To je prvi članek v dvodelni seriji.Ta članek bo najprej razpravljal o zgodovini in izzivih oblikovanjatemperatura na osnovi termistorjamerilnih sistemov, kot tudi njihovo primerjavo s sistemi za merjenje temperature z uporovnimi termometri (RTD).Opisal bo tudi izbiro termistorja, konfiguracijske kompromise in pomen sigma-delta analogno-digitalnih pretvornikov (ADC) na tem področju uporabe.Drugi članek bo podrobno razložil, kako optimizirati in ovrednotiti 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, ki imajo samo pozitivni temperaturni koeficient, ima lahko termistor pozitiven ali negativen temperaturni koeficient.Termistorji z negativnim temperaturnim koeficientom (NTC) zmanjšajo svoj upor, ko se temperatura dvigne, medtem ko termistorji s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC) povečajo svojo upornost, ko se temperatura dvigne.Na sl.1 prikazuje karakteristike odziva tipičnih NTC in PTC termistorjev in jih primerja s krivuljami RTD.
Kar zadeva temperaturno območje, je krivulja RTD skoraj linearna, senzor pa pokriva veliko širši temperaturni razpon kot termistorji (običajno od -200 °C do +850 °C) zaradi nelinearne (eksponentne) narave termistorja.RTD so običajno na voljo v dobro znanih standardiziranih krivuljah, medtem ko se krivulje termistorjev razlikujejo glede na proizvajalca.O tem bomo podrobno razpravljali v razdelku vodnika za izbiro termistorja v tem članku.
Termistorji so narejeni 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, kar zagotavlja hitrejše povratne informacije.Zato termistorje običajno uporabljajo senzorji v aplikacijah, ki zahtevajo nizko ceno, majhnost, hitrejši odziv, višjo občutljivost in omejeno temperaturno območje, kot so nadzor elektronike, nadzor doma in zgradbe, znanstveni laboratoriji ali kompenzacija hladnega spoja za termočlene v komercialni industriji. ali industrijske aplikacije.namene.Aplikacije.
V večini primerov se za natančno merjenje temperature uporabljajo NTC termistorji, ne PTC termistorji.Na voljo so nekateri termistorji PTC, ki jih je mogoče uporabiti v zaščitnih tokokrogih prenapetosti ali kot ponastavljive varovalke za varnostne aplikacije.Krivulja upornost-temperatura termistorja PTC kaže zelo majhno območje NTC, preden doseže preklopno točko (ali Curiejevo točko), nad katero se upor močno poveča za več velikostnih redov v območju nekaj stopinj Celzija.V pogojih prevelikega toka bo termistor PTC ustvaril močno samosegrevanje, ko bo presežena preklopna temperatura, in njegova upornost bo močno narasla, kar bo zmanjšalo vhodni tok v sistem in s tem preprečilo poškodbe.Preklopna točka termistorjev PTC je običajno med 60 °C in 120 °C in ni primerna za krmiljenje meritev temperature v širokem spektru aplikacij.Ta članek se osredotoča na termistorje NTC, ki lahko običajno merijo ali spremljajo temperature v razponu od -80 °C do +150 °C.NTC termistorji imajo ocene upora od nekaj ohmov do 10 MΩ pri 25 °C.Kot je prikazano na sl.1 je sprememba upora na stopinjo Celzija pri termistorjih bolj izrazita kot pri uporovnih termometrih.V primerjavi s termistorji visoka občutljivost in visoka vrednost upora termistorja poenostavita njegovo vhodno vezje, saj termistorji ne potrebujejo nobene posebne konfiguracije ožičenja, kot je 3-žična ali 4-žilna, za kompenzacijo upora vodnika.Zasnova termistorja uporablja samo preprosto 2-žilno konfiguracijo.
Visoko natančno merjenje temperature na osnovi termistorja zahteva natančno obdelavo signala, analogno-digitalno pretvorbo, linearizacijo in kompenzacijo, kot je prikazano na sl.2.
Čeprav se signalna veriga morda zdi preprosta, obstaja več zapletenosti, ki vplivajo na velikost, ceno in zmogljivost celotne matične plošče.ADI-jev portfelj natančnih ADC vključuje več integriranih rešitev, kot je AD7124-4/AD7124-8, ki zagotavljajo številne prednosti za načrtovanje toplotnega sistema, 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 podaja priporočila za njihovo rešitev in nadaljnjo poenostavitev postopka načrtovanja za takšne sisteme.
Obstaja veliko različnihNTC termistorjidanes na trgu, zato je lahko izbira pravega termistorja za vašo aplikacijo zastrašujoča naloga.Upoštevajte, da so termistorji navedeni po nazivni vrednosti, ki je njihova nominalna upornost pri 25 °C.Zato ima termistor z 10 kΩ nazivni upor 10 kΩ pri 25 °C.Termistorji imajo nazivne ali osnovne vrednosti upora v razponu od nekaj ohmov do 10 MΩ.Termistorji z nizkim uporom (nazivni upor 10 kΩ ali manj) običajno podpirajo nižja temperaturna območja, na primer od -50 °C do +70 °C.Termistorji z višjo stopnjo odpornosti lahko prenesejo temperature do 300 °C.
Element termistorja je izdelan iz kovinskega oksida.Termistorji so na voljo v krogličnih, radialnih in SMD oblikah.Kroglice termistorja so prevlečene z epoksidno smolo ali v stekleno kapsulo za dodatno zaščito.Kroglični termistorji z epoksi prevleko, radialni in površinski termistorji so primerni za temperature do 150°C.Termistorji iz 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 kroglice imajo hitrejši odzivni čas kot radialni/SMD termistorji.Vendar pa 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 oblike.NTC termistor z epoksidno prevleko se lahko na primer spremeni za 0,2 °C na leto, medtem ko se zaprti termistor spremeni le za 0,02 °C na leto.
Termistorji so različnih točnosti.Standardni termistorji imajo običajno natančnost od 0,5 °C do 1,5 °C.Stopnja odpornosti termistorja in vrednost beta (razmerje od 25 °C do 50 °C/85 °C) imata toleranco.Upoštevajte, da se vrednost beta termistorja razlikuje glede na proizvajalca.Na primer, 10 kΩ NTC termistorji različnih proizvajalcev bodo imeli različne vrednosti beta.Za natančnejše sisteme je mogoče uporabiti termistorje, kot je serija Omega™ 44xxx.Imajo natančnost 0,1 °C ali 0,2 °C v temperaturnem območju od 0 °C do 70 °C.Zato obseg temperatur, ki jih je mogoče izmeriti, in zahtevana natančnost v tem temperaturnem območju določata, ali so termistorji primerni za to aplikacijo.Upoštevajte, da večja kot je natančnost serije Omega 44xxx, višji so stroški.
Za pretvorbo upora v stopinje Celzija se običajno uporablja vrednost beta.Vrednost beta se določi s poznavanjem dveh temperaturnih točk in ustreznega upora na vsaki temperaturni točki.
RT1 = Temperaturna odpornost 1 RT2 = Temperaturna odpornost 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Uporabnik uporabi vrednost beta, ki je najbližja temperaturnemu območju, uporabljenemu v projektu.Večina podatkovnih listov termistorjev navaja beta vrednost skupaj s toleranco upora pri 25 °C in toleranco za beta vrednost.
Natančnejši termistorji in visokonatančne zaključne rešitve, kot je serija Omega 44xxx, uporabljajo Steinhart-Hartovo enačbo za pretvorbo upora v stopinje Celzija.Enačba 2 zahteva tri konstante A, B in C, ki jih ponovno 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, ki izhajajo iz treh nastavljenih temperatur.R = upornost termistorja v ohmih T = temperatura v K stopinjah
Na sl.3 prikazuje trenutno vzbujanje senzorja.Pogonski tok se uporablja za termistor in enak tok za natančni upor;kot referenca za merjenje se uporablja natančni upor.Vrednost referenčnega upora mora biti večja ali enaka najvišji vrednosti upora termistorja (odvisno od najnižje izmerjene temperature v sistemu).
Pri izbiri vzbujalnega toka je treba ponovno upoštevati največji upor termistorja.To zagotavlja, da je napetost na senzorju in referenčnem uporu vedno na ravni, sprejemljivi za elektroniko.Vir toka polja zahteva nekaj prostora ali ujemanja izhoda.Če ima termistor visok upor pri najnižji izmerljivi temperaturi, bo to povzročilo zelo nizek pogonski tok.Zato je napetost, ki nastane na termistorju pri visoki temperaturi, majhna.Programabilne stopnje ojačanja se lahko uporabljajo za optimizacijo merjenja teh signalov nizke ravni.Vendar mora biti ojačanje dinamično programirano, ker se raven signala iz termistorja močno spreminja s temperaturo.
Druga možnost je, da nastavite ojačanje, vendar uporabite dinamični pogonski tok.Zato se s spremembo nivoja signala iz termistorja dinamično spremeni vrednost pogonskega toka, tako da je napetost, ki se razvije na termistorju, znotraj določenega vhodnega območja elektronske naprave.Uporabnik mora zagotoviti, da je tudi napetost, ki se razvije na referenčnem uporu, na ravni, sprejemljivi za elektroniko.Obe možnosti zahtevata visoko stopnjo nadzora, stalno spremljanje napetosti na termistorju, da lahko elektronika meri signal.Ali obstaja lažja možnost?Upoštevajte napetostno vzbujanje.
Ko je na termistor priključena enosmerna napetost, se tok skozi termistor samodejno spreminja, ko se spreminja upornost termistorja.Zdaj je namen uporabe natančnega merilnega upora namesto referenčnega upora izračunati tok, ki teče skozi termistor, kar omogoča izračun upora termistorja.Ker se pogonska napetost uporablja tudi kot referenčni signal ADC, stopnja ojačanja ni potrebna.Procesor nima naloge spremljanja napetosti termistorja, ugotavljanja, ali je mogoče z elektroniko izmeriti nivo signala, in izračunavanja vrednosti ojačenja/toka pogona, ki jo je treba prilagoditi.To je metoda, uporabljena v tem članku.
Če ima termistor majhno upornost in nizek razpon upora, se lahko uporabi napetostno ali tokovno vzbujanje.V tem primeru je mogoče popraviti pogonski tok in ojačanje.Tako bo vezje, kot je prikazano na sliki 3. Ta metoda je priročna, ker je mogoče nadzorovati tok skozi senzor in referenčni upor, kar je dragoceno pri aplikacijah z nizko porabo energije.Poleg tega je samosegrevanje termistorja čim manjše.
Napetostno vzbujanje se lahko uporablja tudi za termistorje z nizkim uporom.Vendar mora uporabnik vedno zagotoviti, da tok skozi senzor ni previsok za senzor ali aplikacijo.
Napetostno vzbujanje poenostavi izvedbo pri uporabi termistorja z visoko stopnjo upora in širokim temperaturnim območjem.Večji nazivni upor zagotavlja sprejemljivo raven nazivnega toka.Vendar pa morajo oblikovalci zagotoviti, da je tok na sprejemljivi ravni v celotnem temperaturnem območju, ki ga podpira aplikacija.
Sigma-delta ADC-ji ponujajo številne prednosti pri načrtovanju termistorskega merilnega sistema.Prvič, ker sigma-delta ADC ponovno vzorči analogni vhod, je zunanje filtriranje čim manjše in edina zahteva je preprost filter RC.Zagotavljajo prilagodljivost glede vrste filtra in izhodne hitrosti prenosa podatkov.Vgrajeno digitalno filtriranje je mogoče uporabiti za zatiranje motenj v napravah, ki se napajajo iz električnega omrežja.24-bitne naprave, kot je 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 za trženje.
Ta članek uporablja AD7124-4/AD7124-8 kot ADC, ker sta nizkošumna, nizkotokovna, natančna ADC z vgrajenim PGA, vgrajeno referenco, analognim vhodom in referenčnim medpomnilnikom.
Ne glede na to, ali uporabljate pogonski tok ali pogonsko napetost, je priporočljiva raciometrična konfiguracija, pri kateri referenčna napetost in napetost senzorja prihajata iz istega pogonskega vira.To pomeni, da nobena sprememba vira vzbujanja ne bo vplivala na točnost meritve.
Na sl.5 prikazuje konstantni pogonski tok za termistor in natančni upor RREF, napetost, razvita preko RREF, je referenčna napetost za merjenje termistorja.
Ni nujno, da je tok polja natančen in je lahko manj stabilen, saj bodo v tej konfiguraciji odpravljene vse napake v toku polja.Na splošno ima tokovno vzbujanje prednost pred napetostnim vzbujanjem zaradi boljšega nadzora občutljivosti in boljše odpornosti proti hrupu, ko je senzor nameščen na oddaljenih lokacijah.Ta vrsta metode pristranskosti se običajno uporablja za RTD ali termistorje z nizkimi vrednostmi upora.Vendar pa bo pri termistorju z višjo vrednostjo upora in večjo občutljivostjo raven signala, ki ga ustvari vsaka temperaturna sprememba, višja, zato se uporablja napetostno vzbujanje.Na primer, termistor z 10 kΩ ima upornost 10 kΩ pri 25 °C.Pri -50°C je upor NTC termistorja 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 izven delovnega območja večine razpoložljivih ADC, ki se uporabljajo na tem področju uporabe.Termistorji so običajno tudi povezani ali nameščeni v bližini elektronike, tako da odpornost na pogonski tok ni potrebna.
Če zaporedno dodate zaznavni upor kot vezje delilnika napetosti, bo tok skozi termistor omejil na najmanjšo vrednost upora.V tej konfiguraciji mora biti vrednost senzorskega upora RSENSE enaka vrednosti upora termistorja pri referenčni temperaturi 25 °C, tako da bo izhodna napetost enaka sredini referenčne napetosti pri nazivni temperaturi 25 °CC Podobno, če se uporabi termistor 10 kΩ z uporom 10 kΩ pri 25 °C, mora biti RSENSE 10 kΩ.Ko se temperatura spremeni, se spremeni tudi upor NTC termistorja in spremeni 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 merjenje, je sistem nastavljen na raciometrično merjenje (slika 7), tako da bo vsak vir napetosti, povezan z vzbujanjem, pristransko odstranjen.
Upoštevajte, da mora imeti senzorski upor (na napetost) ali referenčni upor (na tok) nizko začetno toleranco in majhen odmik, saj lahko obe spremenljivki vplivata na natančnost celotnega sistema.
Pri uporabi več termistorjev se lahko uporabi ena vzbujalna napetost.Vendar pa mora imeti vsak termistor svoj natančni senzorski upor, kot je prikazano na sl.8. Druga možnost je uporaba zunanjega multiplekserja ali stikala z nizkim uporom v stanju vklopa, ki omogoča skupno rabo enega natančnega senzorskega upora.Pri tej konfiguraciji potrebuje vsak termistor pri merjenju nekaj časa za umiritev.
Če povzamemo, pri načrtovanju sistema za merjenje temperature na osnovi termistorja je treba upoštevati številna vprašanja: izbiro senzorja, ožičenje senzorja, kompromise pri izbiri komponent, konfiguracijo ADC in kako te različne spremenljivke vplivajo na splošno natančnost sistema.Naslednji članek v tej seriji pojasnjuje, kako optimizirati zasnovo sistema in skupni proračun za sistemske napake, da dosežete ciljno zmogljivost.
Čas objave: 30. september 2022