熱敏電阻應(yīng)用與恒溫循環(huán)器
說到恒溫循環(huán)器，也只能從熱敏電阻的主要參數(shù)中談起，可以這么說恒溫循環(huán)器的精度控制不好，零功率電阻誤差就會擴(kuò)大，自然影響自熱測量，然而控制自熱又是運(yùn)用熱敏電阻的關(guān)鍵，可見一個(gè)影響鏈的尾端的恒溫循環(huán)器的重要性。
1 NTC的術(shù)語及主要參數(shù)
在家電開發(fā)研制領(lǐng)域里，工程人員在運(yùn)用熱敏電阻的過程中，有時(shí)對一些主要參數(shù)的細(xì)節(jié)產(chǎn)生歧義，原因之一是某些參數(shù)的定義和內(nèi)容缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《直熱式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（第一部分：總規(guī)范）》GB/T 6663.1-2007/IEC 60539-1:2002（以下簡稱“國標(biāo)”）的實(shí)施（07年9月1日），情況開始有所改變。國內(nèi)熱敏電阻器生產(chǎn)家都應(yīng)當(dāng)按照“國標(biāo)”標(biāo)注熱敏電阻的參數(shù)，使用者也可以根據(jù)“國標(biāo)”向廠家索取熱敏電阻的參數(shù)。
熱敏電阻器是一種隨（感應(yīng)）溫度的變化其電阻值呈顯著變化的熱敏感半導(dǎo)體元件。溫度升高時(shí)阻值下降的熱敏電阻器，稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。家電領(lǐng)域里大量使用的是NTC。
自熱:當(dāng)我們對NTC進(jìn)行測量和運(yùn)用時(shí)總會通過一定量的電流，這一電流使NTC自身產(chǎn)生熱量。NTC的自熱會導(dǎo)致其阻值下降，在測量及應(yīng)用過程中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，所以控制自熱是運(yùn)用NTC的關(guān)鍵。當(dāng)NTC用于溫度測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免自熱；當(dāng)NTC用于液位或風(fēng)速測量時(shí)，則需要利用自熱。
零功率電阻：定義見“國標(biāo)”。零功率電阻是熱電阻器最基本的參數(shù)，廠家給出的熱敏電阻器的阻值都屬于零功率，，但“零功率”一詞容易使人費(fèi)解（因?yàn)槲锢砗x上的零功率檢測是不存在的），所以，理解它的工程含義是定義中后一句的內(nèi)容“……自熱導(dǎo)致的電阻值變化相對于總的測量誤差可以忽略不計(jì)”。通常，對NTC的零功率測量是在恒溫循環(huán)器中進(jìn)行，影響總的測量誤差有二個(gè)主要因素：一是通過NTC的電流，一是恒溫循環(huán)器精度。一般說來，減少通過NTC的電流的方法比較多，一旦電流下降到一定程度，影響總誤差的往往是恒溫循環(huán)器的精度。
環(huán)境溫度變化引起的熱時(shí)間常數(shù)（τa）：一般情況下，NTC在穩(wěn)定的室溫條件下,迅速進(jìn)入設(shè)定（和要求介質(zhì)）的溫度環(huán)境內(nèi)，測量其溫度上升規(guī)定幅度T所需要的時(shí)間。溫度T的上升幅度為室溫Ta至設(shè)定溫度Tb差值的63.2%所需的時(shí)間。τa反映NTC在測量溫度時(shí)的響應(yīng)速度。
耗散系數(shù)（δ）：使NTC的溫度上升1K所消耗的功率稱為耗散系數(shù)。“國標(biāo)”4.10.2給出的δ計(jì)算方法如下：
δ=UTH·ITH/（Tb- Ta）W/℃
式中： UTH為NTC的端電壓；ITH 為流過NTC的電流；Tb為自熱穩(wěn)定溫度；Ta為室內(nèi)溫度。
可見，NTC溫度的上升指的是自熱溫度。從另外一個(gè)角度看，自熱造成的溫升可以利用δ計(jì)算出來。
例如：已知δ為0.1 W /℃，測量U TH·I TH為0.5 W，則：
（T b- T a）=U TH·I TH /δ ℃=0.5 /0.1 ℃=5 ℃
自熱使NTC高于環(huán)境溫度5℃。
2 自熱及耗散系數(shù)的特性
測量耗散系數(shù)δ時(shí)，“國標(biāo)”要求在靜止的空氣中進(jìn)行。通常是在規(guī)定容器的玻璃框罩內(nèi)進(jìn)行測量。當(dāng)我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)可以觀察到一些現(xiàn)象，在一個(gè)空氣相對穩(wěn)定（感覺不到流動(dòng)的空氣）的室內(nèi)，玻璃框內(nèi)的溫度與室溫一致。先測量零功率電阻值，當(dāng)摘掉玻璃框罩后，電阻值未發(fā)生變化；然后測量耗散系數(shù)，當(dāng)自熱達(dá)到熱平衡時(shí)，即通過NTC的電流和它的端電壓呈穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)摘掉玻璃框罩后，電流或端電壓出現(xiàn)波動(dòng)，失去穩(wěn)定狀態(tài)。說明室內(nèi)微弱的同溫度氣流影響了耗散系數(shù)，而未影響零功率電阻值。顯然，NTC產(chǎn)生自熱之后出現(xiàn)對流動(dòng)空氣的敏感反映，這是一個(gè)可以利用的特性。
3 影響測量溫度的參數(shù)
NTC具有價(jià)格低廉、阻值隨溫度變化顯著的特點(diǎn)，而廣泛用于溫度測量。通常采用一只精密電阻與NTC串聯(lián)，NTC阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓苯舆M(jìn)入比較電路或單片機(jī)的A/D的輸入接口，不必經(jīng)過放大處理，電路構(gòu)成極為簡單。運(yùn)用NTC時(shí)除了選擇合適的R值和B值之外，還應(yīng)當(dāng)考慮到測量速度和精度。
選擇合適的τa ：τa 值直接反映NTC測量溫度的響應(yīng)速度，但不是越小越好，確定τa值需要比較與權(quán)衡。因?yàn)棣觓值與它的封裝尺寸有關(guān)，NTC的封裝尺寸小，則τa值小，機(jī)械強(qiáng)度低；封裝尺寸大，則τa值大，機(jī)械強(qiáng)度高。
確定電流范圍：可根據(jù)廠家提供的非自熱最大功率或利用耗散系數(shù)來確定工作電流的范圍。、
然而，需要引起注意的是不少廠家提供的δ值是NTC二次封裝之前參數(shù)，但采用這個(gè)δ參數(shù)確定的電流雖然不會產(chǎn)生自熱，但是過于保守，影響選擇參數(shù)的寬松度，因?yàn)槎畏庋b之后的非自熱最大功率已經(jīng)提高。利用耗散系數(shù)確定電流范圍的方法是先確定NTC精度，再確定允許的自熱功耗。例如，NTC的精度為0.1℃，則自熱溫度不超過0.1℃就能夠滿足精度要求，也就是說，小于0.1δ的功率為不產(chǎn)生自熱的功率。
其它需要注意的因素：①NTC二次封裝之后，τa的參數(shù)值較封裝之前增大了。②同一型號、規(guī)格的NTC在不同介質(zhì)中，其δ、τa等參數(shù)值相差很大，需注意參數(shù)的介質(zhì)。③在流動(dòng)的空氣中，NTC略為產(chǎn)生一點(diǎn)自熱對精度的影響不大。④NTC感溫頭不能觸碰非探測物體，例如，在家用空調(diào)器里，翅片前面測量室溫的感溫頭不能觸碰到翅片。
4 風(fēng)速測量原理
根據(jù)上述對耗散系數(shù)δ測量的描述，NTC處于自熱狀態(tài)中對空氣流動(dòng)表現(xiàn)的敏感性，表明它具有測量風(fēng)速的潛力。在同一溫度和電氣條件下，例如在穩(wěn)定的室溫環(huán)境下，給NTC提供一個(gè)產(chǎn)生自熱的恒定電流。首先將NTC置于靜止空氣中，此時(shí)端電壓最小，然后將風(fēng)速由小到大逐漸增加，相應(yīng)地，端電壓逐漸升高。因?yàn)榱鲃?dòng)的空氣使NTC的自熱溫度下降，阻值增加，空氣流速越大，溫度下降越明顯，阻值增加更顯著，反過來，當(dāng)我們知道NTC自熱下降的程度（端電壓值的大�。┚涂梢灾里L(fēng)速的大小，這就是NTC測量風(fēng)速的基本原理。
實(shí)際測量時(shí)空氣的溫度是不同的，因?yàn)榭諝鉁囟鹊南陆狄矔䦟?dǎo)致自熱溫度的下降，所以測量風(fēng)速的時(shí)候同時(shí)要測量空氣溫度。一旦知道空氣溫度，同時(shí)又知道在這一溫度條件下隨風(fēng)速增加而自熱溫度下降的參數(shù)（端電壓值的大�。�(jīng)過對這兩個(gè)數(shù)據(jù)的處理就就可以完成對風(fēng)速的測量。
與液位測量一樣，風(fēng)速測量也要完成一些基礎(chǔ)工作。不過，風(fēng)速測量的基礎(chǔ)或計(jì)算工作量比液位測量要多許多倍，液位測量只需獲取兩種介質(zhì)不同溫度下的參數(shù)，也就是兩組數(shù)據(jù)，而風(fēng)速測量必需獲取測量（風(fēng)速、溫度）范圍內(nèi)的每個(gè)溫度點(diǎn)上不同風(fēng)速的數(shù)據(jù)，為一個(gè)族系列。
5 液位測量原理
氣體和液體是明顯不同的介質(zhì)， 運(yùn)用NTC在對它們進(jìn)行測量時(shí)，如果可以分辨出這兩種介質(zhì)，就解決了液位測量的問題。NTC在非自熱狀態(tài)也就是零功率狀態(tài)下測量溫度時(shí)，是無法根據(jù)測量結(jié)果判斷被測對象的是什么介質(zhì)。當(dāng)NTC處于自熱狀態(tài)時(shí)，在介質(zhì)溫度相同的情況下，NTC在不同的介質(zhì)中耗散系數(shù)（δ）是不同的，當(dāng)NTC被置于不同的介質(zhì)中時(shí)，相同電氣條件下會出現(xiàn)不同的電性能反映，這是測量液位的基本依據(jù)。
以相同溫度的水和空氣為例，在同一電氣條件下，例如給NTC提供一個(gè)恒定電流，使其在空氣中產(chǎn)生自熱，熱平衡之后NTC兩端電壓相對穩(wěn)定，接著，將它放入水中，兩端電壓上升。因?yàn)镹TC從空氣中進(jìn)入水中后，溫度下降，導(dǎo)致阻值上升，端電壓升高。水的熱容量是空氣的2.5倍， NTC在水中的自熱溫度要達(dá)到與空氣一樣的自熱溫度需要2.5倍的功率。
在實(shí)際的液位測量中，水和空氣的溫度往往不一致，當(dāng)空氣溫度偏低，而水溫偏高時(shí)，根據(jù)電壓值的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。然而，對于一個(gè)溫度點(diǎn)而言，NTC在水中和空氣中分別有個(gè)兩電壓值，換言之，當(dāng)我們知道一個(gè)溫度點(diǎn)，同時(shí)又預(yù)先知道這個(gè)溫度點(diǎn)上水和空氣分別的電壓值，就可以根據(jù)所測量到的電壓值判斷NTC是在水中還是在空氣中。也就是說，測量液位的過程中還必須同時(shí)測量溫度，而一般情況下，NTC在自熱狀態(tài)下不能測量溫度，這就需要增加一個(gè)測量溫度的NTC。利用兩只NTC，一只處于非自熱狀態(tài)，另一只處于自熱狀態(tài)，經(jīng)過電子電路的處理就可以對水位進(jìn)行測量了。同理，其它氣體和液體介質(zhì)的液位測量的問題都可以得到解決。
需要指出，設(shè)計(jì)液位測量電路需要完成一些基礎(chǔ)性的工作，原因是不同電路的NTC所處于的自熱狀態(tài)不一定一樣，需要通過試驗(yàn)或計(jì)算獲取測量溫度范圍內(nèi)每個(gè)溫度點(diǎn)上兩種介質(zhì)的電氣參數(shù)，為兩個(gè)對應(yīng)系列。通常，先明定測量方案，再確定電路，然后根據(jù)電路要求測量或計(jì)算出每個(gè)溫度條件下兩種介質(zhì)的數(shù)據(jù)。有時(shí)模擬電路需要繪制出NTC在兩種介質(zhì)的溫度電壓曲線（同一溫度參照系中的曲線），而數(shù)字及單片機(jī)電路需要對兩種介質(zhì)的電氣參數(shù)列表。
6其他的應(yīng)用
NTC除了用于溫度測量之外，測量液位和風(fēng)速也有許多可比優(yōu)勢，具有取代其它測量及控制方式的潛力。
關(guān)于NTC在水位測量上的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例見《家電科技》雜志2008年第21期中有詳細(xì)介紹，（在此不再贅述）。 其它象熱水壺、咖啡壺、加濕器等家電的缺水報(bào)警都可以考慮采用NTC的液位測量技術(shù)。
NTC還可以廣泛應(yīng)在測量風(fēng)速及風(fēng)量的場所，特點(diǎn)是不僅價(jià)格低廉，而且電路結(jié)構(gòu)極為簡單。例如：①家用空調(diào)器的過濾網(wǎng)除塵提示。安裝在出風(fēng)口的NTC檢測風(fēng)速，當(dāng)檢測到的風(fēng)速與風(fēng)量擋位的風(fēng)速相比降低到了規(guī)定的幅度，提示用戶清潔過濾網(wǎng)；②同樣的思路也可以實(shí)現(xiàn)吸塵器的除塵提示；③燃?xì)鉄崴鞯呐棚L(fēng)監(jiān)測。當(dāng)NTC檢測到排風(fēng)停止（或被堵）的故障時(shí)，切斷氣源及報(bào)警；④ 冷氣計(jì)量，對集中冷氣供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量，出風(fēng)口安裝的NTC計(jì)量風(fēng)速（再考慮風(fēng)口面積、平均風(fēng)速等因素），能夠?qū)崿F(xiàn)集中供冷分別計(jì)費(fèi)。
在此做一個(gè)總結(jié)，不管是熱敏電阻也好，也不管是恒溫循環(huán)器也好，一個(gè)設(shè)備要想運(yùn)營好，它所涉及的每一個(gè)步驟都是關(guān)鍵，熱敏電阻的功效有可能會被一個(gè)恒溫循環(huán)器的控溫精度給消之殆盡，而像恒溫循環(huán)器這樣的因素在一個(gè)大型的設(shè)備中還有太多太多，蝴蝶效應(yīng)的精神很好，希望大家好好體會！
