Jah, PFA-soojendi võib toimida ise{0}}anduva küttekehana, mõõtes oma sisemise küttejuhtme takistust, mis muutub temperatuuriga ennustatavalt. Kütteelement on tavaliselt nikkel-kroomi (Ni-Cr 80/20) sulam, mille temperatuuritegur (TCR) on ligikaudu 0,01–0,015% kraadi kohta (100–150 ppm/kraadi). See on puhaste metallidega võrreldes madal (plaatina RTD: 3850 ppm/kraad), kuid mõõdetav täpse elektroonikaga. 6 kW küttekeha puhul (takistus ≈ 10 Ω 20 kraadi juures) suurendab temperatuuri tõus 100 kraadi võrra takistust 0,12–0,18 Ω (1,2–1,8%). Mõõtes pinget ja voolu (või kasutades sillaahelat), arvutab kontroller takistuse ja järeldab juhtme keskmise temperatuuri. See kahekordne{24}}kasutus välistab eraldi termopaari või RTD, vähendab läbitungimispunkte ja vähendab kulusid. Täpsus on aga piiratud ±3–5 kraadiga, kuna juhtmes on madal TCR ja temperatuurigradient. Rakenduste jaoks, mis nõuavad ±1 kraadi, on siiski vaja eraldi andurit.
Toimimispõhimõte
Küttejuhtme takistus järgib R(T)=R₀ × [1 + × (T – T₀)], kus on TCR. Ni-Cr 80/20 puhul ≈ 130 ppm/kraadi (0,00013/kraadi kohta). 20 kraadi juures R₀=10 Ω. 120 kraadi juures R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. Muutus on 0,13 Ω. Selle täpseks mõõtmiseks peab kontrolleri eraldusvõime olema parem kui 0,01 Ω. Selleks on vaja nelja-juhtmega (Kelvini) ühendust, et kõrvaldada juhtmetakistuse vead. Lihtne kahe-juhtmega mõõtmine oleks kaetud juhtmetakistusega (0,1–0,5 Ω). Täpse võrdlustakistiga sillaahel (Wheatstone'i sild) suudab saavutada 0,005 Ω eraldusvõime, mis annab ±2–3 kraadise täpsuse.
Võrdlus spetsiaalsete temperatuurianduritega
| Parameeter | Iseseisev-kütteseade (Ni-Cr) | Integreeritud termopaar (tüüp J/K) | Integreeritud RTD (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/kraad) | 100–150 | N/A (Seebecki efekt) | 3,850 |
| Tundlikkus | 0,013 Ω/kraad (10 Ω juures) | 50 µV/kraad | 0,38 Ω/kraad |
| Täpsus | ±3–5 kraadi | ±1–2 kraadi | ±0,3–0,5 kraadi |
| Reageerimisaeg (sekundites) | 10–30 (traadi mass) | 1–5 (väike ristmik) | 2–8 (väike element) |
| Lisatud kulu | 5 dollarit (elektroonika) | 20–50 dollarit (sensor + juhe) | 30–100 dollarit (sensor + juhe) |
| Tungimised | 2 juhet (ainult toide) | 4 juhet (toide + andur) | 4-6 juhet |
| Rikkerežiim | Avatud vooluahel (kütteseade ebaõnnestub) | Andur võib eraldi rikki minna | Andur võib eraldi rikki minna |
| Parim rakendus | Madalad-kulu, mitte-kriitilised | Üldine tööstus | Täpne juhtimine |
Vooluahela projekteerimine-enese tuvastamiseks
Lihtne meetod kasutab kütteseadmega järjestikku ühendatud voolu-anduri takistit (šundit). Mikrokontroller mõõdab šundi pinget (voolu) ja kütteseadme pinget. See arvutab R_heater=V_heater / I. Võttes sagedusel 1–10 Hz ja filtreerides (keskmistades) 10–20 toitetsüklit, väheneb vahelduvvoolu müra. SCR{12}}juhitavate kütteseadmete puhul mõõtke sisselülitustsükli ajal, kui vool on stabiilne. Pooljuhtreleede (null-ristlülitus) puhul mõõtke pooltsükli{17}}keskpunktis.
Seejärel tuletatakse temperatuur väärtusest R_heater. Kalibreerimine on vajalik: kasutage kütteseadet teadaolevatel temperatuuridel (nt jäävannis, keevas vees) ja registreerige R.
Praktilised täpsuspiirangud
| tegur | Viga kaastöö | Leevendus |
|---|---|---|
| TCR-i variatsioon (partiidest partiidesse) | ±10–20% näidust | Kalibreerimine küttekeha kohta |
| Temperatuuri gradient piki traati | ±2–5 kraadi (keskmine vs. leviala) | Kontrollimiseks kasutage keskmist |
| Juhtmetakistus (2-juhtmeline) | ±2–10 kraadi | Kasutage 4-juhtmelist (Kelvin) |
| Vahelduvvoolust tulenev müra | ±1–3 kraadi | Filtreerimine, sünkroonne diskreetimine |
| Vananemine (traadi oksüdatsioon) | ±0,5–1 kraad/aastas | Kalibreerige kord aastas |
| Tundetakisti isesoojenemine- | ±0,5 kraadi | Kasutage madala tempo takistit (10 ppm) |
Välja näide
Laboratoorsete veevannide tootja soovis kulusid vähendada, eemaldades eraldi termopaari. Nad kasutasid 500 W PFA-soojendit (R₀=48 Ω) koos ise-anduriga. Kalibreerimine andis ±2 kraadi täpsuse üle 30–100 kraadi. Nende kasutamiseks (bioloogilised proovid, ±5 kraadi vastuvõetav) piisas sellest. Nad säästsid 8 dollarit küttekeha kohta. Farmatseutilise reaktori jaoks, mis vajab ±0,5 kraadi, säilitasid nad eraldi RTD. Ise{15}}tuvastuskontseptsioon töötas madala täpsusega-kulutundlike{17}}toodete puhul.
Piirangud ja hoiatused
Mitte ohutuse{0}}kriitiliste rakenduste jaoks: Kui kontroller ei suuda takistust mõõta, võib see küttekeha üle kuumeneda. Lisage eraldi termokaitse või kõrge -piiri termostaat.
Temperatuuri tajumiseks peab kütteseade olema toiteallikaga: Kui kütteseade on välja lülitatud, ei saa kontroller temperatuuri mõõta (voolu puudub). Kasutage külmatakistuse mõõtmiseks perioodilist madalpinge{1}}impulssi (nt 5 V alalisvoolu). See on tuntud meetod: rakendage väikest sensorpinget (liiga madal kuumenemiseks) ja mõõtke voolu. Nõuab täiendavat vooluringi.
Levialad on nähtamatud: ise{0}}tuvastusmeetod mõõdab juhtme keskmist temperatuuri, mitte maksimumi. Leviala (nt mastaabist) ei tuvastata. See on ohutusrisk.
Järeldus: ise{0}}tuvastus töötab madalate-kulude ja madalate{2}}täppisrakenduste puhul
PFA-soojendit saab kasutada takistustemperatuuri detektorina (RTD), mõõtes selle traadi takistust, välistades eraldi temperatuurianduri. Nelja-juhtme (Kelvini) ühenduse ja täppissildahelaga on saavutatav täpsus ±3–5 kraadi. See vähendab kulusid ja läbitungimispunkte. Ni-Cr madal TCR (130 ppm/kraadi) piirab aga täpsust võrreldes spetsiaalsete RTD-dega. Isetuvastus- sobib veevannide, plaadistuspaakide ja muude rakenduste jaoks, kus ±5 kraadi reguleerimine on vastuvõetav. Täpse juhtimise (±1 kraad) või ohutus{13}}kriitilise teenuse jaoks kasutage eraldi termopaari või RTD-d. Keris tunneb ennast, kuid mitte ideaalselt. Odava ja rõõmsameelse{16}}isemõistuse jaoks. Täpse ja ohutuse tagamiseks lisage andur. Tea piire, vali targalt.
