ppm/stupeň) však obmedzuje presnosť v porovnaní s jednoúčelovými RTD. Vlastné-snímanie je vhodné pre vodné kúpele, pokovovacie nádrže a iné aplikácie, kde je prijateľná regulácia ±5 stupňov. Pre presné ovládanie (±1 stupeň) alebo službu{13} kritickú pre bezpečnosť použite samostatný termočlánok alebo RTD. Ohrievač môže cítiť sám seba, ale nie dokonale. Pre lacné a veselé, seba{16}}zmysly. Pre presnosť a bezpečnosť pridajte senzor. Poznajte hranice, vyberajte múdro.
