To je prvi članek v dvodelni seriji. Ta članek bo najprej obravnaval zgodovino in oblikovalske izzivetemperatura na osnovi termistorjamerilne sisteme, kot tudi njihovo primerjavo s sistemi za merjenje temperature z uporovnimi termometri (RTD). Opisana bo tudi izbira termistorja, konfiguracijske kompromise in pomen sigma-delta analogno-digitalnih pretvornikov (ADC) na tem področju uporabe. Drugi članek podrobno opisuje, kako optimizirati in oceniti končni merilni sistem na osnovi termistorja.
Kot je opisano v prejšnji seriji člankov, Optimizacija sistemov temperaturnih senzorjev RTD, je RTD upor, katerega upor se spreminja s temperaturo. Termistorji delujejo podobno kot RTD. Za razliko od RTD-jev, ki imajo le pozitiven temperaturni koeficient, ima lahko termistor pozitiven ali negativni temperaturni koeficient. Termistorji z negativnim temperaturnim koeficientom (NTC) zmanjšujejo svojo upornost z naraščanjem temperature, medtem ko termistorji s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC) povečujejo svojo upornost z naraščanjem temperature. Slika 1 prikazuje odzivne karakteristike tipičnih termistorjev NTC in PTC ter jih primerja s krivuljami RTD.
Kar zadeva temperaturno območje, je krivulja RTD skoraj linearna, senzor pa pokriva veliko širše temperaturno območje kot termistorji (običajno od -200 °C do +850 °C) zaradi nelinearne (eksponentne) narave termistorja. RTD-ji so običajno dobavljeni v dobro znanih standardiziranih krivuljah, medtem ko se krivulje termistorja razlikujejo glede na proizvajalca. O tem bomo podrobneje razpravljali v razdelku o izbiri termistorja v tem članku.
Termistorji so izdelani iz kompozitnih materialov, običajno keramike, polimerov ali polprevodnikov (običajno kovinskih oksidov) in čistih kovin (platine, niklja ali bakra). Termistorji lahko zaznajo temperaturne spremembe hitreje kot RTD-ji, kar zagotavlja hitrejšo povratno informacijo. Zato se termistorji pogosto uporabljajo v senzorjih v aplikacijah, ki zahtevajo nizke stroške, majhnost, hitrejši odziv, večjo občutljivost in omejen temperaturni razpon, kot so krmiljenje elektronike, nadzor domov in stavb, znanstveni laboratoriji ali kompenzacija hladnih spojev za termočlene v komercialnih ali industrijskih aplikacijah.
V večini primerov se za natančno merjenje temperature uporabljajo NTC termistorji in ne PTC termistorji. Na voljo so nekateri PTC termistorji, ki se lahko uporabljajo v tokokrogih za zaščito pred preobremenitvijo ali kot ponastavljive varovalke za varnostne aplikacije. Krivulja upornosti in temperature PTC termistorja kaže zelo majhno območje NTC, preden doseže preklopno točko (ali Curiejevo točko), nad katero se upornost močno poveča za več velikostnih razredov v območju nekaj stopinj Celzija. V pogojih preobremenitve bo PTC termistor močno samosegreval, ko bo presežena preklopna temperatura, njegova upornost pa se bo močno povečala, kar bo zmanjšalo vhodni tok v sistem in s tem preprečilo poškodbe. Preklopna točka PTC termistorjev je običajno med 60 °C in 120 °C in ni primerna za nadzor meritev temperature v širokem razponu aplikacij. Ta članek se osredotoča na NTC termistorje, ki lahko običajno merijo ali spremljajo temperature v območju od -80 °C do +150 °C. NTC termistorji imajo nazivno upornost od nekaj ohmov do 10 MΩ pri 25 °C. Kot je prikazano na sliki 1, je sprememba upornosti na stopinjo Celzija pri termistorjih bolj izrazita kot pri uporovnih termometrih. V primerjavi s termistorji visoka občutljivost in visoka vrednost upornosti termistorja poenostavljata njegovo vhodno vezje, saj termistorji ne potrebujejo posebne konfiguracije ožičenja, kot je 3-žično ali 4-žično, za kompenzacijo upornosti vodnikov. Zasnova termistorja uporablja le preprosto 2-žično konfiguracijo.
Visoko precizno merjenje temperature s termistorjem zahteva natančno obdelavo signalov, analogno-digitalno pretvorbo, linearizacijo in kompenzacijo, kot je prikazano na sliki 2.
Čeprav se signalna veriga morda zdi preprosta, obstaja več zapletenosti, ki vplivajo na velikost, stroške in zmogljivost celotne matične plošče. ADI-jeva portfelja preciznih ADC-jev vključuje več integriranih rešitev, kot je AD7124-4/AD7124-8, ki zagotavljajo številne prednosti pri načrtovanju toplotnih sistemov, saj je večina gradnikov, potrebnih za aplikacijo, vgrajenih. Vendar pa obstajajo različni izzivi pri načrtovanju in optimizaciji rešitev za merjenje temperature na osnovi termistorjev.
Ta članek obravnava vsako od teh težav in ponuja priporočila za njihovo reševanje ter nadaljnjo poenostavitev postopka načrtovanja takšnih sistemov.
Obstaja široka paletaNTC termistorjina trgu danes ni veliko, zato je izbira pravega termistorja za vašo uporabo lahko zahtevna naloga. Upoštevajte, da so termistorji navedeni po svoji nominalni vrednosti, ki je njihova nominalna upornost pri 25 °C. Zato ima termistor z 10 kΩ nominalno upornost 10 kΩ pri 25 °C. Termistorji imajo nominalno ali osnovno upornost od nekaj ohmov do 10 MΩ. Termistorji z nizko upornostjo (nominalna upornost 10 kΩ ali manj) običajno podpirajo nižja temperaturna območja, kot so -50 °C do +70 °C. Termistorji z višjo upornostjo lahko prenesejo temperature do 300 °C.
Termistorski element je izdelan iz kovinskega oksida. Termistorji so na voljo v kroglični, radialni in SMD obliki. Termistorske kroglice so za dodatno zaščito prevlečene z epoksi smolo ali zaprte v steklo. Kroglični termistorji z epoksi smolo, radialni in površinski termistorji so primerni za temperature do 150 °C. Termistorji s steklenimi kroglicami so primerni za merjenje visokih temperatur. Vse vrste premazov/embalaž ščitijo tudi pred korozijo. Nekateri termistorji imajo tudi dodatna ohišja za dodatno zaščito v težkih okoljih. Termistorji s steklenimi kroglicami 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 termistor nahaja. Dolgoročna stabilnost termistorja je odvisna od njegovega materiala, embalaže in zasnove. Na primer, NTC termistor z epoksi smolo se lahko spremeni za 0,2 °C na leto, medtem ko se zaprti termistor spremeni le za 0,02 °C na leto.
Termistorji so na voljo v različnih natančnostih. Standardni termistorji imajo običajno natančnost od 0,5 °C do 1,5 °C. Nazivna upornost termistorja in beta vrednost (razmerje med 25 °C in 50 °C/85 °C) imata toleranco. Upoštevajte, da se beta vrednost termistorja razlikuje glede na proizvajalca. Na primer, 10 kΩ NTC termistorji različnih proizvajalcev bodo imeli različne beta vrednosti. Za natančnejše sisteme se lahko uporabijo 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 razpon temperatur, ki jih je mogoče izmeriti, in zahtevana natančnost v tem temperaturnem območju odvisna od tega, ali so termistorji primerni za to uporabo. Upoštevajte, da višja kot je natančnost serije Omega 44xxx, višji so stroški.
Za pretvorbo upora v stopinje Celzija se običajno uporablja beta vrednost. Beta vrednost se določi s poznavanjem obeh temperaturnih točk in ustreznega upora na vsaki temperaturni točki.
RT1 = Temperaturna upornost 1 RT2 = Temperaturna upornost 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Uporabnik uporabi vrednost beta, ki je najbližje temperaturnemu območju, uporabljenemu v projektu. Večina podatkovnih listov termistorjev navaja vrednost beta skupaj z toleranco upora pri 25 °C in toleranco za vrednost beta.
Termistorji z višjo natančnostjo in visoko precizne rešitve za zaključevanje, kot je serija Omega 44xxx, uporabljajo Steinhart-Hartovo enačbo za pretvorbo upornosti v stopinje Celzija. Enačba 2 zahteva tri konstante A, B in C, ki jih spet zagotovi proizvajalec senzorja. Ker so koeficienti enačbe ustvarjeni z uporabo treh temperaturnih točk, nastala enačba zmanjša napako, ki jo povzroči linearizacija (običajno 0,02 °C).
A, B in C so konstante, izpeljane iz treh nastavljenih temperaturnih vrednosti. R = upornost termistorja v ohmih T = temperatura v K stopinjah
Na sliki 3 je prikazano vzbujanje toka senzorja. Pogonski tok se dovaja na termistor in enak tok se dovaja na precizni upor; precizni upor se uporablja kot referenca za meritev. Vrednost referenčnega upora mora biti večja ali enaka najvišji vrednosti upornosti termistorja (odvisno od najnižje izmerjene temperature v sistemu).
Pri izbiri vzbujevalnega toka je treba ponovno upoštevati največji upor termistorja. To zagotavlja, da je napetost na senzorju in referenčnem uporu vedno na ravni, ki je sprejemljiva za elektroniko. Vir vzbujevalnega toka zahteva nekaj rezerve ali izhodnega usklajevanja. Če ima termistor visok upor pri najnižji merljivi temperaturi, bo to povzročilo zelo nizek pogonski tok. Zato je napetost, ki se ustvari na termistorju pri visoki temperaturi, majhna. Za optimizacijo merjenja teh signalov nizke ravni se lahko uporabijo programirljive stopnje ojačanja. Vendar pa je treba ojačanje programirati dinamično, ker se raven signala iz termistorja močno spreminja s temperaturo.
Druga možnost je nastavitev ojačanja, vendar uporaba dinamičnega pogonskega toka. Zato se s spreminjanjem nivoja signala iz termistorja dinamično spreminja tudi vrednost pogonskega toka, tako da je napetost, ki se razvije na termistorju, znotraj določenega vhodnega območja elektronske naprave. Uporabnik mora zagotoviti, da je napetost, ki se razvije na referenčnem uporu, prav tako na ravni, ki je sprejemljiva za elektroniko. Obe možnosti zahtevata visoko raven nadzora in stalno spremljanje napetosti na termistorju, da lahko elektronika izmeri signal. Ali obstaja lažja možnost? Razmislite o napetostnem vzbujanju.
Ko se na termistor priključi enosmerna napetost, se tok skozi termistor samodejno spreminja s spreminjanjem upornosti termistorja. Namen uporabe preciznega merilnega upora namesto referenčnega upora je izračun toka, ki teče skozi termistor, kar omogoča izračun upornosti termistorja. Ker se pogonska napetost uporablja tudi kot referenčni signal ADC, ni potrebna ojačevalna stopnja. Procesor nima naloge spremljanja napetosti termistorja, ugotavljanja, ali lahko elektronika izmeri nivo signala, in izračunavanja vrednosti ojačitve/toka pogona, ki jo je treba prilagoditi. Ta metoda je uporabljena v tem članku.
Če ima termistor majhno nazivno upornost in območje upornosti, se lahko uporabi napetostno ali tokovno vzbujanje. V tem primeru je mogoče pogonski tok in ojačanje nastaviti fiksno. Tako bo vezje videti, kot je prikazano na sliki 3. Ta metoda je priročna, saj je mogoče tok krmiliti prek senzorja in referenčnega upora, kar je dragoceno pri aplikacijah z nizko porabo energije. Poleg tega je samosegrevanje termistorja čim manjše.
Vzbujanje z napetostjo se lahko uporablja tudi za termistorje z nizko upornostjo. Vendar mora uporabnik vedno zagotoviti, da tok skozi senzor ni previsok za senzor ali aplikacijo.
Vzbujanje z napetostjo poenostavi izvedbo pri uporabi termistorja z veliko nazivno upornostjo in širokim temperaturnim območjem. Večja nazivna upornost zagotavlja sprejemljivo raven nazivnega toka. Vendar pa morajo načrtovalci zagotoviti, da je tok na sprejemljivi ravni v celotnem temperaturnem območju, ki ga podpira aplikacija.
Sigma-delta ADC-ji ponujajo več prednosti pri načrtovanju merilnega sistema s termistorjem. Prvič, ker sigma-delta ADC ponovno vzorči analogni vhod, je zunanje filtriranje minimalno in edina zahteva je preprost RC filter. Zagotavljajo prilagodljivost pri vrsti filtra in izhodni hitrosti prenosa. Vgrajeno digitalno filtriranje se lahko uporabi za preprečevanje motenj v napravah, ki se napajajo iz omrežja. 24-bitne naprave, kot sta AD7124-4/AD7124-8, imajo polno ločljivost do 21,7 bitov, zato zagotavljajo visoko ločljivost.
Uporaba sigma-delta ADC močno poenostavi zasnovo termistorja, hkrati pa zmanjša specifikacije, stroške sistema, prostor na plošči in čas do uvedbe na trg.
V tem članku je kot analogno-digitalni pretvornik uporabljen AD7124-4/AD7124-8, ker gre za nizkošumne, nizkotokovne, natančne analogno-digitalne pretvornike z vgrajenim PGA, vgrajeno referenco, analognim vhodom in referenčnim medpomnilnikom.
Ne glede na to, ali uporabljate pogonski tok ali pogonsko napetost, je priporočljiva ratometrična konfiguracija, pri kateri referenčna napetost in napetost senzorja prihajata iz istega pogonskega vira. To pomeni, da morebitna sprememba vzbujevalnega vira ne bo vplivala na natančnost meritve.
Na sliki 5 je prikazan konstantni pogonski tok za termistor in precizni upor RREF, napetost, ki se razvije na RREF, pa je referenčna napetost za merjenje termistorja.
Ni nujno, da je poljski tok natančen in je lahko manj stabilen, saj bodo v tej konfiguraciji odpravljene morebitne napake v poljskem toku. Na splošno je tokovno vzbujanje prednostnejše od napetostnega vzbujanja zaradi boljšega nadzora občutljivosti in boljše odpornosti na šum, ko se senzor nahaja na oddaljenih lokacijah. Ta vrsta metode pristranskosti se običajno uporablja za RTD-je ali termistorje z nizkimi vrednostmi upornosti. Vendar pa bo pri termistorju z višjo vrednostjo upornosti in višjo občutljivostjo raven signala, ki jo ustvari vsaka sprememba temperature, večja, zato se uporabi napetostno vzbujanje. Na primer, termistor 10 kΩ ima upornost 10 kΩ pri 25 °C. Pri -50 °C je upornost 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, kar je previsoko in zunaj delovnega območja večine razpoložljivih ADC-jev, ki se uporabljajo na tem področju uporabe. Termistorji so običajno priključeni ali nameščeni v bližini elektronike, zato imunost na pogonski tok ni potrebna.
Z zaporednim dodajanjem zaznavalnega upora kot delilnika napetosti se bo tok skozi termistor omejil na njegovo minimalno vrednost upora. V tej konfiguraciji mora biti vrednost zaznavalnega upora RSENSE enaka vrednosti upora termistorja pri referenčni temperaturi 25 °C, tako da bo izhodna napetost enaka sredini referenčne napetosti pri njegovi nominalni temperaturi 25 °C. Podobno, če se uporabi 10 kΩ termistor z uporom 10 kΩ pri 25 °C, mora biti RSENSE 10 kΩ. S spreminjanjem temperature se spreminja tudi upor NTC termistorja in spreminja se tudi razmerje pogonske napetosti na termistorju, zaradi česar je izhodna napetost sorazmerna z uporom NTC termistorja.
Če se izbrana referenčna napetost, ki se uporablja za napajanje termistorja in/ali RSENSE, ujema z referenčno napetostjo ADC, ki se uporablja za meritev, je sistem nastavljen na razmernostno meritev (slika 7), tako da se odstrani morebitna napaka vira napetosti, povezana z vzbujanjem.
Upoštevajte, da mora imeti bodisi zaznavalni upor (ki ga poganja napetost) bodisi referenčni upor (ki ga poganja tok) nizko začetno toleranco in majhen zdrs, saj lahko obe spremenljivki vplivata na natančnost celotnega sistema.
Pri uporabi več termistorjev se lahko uporabi ena vzbujevalna napetost. Vendar pa mora imeti vsak termistor svoj natančni upor za zaznavanje, kot je prikazano na sliki 8. Druga možnost je uporaba zunanjega multiplekserja ali stikala z nizko upornostjo v vklopljenem stanju, kar omogoča souporabo enega natančnega upora za zaznavanje. Pri tej konfiguraciji vsak termistor potrebuje nekaj časa umirjanja pri merjenju.
Skratka, pri načrtovanju sistema za merjenje temperature na osnovi termistorja je treba upoštevati veliko vprašanj: izbiro senzorja, ožičenje senzorja, kompromise pri izbiri komponent, konfiguracijo ADC-ja in kako te različne spremenljivke vplivajo na splošno natančnost sistema. Naslednji članek v tej seriji pojasnjuje, kako optimizirati zasnovo sistema in celoten proračun za napake sistema, da dosežete ciljno zmogljivost.
Čas objave: 30. september 2022