To je prvi članek v dvodelni seriji. Ta članek bo najprej razpravljal o zgodovini in oblikovalskih izzivihTemperatura na osnovi termistorjaMerilni sistemi za meritve in primerjava s sistemi temperature Termometra Termometra (RTD). Opisala bo tudi izbiro termistorja, konfiguracijske kompromise in pomen analognih-digitalnih pretvornikov Sigma-delta (ADC) na tem področju aplikacije. Drugi članek bo podrobno opisan, kako optimizirati in oceniti končni merilni sistem, ki temelji na termistorju.
Kot je opisano v prejšnji seriji članka, optimizacija sistemov senzorjev temperature RTD, je RTD upor, katerega upor se razlikuje glede na temperaturo. Termistorji delujejo podobno kot RTD. Za razliko od RTD -jev, ki imajo samo pozitiven temperaturni koeficient, ima lahko termistor pozitiven ali negativen temperaturni koeficient. Termistorji negativnega temperaturnega koeficienta (NTC) zmanjšujejo odpornost, ko se temperatura dviguje, medtem ko termistorji s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC) povečajo odpornost, ko se temperatura dviguje. Na sl. 1 prikazuje značilnosti odziva tipičnih NTC in PTC termistorjev in jih primerja z RTD krivuljami.
Glede na temperaturno območje je krivulja RTD skoraj linearna, senzor pa pokriva veliko širši temperaturni razpon kot termistorji (običajno -200 ° C do +850 ° C) zaradi nelinearne (eksponentne) narave termistorja. RTD so običajno na voljo v dobro znanih standardiziranih krivuljah, medtem ko se termistorske krivulje razlikujejo od proizvajalca. O tem bomo podrobno razpravljali v razdelku Vodnik za izbiro Thermistor v tem članku.
Termistorji so izdelani iz sestavljenih materialov, običajno keramike, polimerov ali polprevodnikov (običajno kovinskih oksidov) in čistih kovin (platina, niklja ali bakra). Termistorji lahko zaznajo temperaturne spremembe hitreje kot RTD, kar zagotavlja hitrejše povratne informacije. Zato termistorji običajno uporabljajo senzorji v aplikacijah, ki zahtevajo nizke stroške, majhnost, hitrejši odziv, večjo občutljivost in omejeno temperaturno območje, kot so nadzor elektronike, nadzor doma in stavbe, znanstveni laboratoriji ali kompenzacija hladnega stika za termoelemente v komercialnih ali industrijske aplikacije. namene. Prijave.
V večini primerov se NTC termistorji uporabljajo za natančno merjenje temperature, ne pa PTC termistorji. Na voljo so nekateri termistorji PTC, ki jih je mogoče uporabiti v zaščitnih tokokrogih prevelike toka ali kot ponarejanje varovalk za varnostne aplikacije. Krivulja upornosti in temperature termistorja PTC prikazuje zelo majhno območje NTC, preden doseže stikalno točko (ali točka Curie), nad katero se upor močno dvigne za več vrst velikosti v območju več stopinj Celzija. V prekomernih pogojih bo PTC termistor ustvaril močno samogrevanje, ko bo preklopna temperatura presežena, njegova odpornost pa se močno dvigne, kar bo zmanjšalo vhodni tok na sistem in s tem preprečilo škodo. Preklopna točka termistorjev PTC je običajno med 60 ° C in 120 ° C in ni primerna za nadzor meritev temperature v širokem razponu aplikacij. Ta članek se osredotoča na termistorje NTC, ki običajno merijo ali spremljajo temperature, ki segajo od -80 ° C do +150 ° C. NTC Termistorji imajo ocene upora, ki segajo od nekaj ohmov do 10 mΩ pri 25 ° C. Kot je prikazano na sliki. 1 je sprememba odpornosti na stopinjo Celzija za termistorje izrazitejša kot pri termometrih odpornosti. V primerjavi s termistorji visoka občutljivost termistorja in visoka odpornost poenostavijo njegovo vhodno vezje, saj termistorji ne potrebujejo posebne konfiguracije ožičenja, kot sta 3-žična ali 4-žična, za kompenzacijo odpornosti s svincem. Termistorski dizajn uporablja samo preprosto dvožično konfiguracijo.
Visoko natančno merjenje temperature na osnovi termistorja zahteva natančno obdelavo signala, analogno-digitalno pretvorbo, linearno in kompenzacijo, kot je prikazano na sliki. 2.
Čeprav se signalna veriga morda zdi preprosta, obstaja več zapletenosti, ki vplivajo na velikost, stroške in delovanje celotne matične plošče. ADI-jev natančni portfelj ADC vključuje več integriranih rešitev, kot je AD7124-4/AD7124-8, ki zagotavljajo številne prednosti za oblikovanje toplotnega sistema, saj je večina gradnikov, potrebnih za aplikacijo, vgrajena. Vendar pa obstajajo različni izzivi pri oblikovanju in optimizaciji rešitev za merjenje temperature na osnovi termistorjev.
Ta članek obravnava vsako od teh vprašanj in ponuja priporočila za njihovo reševanje in še dodatno poenostavitev procesa oblikovanja za takšne sisteme.
Obstajajo široke paleteTermistorji NTCDanes na trgu je lahko izbira pravega termistorja za vašo aplikacijo zastrašujoča naloga. Upoštevajte, da so termistorji navedeni po njihovi nazivni vrednosti, ki je njihova nominalna odpornost pri 25 ° C. Zato ima 10 kΩ termistor nazivni upor 10 kΩ pri 25 ° C. Termistorji imajo nominalne ali osnovne odporne vrednosti, ki segajo od nekaj ohmov do 10 MΩ. Termistorji z nizko odpornostjo (nazivna upornost 10 kΩ ali manj) običajno podpirajo nižje temperature, na primer od -50 ° C do +70 ° C. Termistorji z višjimi ocenami odpornosti lahko prenesejo temperature do 300 ° C.
Element termistorja je izdelan iz kovinskega oksida. Termistorji so na voljo v krogličnih, radialnih in SMD oblikah. Termistorske kroglice so epoksi prevlečene ali steklo za dodatno zaščito. Epoksi prevlečeni s krogličnimi termistorji, radialni in površinski termistorji so primerni za temperature do 150 ° C. Termistorji steklenih kroglic so primerni za merjenje visokih temperatur. Vse vrste premazov/embalaže ščitijo tudi pred korozijo. Nekateri termistorji bodo imeli tudi dodatna ohišja za dodatno zaščito v težkih okoljih. Termistorji kroglic imajo hitrejši odzivni čas kot radialni/SMD termistorji. Vendar niso tako trpežni. Zato je vrsta uporabljenega termistorja odvisna od končne uporabe in okolja, v katerem se nahaja termistor. Dolgoročna stabilnost termistorja je odvisna od njegovega materiala, embalaže in dizajna. Na primer, termistor NTC, prevlečenega z epoksidom, lahko spremeni 0,2 ° C na leto, medtem ko zaprti termistor le 0,02 ° C na leto spremeni le 0,02 ° C.
Termistorji prihajajo v drugačni natančnosti. Standardni termistorji imajo običajno natančnost 0,5 ° C do 1,5 ° C. Ocena odpornosti proti termistorju in beta vrednost (razmerje med 25 ° C do 50 ° C/85 ° C) imata toleranco. Upoštevajte, da se beta vrednost termistorja razlikuje glede na proizvajalec. Na primer, 10 kΩ NTC termistorji različnih proizvajalcev bodo imeli različne vrednosti beta. Za natančnejše sisteme lahko uporabimo termistorji, kot je serija Omega ™ 44xxx. Imajo natančnost 0,1 ° C ali 0,2 ° C v temperaturnem območju od 0 ° C do 70 ° C. Zato je obseg temperatur, ki jih je mogoče izmeriti, in natančnost, ki je potrebna v tem temperaturnem območju, določa, ali so za to aplikacijo primerni termistorji. Upoštevajte, da večja kot je natančnost serije omega 44xxx, višji so stroški.
Za pretvorbo odpornosti na stopinje Celzija se običajno uporablja beta vrednost. Vrednost beta je določena z poznavanjem obeh temperaturnih točk in ustreznega upora pri vsaki temperaturni točki.
RT1 = temperaturna upornost 1 RT2 = temperaturna upornost 2 T1 = temperatura 1 (k) T2 = temperatura 2 (k)
Uporabnik uporablja vrednost beta, ki je najbližje temperaturnemu območju, uporabljenem v projektu. Večina podatkovnih listov termistorjev navaja beta vrednost skupaj z odpornostjo na 25 ° C in toleranco za beta vrednost.
Višji natančni termistorji in rešitve z visoko natančnostjo, kot je serija omega 44xxx, uporabljajo Steinhart-Hart enačbo za pretvorbo odpornosti na stopinje Celzija. Enačba 2 zahteva tri konstante A, B in C, ki jih je ponovno zagotovil proizvajalec senzorjev. Ker se koeficienti enačb ustvarijo s tremi temperaturnimi točkami, dobljena enačba zmanjša napako, uvedeno z linearnostjo (običajno 0,02 ° C).
A, B in C so konstante, ki izhajajo iz treh temperaturnih nastavitev. R = upornost termistorja v Ohmi t = temperatura v K stopinjah
Na sl. 3 prikazuje trenutno vzbujanje senzorja. Pogonski tok se uporablja za termistor in enak tok se uporablja za natančni upor; Kot referenca za merjenje se uporablja natančni upor. Vrednost referenčnega upora mora biti večja ali enaka najvišji vrednosti upornosti termistorja (odvisno od najnižje temperature, izmerjene v sistemu).
Pri izbiri vzbujevalnega toka je treba ponovno upoštevati največjo upor termistorja. To zagotavlja, da je napetost čez senzor in referenčni upor vedno na ravni, ki je sprejemljiva za elektroniko. Vir polja zahteva nekaj ujemanja prostora ali izhoda. Če ima termistor visoko upor pri najnižji merljivi temperaturi, bo to povzročilo zelo nizki pogonski tok. Zato je napetost, ustvarjena čez termistor pri visoki temperaturi, majhna. Programibilne faze dobička se lahko uporabijo za optimizacijo merjenja teh signalov na nizki ravni. Vendar je treba dobiček dinamično programirati, ker se raven signala iz termistorja močno razlikuje glede na temperaturo.
Druga možnost je, da nastavite dobiček, vendar uporabite dinamični pogonski tok. Ker se raven signala iz termistorja spreminja, se vrednost pogonskega toka dinamično spreminja, tako da je napetost, razvita v termistorju, znotraj določenega vhodnega območja elektronske naprave. Uporabnik mora zagotoviti, da je napetost, razvita v referenčnem uporu, tudi na ravni, ki je sprejemljiva za elektroniko. Obe možnosti zahtevata visoko raven krmiljenja, stalno spremljanje napetosti čez termistor, tako da lahko elektronika meri signal. Ali obstaja lažja možnost? Razmislite o vzbujanju napetosti.
Ko se napetost DC uporablja za termistor, se tok skozi termistor samodejno poveča, ko se upor Termistorja spreminja. Zdaj je z natančnim merilnim uporom namesto referenčnega upora, njegov namen je izračunati tok, ki teče skozi termistor in tako omogoči izračun upornosti termistorja. Ker se pogonska napetost uporablja tudi kot referenčni signal ADC, ni potrebna stopnja pridobivanja. Procesor nima naloge za spremljanje napetosti termistorja, pri čemer določi, ali je raven signala mogoče izmeriti z elektroniko, in izračuna, kakšna vrednost pridobivanja/toka je treba prilagoditi. To je metoda, uporabljena v tem članku.
Če ima termistor majhen upornost in območje upora, lahko uporabimo napetost ali tokovno vzbujanje. V tem primeru lahko pogonski tok in dobiček odpravite. Tako bo vezje, kot je prikazano na sliki 3. Ta metoda je priročna, saj je možno nadzorovati tok skozi senzor in referenčni upor, ki je dragocen v aplikacijah z nizko močjo. Poleg tega se zmanjša samogrevanje termistorja.
Vzbujanje napetosti se lahko uporablja tudi za termistorje z nizkimi ocenami odpornosti. Vendar mora uporabnik vedno zagotoviti, da tok skozi senzor ni previsok za senzor ali aplikacijo.
Vzbujanje napetosti poenostavlja izvedbo pri uporabi termistorja z veliko odpornostjo in širokim temperaturnim območjem. Večja nominalna odpornost zagotavlja sprejemljivo raven ocenjenega toka. Vendar morajo oblikovalci zagotoviti, da je tok na sprejemljivi ravni v celotnem temperaturnem območju, ki ga podpira aplikacija.
Sigma-delta ADC ponujajo več prednosti pri oblikovanju sistema merjenja termistorjev. Prvič, ker ADC Sigma-Delta ponovno preusmeri analogni vhod, se zunanje filtriranje zmanjša na minimum in edina zahteva je preprost RC filter. Zagotavljajo prilagodljivost pri vrstu filtra in hitrosti izhodne prestopke. Vgrajeno digitalno filtriranje se lahko uporabi za zatiranje kakršnih koli motenj v napravah z omrežjem. 24-bitne naprave, kot je AD7124-4/AD7124-8, imajo v celoti ločljivost do 21,7 bitov, zato zagotavljajo visoko ločljivost.
Uporaba ADC Sigma-Delta močno poenostavi oblikovanje termistorjev, hkrati pa zmanjšuje specifikacije, stroške sistema, prostor na plošči in čas na trženje.
Ta članek uporablja AD7124-4/AD7124-8 kot ADC, ker so nizki hrup, nizki tok, natančni ADC z vgrajenim PGA, vgrajenim referenčnim, analognim vhodom in referenčnim medpomnilnikom.
Ne glede na to, ali uporabljate pogonski tok ali pogonsko napetost, je priporočljiva referenčna konfiguracija, v kateri referenčna napetost in napetost senzorja prihajata iz istega vira pogona. To pomeni, da vsaka sprememba vira vzbujanja ne bo vplivala na natančnost merjenja.
Na sl. 5 prikazuje konstantni pogonski tok za termistor in natančni upor RREF, napetost, razvita v RREF, je referenčna napetost za merjenje termistorja.
Toka polja ni treba biti natančen in je lahko manj stabilen, saj bodo v tej konfiguraciji odpravljene morebitne napake v poljskem toku. Na splošno je trenutno vzbujanje prednostno nad vzbujanjem napetosti zaradi nadrejenega nadzora občutljivosti in boljše imunosti hrupa, ko se senzor nahaja na oddaljenih lokacijah. Ta vrsta pristranskosti se običajno uporablja za RTD ali termistorje z nizkimi vrednostmi odpornosti. Vendar pa bo za termistor z večjo vrednostjo upora in večjo občutljivostjo raven signala, ki jo ustvari vsaka sprememba temperature, večja, zato se uporablja vzbujanje napetosti. Na primer, 10 kΩ termistor ima upor 10 kΩ pri 25 ° C. Pri -50 ° C je odpornost termistorja NTC 441.117 kΩ. Najmanjši pogonski tok 50 µA, ki ga zagotavlja AD7124-4/AD7124-8, ustvari 441.117 KΩ × 50 µA = 22 V, ki je previsok in zunaj delovnega območja večine razpoložljivih ADC, ki se uporabljajo na tem območju aplikacije. Termistorji so običajno tudi priključeni ali nameščeni v bližini elektronike, zato imuniteta za pogon toka ni potrebna.
Če dodate senzniški upor v seriji kot vezje napetosti, bo tok skozi termistor omejilo na svojo minimalno vrednost upora. V tej konfiguraciji mora biti vrednost občutljivega upora RSense enaka vrednosti upornosti termistorja pri referenčni temperaturi 25 ° C, tako da bo izhodna napetost enaka srednji točki referenčne napetosti pri njegovi nazivni temperaturi 25 ° CC Podobno, če se uporabi 10 kΩ termistor z uporom 10 kΩ pri 25 ° C, naj bo rSense 10 kΩ. Ko se temperatura spreminja, se spreminja tudi odpornost termistorja NTC in se spremeni tudi razmerje pogonske napetosti čez termistor, kar ima za posledico, da je izhodna napetost sorazmerna z upornostjo termistorja NTC.
Če se izbrana referenca napetosti, ki se uporablja za napajanje termistorja in/ali RSense, ujema z referenčno napetostjo ADC, ki se uporablja za merjenje, je sistem nastavljen na razvijanje (slika 7), tako da bo vsak vir napetosti, povezane z vzbujanjem, pristranski.
Upoštevajte, da mora imeti senzni upor (napetost) ali referenčni upor (tok poganja) nizko začetno toleranco in nizko premik, saj lahko obe spremenljivki vplivata na natančnost celotnega sistema.
Pri uporabi več termistorjev lahko uporabite eno vzbujevalno napetost. Vendar mora imeti vsak termistor svoj natančni senzijski upor, kot je prikazano na sliki. 8. Druga možnost je uporaba zunanjega multiplekserja ali stikala z nizko odpornostjo v stanju ON, ki omogoča skupno rabo enega natančnega občutka. S to konfiguracijo vsak termistor potrebuje nekaj časa za poravnavo, ko ga merimo.
Če povzamemo, pri načrtovanju sistema za merjenje temperature na osnovi termistorja je treba upoštevati: izbira senzorjev, ožičenje senzorjev, komponenta komponente, komponiranja, konfiguracija ADC in kako te različne spremenljivke vplivajo na splošno natančnost sistema. Naslednji članek v tej seriji pojasnjuje, kako optimizirati oblikovanje sistema in celoten proračun za napake v sistemu, da dosežete svojo ciljno uspešnost.
Čas objave: september 30-2022