Ovo je prvi članak u dvodijelnoj seriji. Ovaj će članak prvo raspravljati o izazovima povijesti i dizajnaTemperatura na bazi termistoraMjerni sustavi, kao i njihova usporedba s termometrom otpornosti (RTD) sustava mjerenja temperature. Također će opisati izbor termistora, konfiguracijske kompromise i važnost sigma-delta analogno-digitalnih pretvarača (ADC) u ovom području aplikacije. Drugi će članak detaljno opisati kako optimizirati i procijeniti konačni sustav mjerenja utemeljen na termistoru.
Kao što je opisano u prethodnom seriji članka, optimizirajući sustave senzora temperature RTD, RTD je otpornik čiji otpor varira od temperature. Termistori djeluju slično kao RTD. Za razliku od RTD -a, koji imaju samo pozitivan koeficijent temperature, termistor može imati pozitivan ili negativan koeficijent temperature. Termistori negativnog temperature (NTC) smanjuju svoj otpor kako temperatura raste, dok termistori pozitivnog temperature (PTC) povećavaju otpor kako temperatura raste. Na Sl. 1 prikazuje karakteristike odgovora tipičnih NTC i PTC termistora i uspoređuje ih s RTD krivuljama.
U pogledu temperaturnog raspona, krivulja RTD je gotovo linearna, a senzor pokriva mnogo širi raspon temperature od termistora (obično -200 ° C do +850 ° C) zbog nelinearne (eksponencijalne) prirode termistora. RTD-ovi se obično pružaju u dobro poznatim standardiziranim krivuljama, dok se termistorske krivulje razlikuju ovisno o proizvođaču. O tome ćemo detaljno raspravljati u odjeljku Termistor Selection Vodič ovog članka.
Termistori su izrađeni od kompozitnih materijala, obično keramike, polimera ili poluvodiča (obično metalnih oksida) i čistih metala (platina, nikl ili bakar). Termistori mogu otkriti temperaturne promjene brže od RTD -a, pružajući brže povratne informacije. Stoga termistori obično koriste senzori u aplikacijama koje zahtijevaju nisku cijenu, malu veličinu, brži odziv, veću osjetljivost i ograničeni temperaturni raspon, poput kontrole elektronike, kontrole kuće i zgrade, znanstvenih laboratorija ili kompenzacije hladnog spajanja za termoparove u komercijalnim ili industrijskim primjenama. svrhe. Prijave.
U većini slučajeva, NTC termistori koriste se za točno mjerenje temperature, a ne PTC termistore. Na raspolaganju su neki PTC termistori koji se mogu koristiti u zaštitnim krugovima prekomjernog struja ili kao pogodni osigurači za sigurnosne primjene. Krivulja otpornosti na temperaturu PTC termistora pokazuje vrlo malu NTC regiju prije nego što dosegnete točku prekidača (ili Curie točka), iznad koje se otpor oštro povećava za nekoliko reda veličine u rasponu od nekoliko stupnjeva Celzijevih stupnjeva. U uvjetima prekomjernog struja, PTC termistor stvorit će snažno samo zagrijavanje kada se premaše temperatura prebacivanja, a njegov će se otpor naglo povećati, što će smanjiti ulaznu struju u sustav, čime se sprječava oštećenja. Točka prebacivanja PTC termistora obično je između 60 ° C i 120 ° C i nije prikladna za kontrolu mjerenja temperature u širokom rasponu primjena. Ovaj se članak usredotočuje na NTC termistore, koji obično mogu mjeriti ili nadzirati temperature u rasponu od -80 ° C do +150 ° C. NTC termistori imaju ocjene otpora u rasponu od nekoliko ohma do 10 MΩ na 25 ° C. Kao što je prikazano na Sl. 1, promjena rezistencije po stupnju Celzijusa za termistore je izraženija nego za termometre otpora. U usporedbi s termistorima, termistorova visoka osjetljivost i visoka vrijednost otpornosti pojednostavljuju njegov ulazni krug, jer termistori ne zahtijevaju posebnu konfiguraciju ožičenja, poput 3-žice ili 4-žice, kako bi se nadoknadila otpornost na olovo. Termistor dizajn koristi samo jednostavnu dvožičnu konfiguraciju.
Visoko precizno mjerenje temperature na temelju termistora zahtijeva preciznu obradu signala, analogno-digitalnu pretvorbu, linearnu i kompenzaciju, kao što je prikazano na Sl. 2.
Iako se signalni lanac može činiti jednostavnim, postoji nekoliko složenosti koje utječu na veličinu, troškove i performanse cijele matične ploče. ADI precizni ADC portfelj uključuje nekoliko integriranih rješenja, poput AD7124-4/AD7124-8, koji pružaju niz prednosti za dizajn toplinskog sustava jer je ugrađena većina građevnih blokova potrebnih za aplikaciju. Međutim, postoje razni izazovi u dizajniranju i optimizaciji rješenja za mjerenje temperature na bazi termistora.
Ovaj članak govori o svakom od ovih pitanja i daje preporuke za njihovo rješavanje i daljnje pojednostavljivanje procesa dizajniranja za takve sustave.
Postoji širok izborNTC termistoriNa tržištu danas, tako da odabir pravog termistora za vašu prijavu može biti zastrašujući zadatak. Imajte na umu da su termistori navedeni prema njihovoj nominalnoj vrijednosti, što je njihov nominalni otpor na 25 ° C. Stoga, termistor od 10 kΩ ima nominalni otpor od 10 kΩ na 25 ° C. Termistori imaju nominalne ili osnovne vrijednosti otpora u rasponu od nekoliko ohma do 10 MΩ. Termistori s ocjenom niskog otpora (nominalni otpor 10 kΩ ili manje) obično podržavaju niže raspone temperature, poput -50 ° C do +70 ° C. Termistori s većim ocjenama otpora mogu podnijeti temperature do 300 ° C.
Termistorski element izrađen je od metalnog oksida. Termistori su dostupni u kugličnim, radijalnim i SMD oblicima. Termistorske perle su epoksidne ili staklene kapsulirane za dodatnu zaštitu. Epoksidni kuglični termistori, radijalni i površinski termistori pogodni su za temperature do 150 ° C. Termistori staklenih perlica pogodni su za mjerenje visokih temperatura. Sve vrste premaza/pakiranja također štite od korozije. Neki će termistori također imati dodatna kućišta za dodatnu zaštitu u teškim okruženjima. Termistori perlica imaju brže vrijeme odziva od radijalnih/SMD termistora. Međutim, nisu tako izdržljivi. Stoga vrsta korištenog termistora ovisi o krajnjoj primjeni i okolišu u kojem se nalazi termistor. Dugoročna stabilnost termistora ovisi o njegovom materijalu, pakiranju i dizajnu. Na primjer, NTC termistor prekriven epoksima može se mijenjati 0,2 ° C godišnje, dok se zapečaćeni termistor mijenja samo 0,02 ° C godišnje.
Termistori dolaze u različitoj točnosti. Standardni termistori obično imaju točnost od 0,5 ° C do 1,5 ° C. Ocjena otpornosti na termistor i vrijednost beta (omjer od 25 ° C do 50 ° C/85 ° C) imaju toleranciju. Imajte na umu da beta vrijednost termistora varira od proizvođača. Na primjer, 10 kΩ NTC termistori različitih proizvođača imat će različite beta vrijednosti. Za točnije sustave mogu se koristiti termistori poput Omega ™ 44xxx serije. Imaju točnost od 0,1 ° C ili 0,2 ° C u temperaturnom rasponu od 0 ° C do 70 ° C. Stoga, raspon temperatura koje se mogu mjeriti i točnost potrebna u tom temperaturnom rasponu određuje jesu li termistori prikladni za ovu primjenu. Imajte na umu da što je veća točnost serije Omega 44xxx, to su veći troškovi.
Da bi se otpor pretvorio u stupnjeve Celzijusa, obično se koristi beta vrijednost. Beta vrijednost se određuje poznavanjem dvije temperaturne točke i odgovarajućeg otpora na svakoj temperaturnoj točki.
RT1 = temperaturni otpor 1 RT2 = temperaturni otpor 2 T1 = temperatura 1 (k) T2 = temperatura 2 (k)
Korisnik koristi beta vrijednost najbližu temperaturnom rasponu koji se koristi u projektu. Većina podataka o podacima o termistoru navodi beta vrijednost zajedno s tolerancijom otpora na 25 ° C i tolerancijom prema beta vrijednosti.
Termistori veće preciznosti i otopine visokog preciznog prekida, kao što je serija Omega 44xxx, koriste Steinhart-Hart jednadžbu kako bi se otpor pretvorio u stupnjeve Celzijusa. Jednadžba 2 zahtijeva tri konstante A, B i C, a opet ih je pružio proizvođač senzora. Budući da se koeficijenti jednadžbe generiraju korištenjem tri temperaturne točke, rezultirajuća jednadžba minimizira pogrešku uvedenu linearnom (obično 0,02 ° C).
A, B i C su konstante dobivene iz tri temperaturne zadane vrijednosti. R = otpor na termistor u ohma t = temperatura u k stupnjevima
Na Sl. 3 prikazuje trenutno pobuđenje senzora. Pogonska struja primjenjuje se na termistor i ista struja se primjenjuje na precizni otpornik; Precizni otpornik koristi se kao referenca za mjerenje. Vrijednost referentnog otpornika mora biti veća ili jednaka najvećoj vrijednosti otpora termistora (ovisno o najnižoj temperaturi izmjerenoj u sustavu).
Prilikom odabira struje pobude, maksimalni otpor termistora mora se ponovo uzeti u obzir. To osigurava da je napon preko senzora i referentnog otpornika uvijek na razini prihvatljivim za elektroniku. Izvor struje polja zahtijeva podudaranje prostora za glavu ili izlaz. Ako termistor ima visoki otpor na najmanjoj mjerljivoj temperaturi, to će rezultirati vrlo niskom pogonskom strujom. Stoga je napon koji se generira preko termistora na visokoj temperaturi mali. Programirajuće faze pojačanja mogu se koristiti za optimizaciju mjerenja ovih signala niske razine. Međutim, dobitak mora biti dinamički programiran jer razina signala iz termistora uvelike varira od temperature.
Druga je mogućnost postaviti dobitak, ali koristiti dinamičku struju pogona. Stoga, kako se razina signala iz termistora mijenja, vrijednost pogonske struje dinamički se mijenja tako da je napon razvijen preko termistora unutar navedenog ulaznog raspona elektroničkog uređaja. Korisnik mora osigurati da je napon razvijen u referentnom otporniku također na razini prihvatljivom za elektroniku. Obje opcije zahtijevaju visoku razinu upravljanja, stalno praćenje napona preko termistora kako bi elektronika mogla mjeriti signal. Postoji li lakša opcija? Razmislite o uzbuđenju napona.
Kad se na termistor primijeni napon istosmjernog napona, struja kroz termistor automatski se mjeri kako se otpor termistora mijenja. Sada, koristeći precizno mjerenje otpornika umjesto referentnog otpornika, njegova je svrha izračunati struju koja teče kroz termistor, omogućavajući tako da se izračuna otpor termistora. Budući da se pogonski napon koristi i kao ADC referentni signal, nije potreban faza pojačanja. Procesor nema posao praćenja napona termistora, određujući može li se razina signala mjeriti elektronikom i izračunavanje koje vrijednosti pogona/struje treba prilagoditi. Ovo je metoda korištena u ovom članku.
Ako termistor ima malu ocjenu otpora i raspon otpora, može se koristiti napon ili ekscitacija struje. U ovom se slučaju mogu popraviti pogonska struja i dobitak. Dakle, krug će biti prikazan na slici 3., ova je metoda prikladna po tome što je moguće kontrolirati struju kroz senzor i referentni otpornik, što je vrijedno u aplikacijama male snage. Osim toga, samo zagrijavanje termistora je minimizirano.
Naponsko pobuđenje može se koristiti i za termistore s malim ocjenama otpora. Međutim, korisnik mora uvijek osigurati da struja kroz senzor nije previsoka za senzor ili aplikaciju.
Napon pobuđenja pojednostavljuje implementaciju pri korištenju termistora s velikom ocjenom otpora i širokim rasponom temperature. Veći nominalni otpor pruža prihvatljivu razinu nazivne struje. Međutim, dizajneri moraju osigurati da je struja na prihvatljivoj razini u odnosu na cijeli temperaturni raspon podržan primjenom.
ADC-ovi Sigma-Delta nude nekoliko prednosti prilikom dizajniranja sustava za mjerenje termistora. Prvo, budući da sigma-delta ADC ponovno nanosi analogni ulaz, vanjsko filtriranje se sve minimalno drži, a jedini zahtjev je jednostavan RC filter. Omogućuju fleksibilnost u vrsti filtra i izlaznu brzinu prijenosa. Ugrađeno digitalno filtriranje može se koristiti za suzbijanje bilo kakvih smetnji na uređajima s mrežnim napajanjem. 24-bitni uređaji poput AD7124-4/AD7124-8 imaju potpunu rezoluciju do 21,7 bita, tako da pružaju visoku rezoluciju.
Upotreba ADC-a Sigma-Delta uvelike pojednostavljuje dizajn termistora uz smanjenje specifikacija, troškova sustava, prostora na ploči i vremena za tržište.
Ovaj članak koristi AD7124-4/AD7124-8 kao ADC jer su niska buka, mala struja, precizni ADC-ovi s ugrađenim PGA, ugrađenom referencom, analognim ulaznim i referentnim međuspremnik.
Bez obzira koristite li pogonsku struju ili pogonski napon, preporučuje se ratiometrijska konfiguracija u kojoj referentni napon i napon senzora dolaze iz istog izvora pogona. To znači da svaka promjena u izvoru pobude neće utjecati na točnost mjerenja.
Na Sl. 5 prikazuje konstantnu pogonsku struju za termistor i precizni otpornik RREF, napon razvijen preko RREF -a je referentni napon za mjerenje termistora.
Struja polja ne mora biti točna i može biti manje stabilna jer će se u ovoj konfiguraciji ukloniti sve pogreške u struji polja. Općenito, struja pobuđenja preferira se tijekom pobude napona zbog superiorne kontrole osjetljivosti i boljeg imuniteta buke kada se senzor nalazi na udaljenim mjestima. Ova vrsta metode pristranosti obično se koristi za RTD ili termistore s niskim vrijednostima otpora. Međutim, za termistor s većom vrijednosti otpornosti i većom osjetljivošću, razina signala generirana svakom promjenom temperature bit će veća, pa se koristi napon pobuda. Na primjer, termistor od 10 kΩ ima otpor od 10 kΩ na 25 ° C. Na -50 ° C, otpor NTC termistora je 441.117 kΩ. Minimalna pogonska struja od 50 µA koju pruža AD7124-4/AD7124-8 generira 441,117 Kω × 50 µA = 22 V, što je previsoko i izvan radnog raspona većine dostupnih ADC-a koji se koriste u ovom području aplikacije. Termistori su također obično povezani ili smješteni u blizini elektronike, tako da imunitet na pogonsku struju nije potreban.
Dodavanje osjetilnog otpornika u nizu kao krug razdjelnika napona ograničit će struju kroz termistor na njegovu minimalnu vrijednost otpora. U ovoj konfiguraciji, vrijednost osjetilnog otpornika mora biti jednaka vrijednosti otpornosti na termistor na referentnoj temperaturi od 25 ° C, tako da će izlazni napon biti jednak srednjoj točki referentnog napona na njegovoj nominalnoj temperaturi od 25 ° CC sličan, ako se koristi od 10 kΩ s 10 kΩ 10 kΩ. Kako se temperatura mijenja, otpor NTC termistora također se mijenja, a omjer pogonskog napona preko termistora također se mijenja, što rezultira time da je izlazni napon proporcionalan otporu NTC termistora.
Ako se odabrana referenca napona koja se koristi za napajanje termistora i/ili rsense odgovara ADC referentnom naponu koji se koristi za mjerenje, sustav je postavljen na ratiometrijsko mjerenje (Slika 7), tako da će se svaki izvor napona u vezi s pobudom biti pristran na uklanjanje.
Imajte na umu da bi osjetilni otpornik (vođen naponom) ili referentni otpornik (struja pokretana) trebao imati nisku početnu toleranciju i nizak odlazak, jer obje varijable mogu utjecati na točnost cijelog sustava.
Kada se koristi više termistora, može se koristiti jedan napon pobude. Međutim, svaki termistor mora imati svoj otpornik preciznog smisla, kao što je prikazano na Sl. 8. Druga opcija je korištenje vanjskog multipleksera ili prekidača s malim otporom u stanju ON, što omogućava dijeljenje jednog preciznog osjetilnog otpornika. S ovom konfiguracijom, svakom termistoru treba neko vrijeme naseljavanja kada se mjeri.
Ukratko, prilikom dizajniranja sustava za mjerenje temperature na temelju termistora potrebno je razmotriti mnogo pitanja: odabir senzora, ožičenje senzora, kompromis odabira komponenata, konfiguraciju ADC-a i kako ove različite varijable utječu na ukupnu točnost sustava. Sljedeći članak u ovoj seriji objašnjava kako optimizirati dizajn vašeg sustava i ukupni proračun za pogreške u sustavu kako bi postigao ciljne performanse.
Vrijeme posta: SEP-30-2022