サーミスタを使用して温度を測定する方法: 動作、回路、アプリケーション

ノンフライヤーをセットするとちょうどいいタイミングでスイッチが切れたり、炊飯器が穀物が十分な水分を吸収したタイミングで保温を開始したりするとき、小さな部品が家電製品の思考を行っています。そのコンポーネントはサーミスタで、温度によって抵抗値が変化する二端子抵抗器です。この記事では、サーミスタを使用して温度を測定する方法、つまり、サーミスタを機能させる物理的原理、その抵抗を読み取る回路、その測定値を温度に変換する数学、および長年の使用にわたって測定の精度が維持されるかどうかを決定する実際的な詳細について説明します。

温度によって変化する抵抗

まず結論： NTC サーミスタは、温度が上昇すると既知の再現可能な方法で抵抗が低下するため、温度を測定します。この 1 つの特性によって、受動コンポーネントがセンサーに変わります。

サーミスタはセラミック半導体材料 (通常は金属酸化物) から作られ、小さなビーズ、チップ、またはディスクに焼結されます。 ２つの家族がいます。負の温度係数 (NTC) サーミスタは、温度が上昇すると抵抗が減少します。正温度係数 (PTC) サーミスタは抵抗を増加させるため、過電流保護や自己調整ヒーターによく使用されます。温度測定では NTC タイプが主流です。

この変化は、精巧な電子機器を使わずに読み取ることができるほど大きなものです。 25℃ で定格される一般的な 10 kΩ NTC サーミスタの測定値は、0 °C で約 33.6kΩ、100 °C では約 700 Ω であり、ほとんどの家庭用電化製品が動作する範囲全体でほぼ 50 対 1 の振幅になります。アン NTC温度センサー したがって、熱電対には増幅と冷接点補償が必要ですが、マイクロコントローラーには基本的なアナログ入力のみが必要です。この大信号、低コスト、小型サイズの組み合わせにより、サーミスタがほぼすべての温度制御機器に使用されています。

マイクロコントローラーがサーミスターを読み取る方法

まず結論： アナログデジタルコンバータ (ADC) は抵抗ではなく電圧を測定するため、マイクロコントローラーは分圧器を介してサーミスターを読み取ります。

標準的な配置では、サーミスタと固定抵抗器が電源レールを横切って直列に接続され、その間に測定ノードが配置されます。 ADC はノード電圧を測定し、その電圧から抵抗が計算されます。サーミスターがローサイドにあり、固定抵抗がハイサイドにある場合:

ヴァウト = Vcc × Rfixed / (Rfixed Rサーミスタ)

サーミスタが暖かくなり、その抵抗が低下すると、固定抵抗器の両端の電源電圧がさらに低下するため、Vout が上昇します。冷えるとVoutは下がります。

実際の測定チェーンは 4 つの部分で構成されます。

• 安定した電源電圧（通常は 3.3 V または 5 V）
• 許容誤差が厳しく、できれば 1% 以上の固定抵抗器
• 使用環境に適したパッケージのNTCサーミスタ
• 設計が考慮する最小の温度ステップを識別するのに十分な分解能を備えた ADC

B 値が 3950 の標準的な 10 kΩ NTC サーミスタを 10 kΩ 固定抵抗器および 5 V 電源と組み合わせると、次の測定値が生成されます。

間隔が不均一であることに注目してください。0°C ～ 25°C では出力は 1.35 V 変化しますが、75°C ～ 100°C では 0.32 V しか変化しません。感度は当然、温度が低いほど高くなります。設計者はこれを受け入れるか、感度を動作ウィンドウに向けてバイアスするように分割器を再配置するか、曲線が滑らかで再現性があるためファームウェアで修正します。

抵抗を温度に変換する

まず結論： 抵抗が分かると、ルックアップ テーブル、B パラメータ方程式、または Steinhart-Hart 方程式という 3 つの標準的な方法で温度に変換されます。選択は、単純さ、メモリ使用量、精度の間のトレードオフによって決まります。

ルックアップテーブル（R-Tテーブル）

メーカーは、各センサー タイプの抵抗対温度の表を公開しています。ファームウェアはそのテーブルを保存し、現在の抵抗を囲む 2 つのエントリを見つけて、それらの間を線形に補間します。これは、小型マイクロコントローラーでは最も高速な方法であり、家電製品の制御ボードでは最も一般的です。問題は、テーブルがセンサーの B 値と一致する必要があるということです。 B = 3435 テーブルと B = 3950 センサーを組み合わせると、範囲の両端で数度の誤差が生じます。

B パラメータの式

中程度の温度範囲では、抵抗は次のようになります。

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298.15)]

ここで、T はケルビン単位、R25 は 25°C での抵抗、B は材料定数で、通常、NTC サーミスタの場合は 3000 K ～ 5000 K です。この方程式に必要な定数は 2 つだけであり、実装は簡単です。スパンが約 50°C を超えると精度が低下しますが、狭いウィンドウ内ではテーブルを使用せずに温度を推定する最も速い方法です。

スタインハート・ハート方程式

最も広い範囲と最高の精度を実現するには、Steinhart-Hart 方程式が標準的な選択です。

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

3 つの係数 A、B、C (上記の材料定数と混同しないでください) は、センサーの測定曲線に適合します。係数が適切であれば、この式は定格スパン全体で 100 分の 1 度以内に収まります。マイクロコントローラーは 1 秒間に数回評価するため、計算コストは​​無視できます。

どちらの方法が使用される場合でも、センサー自体には公差があります。標準的な NTC サーミスタの抵抗許容差は 25°C で約 ±1%、B 値許容差は ±1% であり、これらを合わせると、100°C でおよそ ±0.5°C ～ ±1°C の誤差になります。より厳しい精度が必要な設計の場合は、よりグレードの高いセンサーをご指定いただくか、生産ライン上で1点校正を実施してください。

実際の精度を決定する実際的な考慮事項

まず結論： サーミスタ測定の精度は、センサー素子自体だけでなく、設置および動作条件によっても決まります。実際のアプライアンスでは、エラーのほとんどは 4 つの要因によって発生します。

自己発熱。 バイアス電流によりセンサーが測定媒体よりわずかに高く加熱され、永続的な誤差が生じます。ガラスビーズ センサーの消費電力は約 1 mW 未満に抑えてください。参考として、3.3 V 電源で 10 kΩ 分圧器内の 10 kΩ センサーは 25°C で約 0.27 mW を消費します。これは安全ですが、電源電圧が上昇したり、固定抵抗が大幅に大きくなったりすると、超過しやすくなります。

B 値のマッチング。 25°C での抵抗値は同じですが、B 値が異なる 2 つのセンサーは、室温では同じ値を読み取り、徐々に発散していきます。製品センサーの B 値がファームウェアの特性と一致していることを確認します。不一致は、「25°C では良好、90°C では不適切」という動作の一般的な根本原因です。

梱包と対応時間。 裸のセラミック要素はほんの数秒で反応しますが、カプセル化により反応が遅くなります。エポキシでコーティングされたビーズは素早く反応し、発熱体を横切る乾燥した空気に適します。金属またはシリコンで密閉されたプローブは速度は遅くなりますが、水、蒸気、洗浄剤に耐えられます。湿式アプリケーション用の密閉プローブ、または気流用の高速エポキシ ビーズの選択は、電気仕様と同じくらい重要です。

配置。 サーミスターはそれ自体の局所温度を測定します。加熱要素、調理キャビティ、または加熱される液体など、制御対象のポイントにできるだけ近くに設置する必要があります。数ミリメートルの間隔、冷却ファンからの風、または熱を吸収する厚い金属ブラケットによって、測定値が数度変化する可能性があります。

これら 4 つの要素を念頭に置いて指定および設置されたアプライアンス グレードのサーミスタ システムは、何年にもわたってその校正を保持します。メーカーが低コストのコンポーネントを中心に制御アルゴリズムを構築する場合、このレベルの予測可能性が頼りになります。

実際の家電製品のサーミスタ測定

生産用アプライアンスでは、サーミスターが単独で動作することはありません。ワイヤーハーネスを介して制御基板に接続され、コネクタ、リード線、絶縁体は測定システムの一部です。端子が緩んでいたり、絶縁体に亀裂が入っているセンサーでは、校正では補正できない断続的な測定値が生成されます。したがって、メーカーはセンサー、ハーネス、コネクタを個別の商品部品としてではなく、1 つのアセンブリとして評価します。

エアフライヤーでは、NTC センサーが調理キャビティを監視してコントローラーに報告し、設定温度を維持するようにヒーターを切り替えます。センサーは迅速に反応し、幅広い温度変動にわたって安定した状態を維持する必要があります。センサーが遅いとオーバーシュートが発生し、焼き色が不均一になります。

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電気ケトルは別のテストです。センサーはサーマルシールで加熱プレートに取り付けられ、ファームウェアは急速な温度上昇を監視します。熱結合が弱まると、コントローラーが反応する前にケトルが沸点を超えて加熱し続ける可能性があります。高速応答要素と信頼性の高い取り付け構造を組み合わせることで、電気ケトルは毎回確実に停止します。

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炊飯器も同じ原理をさらに応用したものです。センサーは内釜の下にあり、コントローラーが温度の上昇速度を監視して水分が吸収されたタイミングを判断し、保温力を下げます。これは古典的なサーミスタ アプリケーションです。低コストのセンサー、シンプルなディバイダー、および特徴のある曲線が連携して一貫した調理結果を生み出します。同じアプローチは豆乳メーカー、フードプロセッサー、電気圧力鍋にも見られます。

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調達の観点から見ると、実際的な問題は、サーミスタが温度を適切に測定するかどうかではなく、実際に温度を測定するかどうかです。供給されるセンサーが正しい R-T 曲線で特徴づけられ、実際の環境向けにパッケージ化され、組み立てや日常使用に耐えられる配線が付属しているかどうかです。を選択する ワイヤーハーネスとNTC温度センサーのメーカー これらすべての要素を一緒に制御することで、製品が現場に到着した後に発生する不一致の問題を回避できます。

結論

サーミスターは、その抵抗が再現性のあるよく理解された曲線に従うため、温度を測定します。このチェーンは短いです。分圧器が抵抗を電圧に変換し、ADC がその電圧をデジタル化し、ルックアップ テーブルまたはスタインハート ハート方程式が温度に変換します。実際の精度は、自己発熱、B 値のマッチング、パッケージング、配置、センサーをコントローラーに接続する配線など、方程式には表れない詳細から決まります。これらの詳細を適切に処理すれば、ユニットあたり数セントのコンポーネントで、アプライアンスを毎日何年も使用した場合、目標値の 1 ～ 2 度以内に維持できます。