Có, máy sưởi PFA có thể hoạt động như một máy sưởi-tự cảm nhận bằng cách đo điện trở của dây đốt nóng bên trong, dây này thay đổi theo nhiệt độ có thể đoán trước được. Bộ phận làm nóng thường là hợp kim niken-crom (Ni-Cr 80/20) có hệ số điện trở nhiệt (TCR) khoảng 0,01–0,015% mỗi độ (100–150 ppm/ độ ). Giá trị này thấp so với kim loại nguyên chất (RTD bạch kim: 3.850 ppm/độ) nhưng có thể đo được bằng thiết bị điện tử chính xác. Đối với lò sưởi 6 kW (điện trở ≈ 10 Ω ở 20 độ), nhiệt độ tăng 100 độ sẽ làm tăng điện trở lên 0,12–0,18 Ω (1,2–1,8%). Bằng cách đo điện áp và dòng điện (hoặc sử dụng mạch cầu), bộ điều khiển sẽ tính toán điện trở và suy ra nhiệt độ trung bình của dây. Việc sử dụng kép này{24}}loại bỏ cặp nhiệt điện hoặc RTD riêng biệt, giảm điểm thâm nhập và giảm chi phí. Tuy nhiên, độ chính xác bị giới hạn ở mức ±3–5 độ do TCR thấp và độ dốc nhiệt độ dọc theo dây. Đối với các ứng dụng yêu cầu ±1 độ, vẫn cần một cảm biến riêng.
Nguyên lý hoạt động
Điện trở của dây đốt nóng tuân theo R(T)=R₀ × [1 + × (T – T₀)], TCR ở đâu. Đối với Ni-Cr 80/20, ≈ 130 ppm/ độ (0,00013/ độ ). Ở 20 độ , R₀=10 Ω. Ở góc 120 độ , R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. Sự thay đổi là 0,13 Ω. Để đo chính xác điều này, bộ điều khiển phải có độ phân giải lớn hơn 0,01 Ω. Điều này yêu cầu kết nối bốn{23}}dây (Kelvin) để loại bỏ lỗi điện trở dây dẫn. Phép đo hai dây đơn giản sẽ bị ảnh hưởng bởi điện trở dây dẫn (0,1–0,5 Ω). Một mạch cầu (cầu Wheatstone) với điện trở tham chiếu chính xác có thể đạt được độ phân giải 0,005 Ω, cho độ chính xác ± 2–3 độ.
So sánh với cảm biến nhiệt độ chuyên dụng
| tham số | Bộ gia nhiệt tự cảm biến (Ni-Cr) | Cặp nhiệt điện tích hợp (Loại J/K) | RTD tích hợp (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/độ) | 100–150 | Không áp dụng (Hiệu ứng Seebeck) | 3,850 |
| Độ nhạy | 0,013 Ω/ độ (ở 10 Ω) | 50 µV/ độ | 0,38 Ω/ độ |
| Sự chính xác | ±3–5 độ | ±1–2 độ | ± 0,3–0,5 độ |
| Thời gian phản hồi (giây) | 10–30 (khối lượng dây) | 1–5 (ngã ba nhỏ) | 2–8 (phần tử nhỏ) |
| Chi phí được thêm vào | $5 (điện tử) | $20–50 (cảm biến + dây) | $30–100 (cảm biến + dây) |
| Sự thâm nhập | 2 dây (chỉ nguồn) | 4 dây (nguồn + cảm biến) | 4–6 dây |
| Chế độ lỗi | Hở mạch (lò sưởi bị hỏng) | Cảm biến có thể bị lỗi riêng | Cảm biến có thể bị lỗi riêng |
| Ứng dụng tốt nhất | Chi phí-thấp, không-quan trọng | công nghiệp tổng hợp | Kiểm soát chính xác |
Thiết kế mạch để tự cảm nhận-
Một phương pháp đơn giản sử dụng điện trở cảm biến dòng điện (shunt) nối tiếp với bộ sưởi. Bộ vi điều khiển đo điện áp trên shunt (dòng điện) và điện áp trên bộ gia nhiệt. Nó tính toán R_heater=V_heater / I. Bằng cách lấy mẫu ở tần số 1–10 Hz và lọc (trung bình) trong 10–20 chu kỳ nguồn, tiếng ồn từ AC sẽ giảm. Đối với bộ sưởi được điều khiển bằng SCR{12}}, hãy đo trong chu kỳ bật{13}}khi dòng điện ổn định. Đối với rơle trạng thái -rắn (chuyển mạch chéo-không), đo tại điểm giữa của nửa{17}}chu kỳ.
Nhiệt độ sau đó được lấy từ R_heater. Cần phải hiệu chuẩn: vận hành lò sưởi ở nhiệt độ đã biết (ví dụ: trong bể nước đá, nước sôi) và ghi lại R.
Giới hạn độ chính xác thực tế
| Nhân tố | Đóng góp lỗi | Giảm nhẹ |
|---|---|---|
| Biến thể TCR (theo đợt) | ±10–20% giá trị đọc | Hiệu chuẩn trên mỗi lò sưởi |
| Độ dốc nhiệt độ dọc theo dây | ±2–5 độ (trung bình so với điểm nóng) | Sử dụng mức trung bình để kiểm soát |
| Điện trở chì (2 dây) | ±2–10 độ | Sử dụng 4 dây (Kelvin) |
| Tiếng ồn từ nguồn AC | ±1–3 độ | Lọc, lấy mẫu đồng bộ |
| Lão hóa (oxy hóa dây) | ±0,5–1 độ /năm | Hiệu chỉnh lại hàng năm |
| Điện trở cảm giác tự làm nóng | ± 0,5 độ | Sử dụng điện trở nhiệt độ thấp (10 ppm) |
Ví dụ trường
Một nhà sản xuất bồn nước trong phòng thí nghiệm muốn giảm chi phí bằng cách loại bỏ cặp nhiệt điện riêng. Họ sử dụng bộ sưởi PFA 500 W (R₀=48 Ω) có mạch tự-cảm nhận. Hiệu chuẩn cho độ chính xác ±2 độ trên 30–100 độ. Đối với ứng dụng của họ (mẫu sinh học, ±5 độ chấp nhận được), điều này là đủ. Họ tiết kiệm được 8 USD cho mỗi máy sưởi. Đối với lò phản ứng dược phẩm yêu cầu ±0,5 độ, họ giữ lại một RTD riêng. Khái niệm tự cảm nhận có hiệu quả đối với các sản phẩm có độ chính xác thấp,{17}}nhạy cảm về chi phí.
Hạn chế và cảnh báo
Không dành cho các ứng dụng quan trọng{0}}an toàn: Nếu bộ điều khiển không đo được điện trở, nó có thể làm nóng lò sưởi. Thêm cầu chì nhiệt riêng hoặc bộ điều nhiệt-giới hạn cao.
Máy sưởi phải được cấp nguồn để cảm nhận nhiệt độ: Khi lò sưởi tắt, bộ điều khiển không thể đo nhiệt độ (không có dòng điện). Sử dụng xung điện áp thấp-định kỳ (ví dụ: 5 VDC) để đo điện trở lạnh. Đây là một phương pháp đã biết: đặt một điện áp cảm giác nhỏ (quá thấp để gây nóng) và đo dòng điện. Yêu cầu mạch bổ sung.
Các điểm nóng là vô hình: Phương pháp tự cảm biến đo nhiệt độ trung bình của dây chứ không phải mức tối đa. Điểm phát sóng (ví dụ: từ quy mô) sẽ không được phát hiện. Đây là một rủi ro an toàn.
Kết luận: Tính năng tự cảm biến-hoạt động cho các ứng dụng có chi phí-thấp, độ chính xác thấp-
Máy sưởi PFA có thể được sử dụng làm máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) bằng cách đo điện trở dây của nó, loại bỏ cảm biến nhiệt độ riêng biệt. Với kết nối bốn{1}}dây (Kelvin) và mạch cầu chính xác, độ chính xác có thể đạt được là ±3–5 độ. Điều này làm giảm chi phí và điểm thâm nhập. Tuy nhiên, TCR thấp của Ni-Cr (130 ppm/ độ ) hạn chế độ chính xác so với RTD chuyên dụng. Cảm biến-tự cảm biến phù hợp với bể nước, bể mạ và các ứng dụng khác có thể chấp nhận điều khiển ±5 độ. Để kiểm soát độ chính xác (±1 độ ) hoặc dịch vụ quan trọng{13}}an toàn, hãy sử dụng cặp nhiệt điện hoặc RTD riêng. Máy sưởi có thể tự cảm nhận được, nhưng không hoàn hảo. Để có được giá rẻ và vui vẻ,{16}}tự giác. Để chính xác và an toàn, hãy thêm một cảm biến. Biết giới hạn, lựa chọn một cách khôn ngoan.
