Ovo je prvi članak u seriji od dva dijela. U ovom članku prvo će se raspravljati o povijesti i dizajnerskim izazovimatemperatura temeljena na termistorumjernih sustava, kao i njihova usporedba sa sustavima za mjerenje temperature otpornim termometrom (RTD). Također će biti opisan izbor termistora, kompromisi u konfiguraciji i važnost sigma-delta analogno-digitalnih pretvarača (ADC) u ovom području primjene. Drugi članak detaljno će opisati kako optimizirati i procijeniti konačni mjerni sustav temeljen na termistoru.
Kao što je opisano u prethodnoj seriji članaka, Optimizacija RTD sustava temperaturnih senzora, RTD je otpornik čiji se otpor mijenja s temperaturom. Termistori rade slično RTD-ovima. Za razliku od RTD-ova, koji imaju samo pozitivan temperaturni koeficijent, termistor može imati pozitivan ili negativan temperaturni koeficijent. Termistori s negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC) smanjuju svoj otpor kako temperatura raste, dok termistori s pozitivnim temperaturnim koeficijentom (PTC) povećavaju svoj otpor kako temperatura raste. Na sl. 1 prikazane su karakteristike odziva tipičnih NTC i PTC termistora i uspoređuju se s RTD krivuljama.
Što se tiče temperaturnog raspona, RTD krivulja je gotovo linearna, a senzor pokriva puno širi temperaturni raspon od termistora (obično od -200 °C do +850 °C) zbog nelinearne (eksponencijalne) prirode termistora. RTD-ovi se obično isporučuju u dobro poznatim standardiziranim krivuljama, dok se krivulje termistora razlikuju ovisno o proizvođaču. O tome ćemo detaljno raspravljati u odjeljku vodiča za odabir termistora u ovom članku.
Termistori su izrađeni od kompozitnih materijala, obično keramike, polimera ili poluvodiča (obično metalnih oksida) i čistih metala (platine, nikla ili bakra). Termistori mogu detektirati promjene temperature brže od RTD-a, pružajući bržu povratnu informaciju. Stoga se termistori obično koriste u senzorima u primjenama koje zahtijevaju nisku cijenu, malu veličinu, brži odziv, veću osjetljivost i ograničeni temperaturni raspon, kao što su elektronička kontrola, kontrola kuća i zgrada, znanstveni laboratoriji ili kompenzacija hladnog spoja za termoelemente u komercijalnim ili industrijskim primjenama.
U većini slučajeva, NTC termistori se koriste za točno mjerenje temperature, a ne PTC termistori. Dostupni su neki PTC termistori koji se mogu koristiti u krugovima zaštite od prekomjerne struje ili kao resetirajući osigurači za sigurnosne primjene. Krivulja otpora i temperature PTC termistora pokazuje vrlo malo NTC područje prije nego što dosegne točku preklopa (ili Curiejevu točku), iznad koje otpor naglo raste za nekoliko redova veličine u rasponu od nekoliko stupnjeva Celzija. U uvjetima prekomjerne struje, PTC termistor će generirati jako samozagrijavanje kada se prekorači temperatura preklopa, a njegov otpor će naglo porasti, što će smanjiti ulaznu struju u sustav, čime se sprječava oštećenje. Točka preklopa PTC termistora je obično između 60°C i 120°C i nije prikladna za kontrolu mjerenja temperature u širokom rasponu primjena. Ovaj članak se fokusira na NTC termistore, koji obično mogu mjeriti ili pratiti temperature u rasponu od -80°C do +150°C. NTC termistori imaju nazivni otpor u rasponu od nekoliko oma do 10 MΩ na 25°C. Kao što je prikazano na sl. 1, promjena otpora po stupnju Celzija za termistore je izraženija nego za otporne termometre. U usporedbi s termistorima, visoka osjetljivost i visoka vrijednost otpora termistora pojednostavljuju njegov ulazni krug, budući da termistori ne zahtijevaju nikakvu posebnu konfiguraciju ožičenja, poput 3-žilnog ili 4-žilnog, za kompenzaciju otpora vodova. Dizajn termistora koristi samo jednostavnu 2-žilnu konfiguraciju.
Visokoprecizno mjerenje temperature pomoću termistora zahtijeva preciznu obradu signala, analogno-digitalnu pretvorbu, linearizaciju i kompenzaciju, kao što je prikazano na slici 2.
Iako se signalni lanac može činiti jednostavnim, postoji nekoliko složenosti koje utječu na veličinu, cijenu i performanse cijele matične ploče. ADI-jev portfelj preciznih ADC-ova uključuje nekoliko integriranih rješenja, kao što je AD7124-4/AD7124-8, koja pružaju niz prednosti za dizajn toplinskog sustava jer je većina građevnih blokova potrebnih za primjenu ugrađena. Međutim, postoje različiti izazovi u dizajniranju i optimizaciji rješenja za mjerenje temperature temeljenih na termistorima.
Ovaj članak raspravlja o svakom od ovih problema i daje preporuke za njihovo rješavanje i daljnje pojednostavljenje procesa projektiranja takvih sustava.
Postoji širok izborNTC termistorina tržištu danas, pa odabir pravog termistora za vašu primjenu može biti zastrašujući zadatak. Imajte na umu da su termistori navedeni prema svojoj 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 oma do 10 MΩ. Termistori s niskim nazivnim otporom (nominalni otpor od 10 kΩ ili manje) obično podržavaju niže temperaturne raspone, kao što su -50°C do +70°C. Termistori s većim nazivnim otporom mogu izdržati temperature do 300°C.
Termistorski element izrađen je od metalnog oksida. Termistori su dostupni u kuglastom, radijalnom i SMD obliku. Termistorske kuglice su premazane epoksidom ili su u staklenoj kapsuli za dodatnu zaštitu. Kuglični termistori s epoksidnim premazom, radijalni i površinski termistori prikladni su za temperature do 150 °C. Termistori sa staklenim kuglicama prikladni su za mjerenje visokih temperatura. Sve vrste premaza/ambalaža također štite od korozije. Neki termistori će također imati dodatna kućišta za dodatnu zaštitu u teškim uvjetima. Termistori s kuglicama imaju brže vrijeme odziva od radijalnih/SMD termistora. Međutim, nisu toliko izdržljivi. Stoga, vrsta korištenog termistora ovisi o krajnjoj primjeni i okruženju u kojem se termistor nalazi. Dugoročna stabilnost termistora ovisi o njegovom materijalu, pakiranju i dizajnu. Na primjer, NTC termistor s epoksidnim premazom može se promijeniti za 0,2 °C godišnje, dok se zatvoreni termistor mijenja samo za 0,02 °C godišnje.
Termistori dolaze u različitoj točnosti. Standardni termistori obično imaju točnost od 0,5 °C do 1,5 °C. Nazivna vrijednost otpora termistora i beta vrijednost (omjer od 25 °C do 50 °C/85 °C) imaju toleranciju. Imajte na umu da beta vrijednost termistora varira ovisno o proizvođaču. Na primjer, NTC termistori od 10 kΩ različitih proizvođača imat će različite beta vrijednosti. Za točnije sustave mogu se koristiti termistori poput serije Omega™ 44xxx. 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 potrebna točnost u tom temperaturnom rasponu određuju jesu li termistori prikladni za ovu primjenu. Imajte na umu da što je veća točnost serije Omega 44xxx, to je veća cijena.
Za pretvaranje otpora u stupnjeve Celzija obično se koristi beta vrijednost. Beta vrijednost se određuje poznavanjem dviju temperaturnih točaka i odgovarajućeg otpora u svakoj temperaturnoj točki.
RT1 = Temperaturna otpornost 1 RT2 = Temperaturna otpornost 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Korisnik koristi beta vrijednost najbližu temperaturnom rasponu korištenom u projektu. Većina podatkovnih listova termistora navodi beta vrijednost zajedno s tolerancijom otpora na 25 °C i tolerancijom za beta vrijednost.
Termistori veće preciznosti i visokoprecizna rješenja za završetak, poput serije Omega 44xxx, koriste Steinhart-Hartovu jednadžbu za pretvaranje otpora u stupnjeve Celzija. Jednadžba 2 zahtijeva tri konstante A, B i C, koje ponovno osigurava proizvođač senzora. Budući da se koeficijenti jednadžbe generiraju pomoću tri temperaturne točke, rezultirajuća jednadžba minimizira pogrešku uvedenu linearizacijom (obično 0,02 °C).
A, B i C su konstante izvedene iz triju zadanih vrijednosti temperature. R = otpor termistora u omima T = temperatura u K stupnjevima
Na sl. 3 prikazana je struja pobude senzora. Pogonska struja se dovodi na termistor, a ista struja se dovodi na precizni otpornik; precizni otpornik se koristi kao referenca za mjerenje. Vrijednost referentnog otpornika mora biti veća ili jednaka najvišoj vrijednosti otpora termistora (ovisno o najnižoj izmjerenoj temperaturi u sustavu).
Prilikom odabira struje pobude, ponovno se mora uzeti u obzir maksimalni otpor termistora. To osigurava da je napon na senzoru i referentnom otporniku uvijek na razini prihvatljivoj za elektroniku. Izvor struje polja zahtijeva određeni prostor za preklapanje ili usklađivanje izlaza. Ako termistor ima visoki otpor na najnižoj mjerljivoj temperaturi, to će rezultirati vrlo niskom strujom pogona. Stoga je napon generiran na termistoru na visokoj temperaturi mali. Programabilni stupnjevi pojačanja mogu se koristiti za optimizaciju mjerenja ovih signala niske razine. Međutim, pojačanje se mora dinamički programirati jer se razina signala s termistora uvelike mijenja s temperaturom.
Druga mogućnost je postavljanje pojačanja, ali korištenje dinamičke struje pogona. Stoga, kako se mijenja razina signala s termistora, vrijednost struje pogona dinamički se mijenja tako da je napon razvijen na termistoru unutar navedenog ulaznog raspona elektroničkog uređaja. Korisnik mora osigurati da je napon razvijen na referentnom otporniku također na razini prihvatljivoj za elektroniku. Obje opcije zahtijevaju visoku razinu kontrole, stalno praćenje napona na termistoru kako bi elektronika mogla mjeriti signal. Postoji li jednostavnija opcija? Razmotrite naponsku pobudu.
Kada se na termistor primijeni istosmjerni napon, struja kroz termistor se automatski skalira kako se mijenja otpor termistora. Sada, korištenjem preciznog mjernog otpornika umjesto referentnog otpornika, njegova je svrha izračunati struju koja teče kroz termistor, što omogućuje izračun otpora termistora. Budući da se pogonski napon također koristi kao referentni signal ADC-a, nije potreban stupanj pojačanja. Procesor nema zadatak praćenja napona termistora, određivanja može li elektronika izmjeriti razinu signala i izračunavanja vrijednosti pojačanja/struje pogona koju treba prilagoditi. Ovo je metoda korištena u ovom članku.
Ako termistor ima mali nazivni otpor i raspon otpora, može se koristiti naponska ili strujna pobuda. U tom slučaju, pogonska struja i pojačanje mogu se fiksno postaviti. Stoga će krug biti kao što je prikazano na slici 3. Ova metoda je prikladna jer je moguće kontrolirati struju kroz senzor i referentni otpornik, što je vrijedno u primjenama s malom potrošnjom energije. Osim toga, minimizira se samozagrijavanje termistora.
Naponska pobuda može se koristiti i za termistore s niskim nazivnim otporom. Međutim, korisnik uvijek mora osigurati da struja kroz senzor nije previsoka za senzor ili primjenu.
Naponska pobuda pojednostavljuje implementaciju pri korištenju termistora s velikim nazivnim otporom i širokim temperaturnim rasponom. Veći nominalni otpor osigurava prihvatljivu razinu nazivne struje. Međutim, dizajneri moraju osigurati da je struja na prihvatljivoj razini u cijelom temperaturnom rasponu koji podržava primjena.
Sigma-Delta ADC-ovi nude nekoliko prednosti pri projektiranju sustava mjerenja termistora. Prvo, budući da sigma-delta ADC ponovno uzorkuje analogni ulaz, vanjsko filtriranje je svedeno na minimum i jedini zahtjev je jednostavan RC filtar. Pružaju fleksibilnost u vrsti filtra i izlaznoj brzini prijenosa. Ugrađeno digitalno filtriranje može se koristiti za suzbijanje bilo kakvih smetnji u uređajima s napajanjem iz mreže. 24-bitni uređaji poput AD7124-4/AD7124-8 imaju punu rezoluciju do 21,7 bita, pa pružaju visoku rezoluciju.
Korištenje sigma-delta ADC-a uvelike pojednostavljuje dizajn termistora, a istovremeno smanjuje specifikacije, troškove sustava, prostor na ploči i vrijeme potrebno za plasman na tržište.
Ovaj članak koristi AD7124-4/AD7124-8 kao ADC jer su to precizni ADC-ovi s niskim šumom, malom strujom, ugrađenim PGA-om, ugrađenom referencom, analognim ulazom i referentnim međuspremnikom.
Bez obzira koristite li struju pogona ili napon pogona, preporučuje se raciometrijska konfiguracija u kojoj referentni napon i napon senzora dolaze iz istog izvora pogona. To znači da bilo kakva promjena izvora pobude neće utjecati na točnost mjerenja.
Na sl. 5 prikazana je konstantna struja pogona za termistor i precizni otpornik RREF, napon razvijen na RREF je referentni napon za mjerenje termistora.
Struja polja ne mora biti točna i može biti manje stabilna jer će se u ovoj konfiguraciji eliminirati sve pogreške u struji polja. Općenito, strujna pobuda je poželjnija od naponske pobude zbog superiorne kontrole osjetljivosti i bolje imunosti na šum kada se senzor nalazi na udaljenim lokacijama. Ova vrsta metode pristranosti obično se koristi za RTD-ove ili termistore s niskim vrijednostima otpora. Međutim, za termistor s većom vrijednošću otpora i većom osjetljivošću, razina signala generirana svakom promjenom temperature bit će veća, pa se koristi naponska 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 struja pogona od 50 µA koju osigurava AD7124-4/AD7124-8 generira 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, što je previsoko i izvan radnog raspona većine dostupnih ADC-ova koji se koriste u ovom području primjene. Termistori su također obično spojeni ili smješteni u blizini elektronike, tako da imunitet na pogonsku struju nije potreban.
Dodavanje osjetljivog otpornika u seriju kao djelitelja napona ograničit će struju kroz termistor na njegovu minimalnu vrijednost otpora. U ovoj konfiguraciji, vrijednost osjetljivog otpornika RSENSE mora biti jednaka vrijednosti otpora termistora na referentnoj temperaturi od 25°C, tako da će izlazni napon biti jednak srednjoj točki referentnog napona na njegovoj nominalnoj temperaturi od 25°C. Slično, ako se koristi termistor od 10 kΩ s otporom od 10 kΩ na 25°C, RSENSE bi trebao biti 10 kΩ. Kako se temperatura mijenja, mijenja se i otpor NTC termistora, a mijenja se i omjer pogonskog napona na termistoru, što rezultira time da je izlazni napon proporcionalan otporu NTC termistora.
Ako odabrani referentni napon koji se koristi za napajanje termistora i/ili RSENSE-a odgovara referentnom naponu ADC-a koji se koristi za mjerenje, sustav se postavlja na raciometrijsko mjerenje (slika 7) tako da će se svaka pogreška izvora napona povezana s pobudom ukloniti pristrano.
Imajte na umu da ili osjetljivi otpornik (pokretan naponom) ili referentni otpornik (pokretan strujom) trebaju imati nisku početnu toleranciju i mali pomak, jer obje varijable mogu utjecati na točnost cijelog sustava.
Pri korištenju više termistora može se koristiti jedan napon pobude. Međutim, svaki termistor mora imati vlastiti precizni otpornik za mjerenje, kao što je prikazano na sl. 8. Druga mogućnost je korištenje vanjskog multipleksera ili sklopke niskog otpora u uključenom stanju, što omogućuje dijeljenje jednog preciznog otpornika za mjerenje. S ovom konfiguracijom, svaki termistor treba neko vrijeme smirivanja prilikom mjerenja.
Ukratko, prilikom projektiranja sustava za mjerenje temperature temeljenog na termistoru, postoji mnogo pitanja koje treba uzeti u obzir: odabir senzora, ožičenje senzora, kompromisi pri odabiru komponenti, konfiguracija ADC-a i kako te različite varijable utječu na ukupnu točnost sustava. Sljedeći članak u ovoj seriji objašnjava kako optimizirati dizajn sustava i ukupni budžet za pogreške sustava kako biste postigli ciljane performanse.
Vrijeme objave: 30. rujna 2022.