כן, מחמם PFA יכול לתפקד כמחמם-חישה עצמי על ידי מדידת ההתנגדות של חוט החימום הפנימי שלו, שמשתנה באופן צפוי עם הטמפרטורה. גוף החימום הוא בדרך כלל סגסוגת ניקל- כרום (Ni-Cr 80/20) עם מקדם התנגדות לטמפרטורה (TCR) של כ-0.01-0.015% לכל מעלה (100-150 ppm/מעלה). זה נמוך בהשוואה למתכות טהורות (RTD פלטינה: 3,850 ppm/מעלה) אך ניתן למדידה עם אלקטרוניקה מדויקת. עבור מחמם 6 קילוואט (התנגדות ≈ 10 Ω ב-20 מעלות), עליית טמפרטורה של 100 מעלות מגבירה את ההתנגדות ב-0.12-0.18 Ω (1.2-1.8%). על ידי מדידת מתח וזרם (או שימוש במעגל גשר), הבקר מחשב את ההתנגדות ומסיק את טמפרטורת החוט הממוצעת. השימוש הכפול-מבטל צמד תרמי נפרד או RTD, מקטין נקודות חדירה ומוריד את העלות. עם זאת, הדיוק מוגבל ל-3-5 מעלות ± בשל ה-TCR הנמוך ושיפוע הטמפרטורה לאורך החוט. עבור יישומים הדורשים ±1 מעלות, עדיין יש צורך בחיישן נפרד.
עקרון הפעולה
ההתנגדות של חוט החימום עוקבת אחר R(T)=R₀ × [1 + × (T - T₀)], היכן הוא ה-TCR. עבור Ni-Cr 80/20, ≈ 130 ppm/מעלה (0.00013/מעלה). ב-20 מעלות, R₀=10 Ω. ב-120 מעלות, R=10 × [1 + 0.00013 × 100]=10 × 1.013=10.13 Ω. השינוי הוא 0.13 Ω. כדי למדוד זאת במדויק, הבקר חייב להיות בעל רזולוציה טובה מ-0.01 Ω. זה מצריך חיבור ארבעה-חוטים (קלווין) כדי למנוע שגיאות בהתנגדות עופרת. מדידה פשוטה של שני- חוטים תובל בהתנגדות עופרת (0.1–0.5 Ω). מעגל גשר (גשר וויאטסטון) עם נגד ייחוס דיוק יכול להשיג רזולוציה של 0.005 Ω, המעניק דיוק של ±2-3 מעלות.
השוואה עם חיישני טמפרטורה ייעודיים
| פָּרָמֶטֶר | מחמם-חישה עצמי (Ni-Cr) | צמד תרמי משולב (סוג J/K) | RTD משולב (Pt100) |
|---|---|---|---|
| TCR (ppm/מעלה) | 100–150 | לא רלוונטי (אפקט Seebeck) | 3,850 |
| רְגִישׁוּת | 0.013 Ω/מעלה (ב-10 Ω) | 50 µV/מעלה | 0.38 Ω/מעלה |
| דִיוּק | ±3-5 מעלות | ±1-2 מעלות | ±0.3-0.5 מעלות |
| זמן תגובה (שניות) | 10-30 (מסה של חוט) | 1-5 (צומת קטן) | 2-8 (אלמנט קטן) |
| תוספת עלות | $5 (אלקטרוניקה) | $20–50 (חיישן + חוט) | $30–100 (חיישן + חוט) |
| חדירות | 2 חוטים (מתח בלבד) | 4 חוטים (כוח + חיישן) | 4-6 חוטים |
| מצב כשל | מעגל פתוח (מחמם נכשל) | חיישן יכול להיכשל בנפרד | חיישן יכול להיכשל בנפרד |
| היישום הטוב ביותר | עלות- נמוכה, לא-קריטית | תעשייתי כללי | בקרת דיוק |
עיצוב מעגלים עבור חישה עצמית-
שיטה פשוטה משתמשת בנגד חישת זרם-(shunt) בסדרה עם המחמם. המיקרו-בקר מודד מתח על פני ה-shunt (זרם) ומתח על פני המחמם. הוא מחשב R_heater=V_heater / I. על ידי דגימה ב-1-10 הרץ וסינון (ממוצע) על פני 10-20 מחזורי חשמל, הרעש מ-AC מופחת. עבור תנורי חימום מבוקרים-SCR, מדוד במהלך מחזור ההפעלה-כאשר הזרם יציב. עבור ממסרי מצב מוצק (-אפס-מיתוג, מדוד באמצע חצי המחזור-.
לאחר מכן הטמפרטורה נגזרת מ-R_heater. נדרש כיול: הפעל את המחמם בטמפרטורות ידועות (למשל, באמבט קרח, מים רותחים) ורשום R.
מגבלות דיוק מעשית
| גוֹרֵם | תרומה שגיאה | הֲקָלָה |
|---|---|---|
| וריאציה של TCR (אצווה לאצווה) | ±10-20% מהקריאה | כיול לכל מחמם |
| שיפוע טמפרטורה לאורך חוט | ±2-5 מעלות (ממוצע לעומת נקודה חמה) | השתמש בממוצע לשליטה |
| התנגדות עופרת (2 חוטים) | ±2-10 מעלות | השתמש ב-4 חוטים (קלווין) |
| רעש ממתח AC | ±1-3 מעלות | סינון, דגימה סינכרונית |
| הזדקנות (חימצון תיל) | ±0.5–1 תואר לשנה | כיול מחדש מדי שנה |
| חימום עצמי- של נגד חישה | ±0.5 מעלות | השתמש בנגד טמפקו נמוך (10 עמודים לדקה) |
דוגמה לשדה
יצרן אמבטיות מים במעבדה רצה להפחית את העלות על ידי ביטול הצמד התרמי הנפרד. הם השתמשו במחמם PFA של 500 W (R₀=48 Ω) עם מעגל חישה עצמי-. כיול נתן דיוק של ±2 מעלות מעל 30-100 מעלות. ליישום שלהם (דגימות ביולוגיות, ± 5 מעלות מקובל), זה היה מספיק. הם חסכו 8 דולר למחמם. עבור כור פרמצבטי הדורש ±0.5 מעלות, הם שמרו על RTD נפרד. תפיסת החישה העצמית-עבדה עבור מוצרים רגישים-במחיר-נמוך.
מגבלות ואזהרות
לא ליישומים קריטיים-לבטיחות: אם הבקר לא מצליח למדוד התנגדות, הוא עלול לחמם יתר על המידה את המחמם. הוסף נתיך תרמי נפרד או תרמוסטט- גבוה.
המחמם חייב להיות מופעל כדי לחוש טמפרטורה: כאשר המחמם כבוי, הבקר אינו יכול למדוד טמפרטורה (ללא זרם). השתמש בדופק מתח נמוך- תקופתי (למשל, 5 VDC) כדי למדוד התנגדות לקור. זוהי שיטה ידועה: הפעל מתח חישה קטן (נמוך מדי כדי לגרום לחימום) ומדוד זרם. דורש מעגלים נוספים.
נקודות חמות אינן נראים: שיטת החישה העצמית- מודדת את טמפרטורת החוט הממוצעת, לא את המקסימום. נקודה חמה (למשל, מקנה מידה) לא יזוהה. זהו סיכון בטיחותי.
מסקנה: חישה עצמית-עובדת עבור יישומים-נמוכים ודיוק-נמוכים
מחמם PFA יכול לשמש כגלאי טמפרטורת התנגדות (RTD) על ידי מדידת התנגדות החוט שלו, ביטול חיישן טמפרטורה נפרד. עם חיבור ארבעה-חוטים (קלווין) ומעגל גשר מדויק, ניתן להשיג דיוק של ±3-5 מעלות. זה מפחית עלויות ונקודות חדירה. עם זאת, ה-TCR הנמוך של Ni-Cr (130 ppm/מעלה) מגביל את הדיוק בהשוואה ל-RTDs ייעודיים. חישה עצמית- מתאימה לאמבטיות מים, מיכלי ציפוי ויישומים אחרים שבהם שליטה של ±5 מעלות מקובלת. לשליטה מדויקת (±1 מעלות ) או שירות קריטי-לבטיחותי, השתמש בצמד תרמי נפרד או ב-RTD. המחמם יכול לחוש את עצמו, אבל לא בצורה מושלמת. בשביל זול ועליז,{16}}חוש עצמי. למדויק ובטוח, הוסף חיישן. דע את הגבולות, בחר בחוכמה.
