Ovo je prvi članak u seriji od dva dijela.Ovaj će članak prvo raspravljati o povijesti i izazovima dizajnatemperatura na bazi termistoramjernih sustava, kao i njihovu usporedbu sa sustavima za mjerenje temperature otpornim termometrom (RTD).Također će opisati izbor termistora, konfiguracijske kompromise i važnost sigma-delta analogno-digitalnih pretvarača (ADC) u ovom području primjene.Drugi članak će detaljno opisati kako optimizirati i ocijeniti konačni mjerni sustav temeljen na termistoru.
Kao što je opisano u prethodnoj seriji članaka, Optimiziranje sustava senzora temperature RTD, RTD je otpornik čiji otpor varira s temperaturom.Termistori rade slično kao RTD.Za razliku od RTD-a, 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.Slika 1 prikazuje karakteristike odziva tipičnih NTC i PTC termistora i uspoređuje ih 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 se izrađuju 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-ova, pružajući bržu povratnu informaciju.Stoga se termistori obično koriste u senzorima u aplikacijama koje zahtijevaju nisku cijenu, malu veličinu, brži odziv, veću osjetljivost i ograničeni temperaturni raspon, kao što je kontrola elektronike, kontrola doma i zgrade, znanstveni laboratoriji ili kompenzacija hladnog spoja za termoparove u komercijalnim ili industrijske primjene.svrhe.Prijave.
U većini slučajeva za točno mjerenje temperature koriste se NTC termistori, a ne PTC termistori.Dostupni su neki PTC termistori koji se mogu koristiti u prekostrujnim zaštitnim krugovima ili kao resetabilni osigurači za sigurnosne primjene.Krivulja otpor-temperatura PTC termistora pokazuje vrlo malo NTC područje prije dostizanja točke prebacivanja (ili Curiejeve točke), iznad koje otpor naglo raste za nekoliko redova veličine u rasponu od nekoliko stupnjeva Celzijusa.U uvjetima prekomjerne struje, PTC termistor će generirati snažno samozagrijavanje kada se prekorači temperatura uključivanja, a njegov otpor će naglo porasti, što će smanjiti ulaznu struju u sustav, čime se sprječava oštećenje.Preklopna točka PTC termistora obično je između 60°C i 120°C i nije prikladna za kontrolu mjerenja temperature u širokom rasponu primjena.Ovaj se članak fokusira na NTC termistore koji obično mogu mjeriti ili nadzirati temperature u rasponu od -80°C do +150°C.NTC termistori imaju otpornost u rasponu od nekoliko ohma do 10 MΩ na 25°C.Kao što je prikazano na sl.1, promjena otpora po stupnju Celzijusa za termistore je izraženija nego za otporne termometre.U usporedbi s termistorima, visoka osjetljivost i visoka vrijednost otpora termistora pojednostavljuju njegov ulazni strujni krug, budući da termistori ne zahtijevaju nikakvu posebnu konfiguraciju ožičenja, poput 3-žilnog ili 4-žilnog, za kompenzaciju otpora vodiča.Dizajn termistora koristi samo jednostavnu 2-žičnu konfiguraciju.
Visokoprecizno mjerenje temperature temeljeno na termistoru zahtijeva preciznu obradu signala, analogno-digitalnu pretvorbu, linearizaciju i kompenzaciju, kao što je prikazano na sl.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 uključuje nekoliko integriranih rješenja, kao što su AD7124-4/AD7124-8, koja pružaju brojne prednosti za dizajn toplinskog sustava budući da je većina sastavnih dijelova potrebnih za aplikaciju ugrađena.Međutim, postoje različiti izazovi u dizajniranju i optimizaciji rješenja za mjerenje temperature temeljena na termistoru.
Ovaj članak raspravlja o svakom od ovih problema i daje preporuke za njihovo rješavanje i daljnje pojednostavljenje procesa dizajna za takve sustave.
Postoji širok izborNTC termistoridanas na tržištu, tako da odabir pravog termistora za vašu primjenu 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 nazivni otpor od 10 kΩ na 25°C.Termistori imaju nazivne ili osnovne vrijednosti otpora u rasponu od nekoliko ohma do 10 MΩ.Termistori s niskim ocjenama otpora (nominalni otpor od 10 kΩ ili manje) obično podržavaju niže temperaturne raspone, poput -50°C do +70°C.Termistori s višim ocjenama otpora mogu izdržati temperature do 300°C.
Element termistora izrađen je od metalnog oksida.Termistori su dostupni u kuglastom, radijalnom i SMD obliku.Kuglice termistora obložene su epoksidom ili su staklene kapsule za dodatnu zaštitu.Kuglični termistori obloženi epoksidom, radijalni i površinski termistori pogodni su za temperature do 150°C.Termistori od staklenih perli prikladni su za mjerenje visokih temperatura.Sve vrste premaza/ambalaža također štite od korozije.Neki termistori također će imati dodatna kućišta za dodatnu zaštitu u teškim uvjetima.Zrnasti termistori imaju brže vrijeme odziva od radijalnih/SMD termistora.Međutim, oni nisu tako izdržljivi.Dakle, tip termistora koji se koristi 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 obložen epoksi smolom može promijeniti 0,2°C godišnje, dok se zatvoreni termistor mijenja samo 0,02°C godišnje.
Termistori dolaze u različitim točnostima.Standardni termistori obično imaju točnost od 0,5°C do 1,5°C.Oznaka otpora termistora i beta vrijednost (omjer od 25°C do 50°C/85°C) imaju toleranciju.Imajte na umu da se beta vrijednost termistora razlikuje 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 točnost potrebna u tom temperaturnom rasponu određuju jesu li termistori prikladni za ovu primjenu.Imajte na umu da što je veća točnost Omega 44xxx serije, to je veći trošak.
Za pretvaranje otpora u Celzijeve stupnjeve obično se koristi beta vrijednost.Beta vrijednost se određuje poznavanjem dviju temperaturnih točaka i odgovarajućeg otpora na svakoj temperaturnoj točki.
RT1 = Temperaturna otpornost 1 RT2 = Temperaturna otpornost 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Korisnik koristi beta vrijednost koja je najbliža temperaturnom rasponu koji se koristi u projektu.Većina podatkovnih tablica termistora navodi beta vrijednost zajedno s tolerancijom otpora na 25°C i tolerancijom za beta vrijednost.
Precizniji termistori i visokoprecizna završna rješenja kao što je serija Omega 44xxx koriste Steinhart-Hartovu jednadžbu za pretvaranje otpora u Celzijeve stupnjeve.Jednadžba 2 zahtijeva tri konstante A, B i C, koje također daje proizvođač senzora.Budući da se koeficijenti jednadžbe generiraju korištenjem tri temperaturne točke, rezultirajuća jednadžba smanjuje pogrešku uvedenu linearizacijom (obično 0,02 °C).
A, B i C su konstante izvedene iz tri zadane vrijednosti temperature.R = otpor termistora u ohmima T = temperatura u K stupnjevima
Na sl.3 prikazuje trenutnu pobudu senzora.Pogonska struja se primjenjuje na termistor i ista struja se primjenjuje na precizni otpornik;kao referenca za mjerenje koristi se precizni otpornik.Vrijednost referentnog otpornika mora biti veća ili jednaka najvišoj vrijednosti otpora termistora (ovisno o najnižoj temperaturi izmjerenoj u sustavu).
Pri izboru uzbudne struje opet se mora uzeti u obzir maksimalni otpor termistora.Ovo osigurava da je napon preko senzora i referentnog otpornika uvijek na razini prihvatljivoj za elektroniku.Izvor struje polja zahtijeva određeni prostor za visinu ili usklađivanje izlaza.Ako termistor ima veliki otpor pri najnižoj mjerljivoj temperaturi, to će rezultirati vrlo niskom pogonskom strujom.Stoga je napon generiran na termistoru pri visokoj temperaturi malen.Programabilni stupnjevi pojačanja mogu se koristiti za optimizaciju mjerenja ovih signala niske razine.Međutim, pojačanje se mora programirati dinamički jer razina signala iz termistora jako varira s temperaturom.
Druga mogućnost je postaviti pojačanje, ali koristiti dinamičku pogonsku struju.Stoga, kako se razina signala iz termistora mijenja, vrijednost pogonske struje se dinamički mijenja tako da je napon razvijen na termistoru unutar specificiranog ulaznog raspona elektroničkog uređaja.Korisnik mora osigurati da je napon razvijen preko referentnog otpornika također na razini prihvatljivoj za elektroniku.Obje opcije zahtijevaju visoku razinu kontrole, stalni nadzor napona na termistoru kako bi elektronika mogla mjeriti signal.Postoji li lakša opcija?Razmotrite pobudu napona.
Kada se istosmjerni napon primijeni na termistor, struja kroz termistor automatski se skalira kako se mijenja otpor termistora.Sada, korištenjem preciznog mjernog otpornika umjesto referentnog otpornika, njegova je svrha izračunati struju koja teče kroz termistor, čime se omogućuje izračunavanje otpora termistora.Budući da se pogonski napon također koristi kao ADC referentni signal, stupanj pojačanja nije potreban.Procesor nema zadatak nadzirati napon termistora, određivati može li elektronika izmjeriti razinu signala i izračunati koju vrijednost pojačanja/struje treba prilagoditi.Ovo je metoda korištena u ovom članku.
Ako termistor ima mali nazivni otpor i raspon otpora, može se koristiti pobuda naponom ili strujom.U ovom slučaju, pogonska struja i dobitak mogu biti fiksni.Dakle, krug će biti kao što je prikazano na slici 3. Ova metoda je prikladna jer je moguće kontrolirati struju kroz senzor i referentni otpornik, što je dragocjeno u aplikacijama male snage.Osim toga, samozagrijavanje termistora je minimalizirano.
Pobuda napona također se može koristiti za termistore s niskim otporom.Međutim, korisnik uvijek mora osigurati da struja kroz senzor nije previsoka za senzor ili aplikaciju.
Pobuda napona pojednostavljuje implementaciju kada se koristi termistor s velikom otpornošću i širokim temperaturnim rasponom.Veći nazivni otpor osigurava prihvatljivu razinu nazivne struje.Međutim, dizajneri moraju osigurati da struja bude na prihvatljivoj razini u cijelom temperaturnom rasponu koji podržava aplikacija.
Sigma-Delta ADC-ovi nude nekoliko prednosti pri projektiranju mjernog sustava termistora.Prvo, budući da sigma-delta ADC ponovno uzorkuje analogni ulaz, vanjsko filtriranje je svedeno na minimum, a jedini zahtjev je jednostavan RC filter.Oni pružaju fleksibilnost u vrsti filtera i izlaznoj brzini prijenosa podataka.Ugrađeno digitalno filtriranje može se koristiti za suzbijanje bilo kakvih smetnji u uređajima s mrežnim napajanjem.24-bitni uređaji kao što je AD7124-4/AD7124-8 imaju punu razlučivost do 21,7 bita, tako da pružaju visoku razlučivost.
Korištenje sigma-delta ADC-a uvelike pojednostavljuje dizajn termistora uz istovremeno smanjenje specifikacija, troškova sustava, prostora na ploči i vremena izlaska na tržište.
Ovaj članak koristi AD7124-4/AD7124-8 kao ADC jer su oni precizni ADC s niskim šumom, niskom strujom i ugrađenim PGA, ugrađenom referencom, analognim ulazom i referentnim međuspremnikom.
Bez obzira na to koristite li pogonsku struju ili pogonski napon, preporučuje se raciometrijska konfiguracija u kojoj referentni napon i napon senzora dolaze iz istog pogonskog izvora.To znači da bilo kakva promjena u izvoru pobude neće utjecati na točnost mjerenja.
Na sl.Slika 5 prikazuje konstantnu pogonsku struju 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 sve pogreške u struji polja biti eliminirane u ovoj konfiguraciji.Općenito, pobuda strujom je poželjnija od pobude naponom zbog vrhunske kontrole osjetljivosti i bolje otpornosti na šum kada se senzor nalazi na udaljenim lokacijama.Ova vrsta metode prednaprezanja obično se koristi za RTD ili termistore s niskim vrijednostima otpora.Međutim, za termistor s višom vrijednošću otpora i većom osjetljivošću, razina signala generirana svakom temperaturnom promjenom 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 pogonska struja 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 otpornost na pogonsku struju nije potrebna.
Dodavanje senzorskog otpornika u seriju kao kruga razdjelnika napona ograničit će struju kroz termistor na minimalnu vrijednost otpora.U ovoj konfiguraciji, vrijednost senzorskog otpornika RSENSE mora biti jednaka vrijednosti otpora termistora na referentnoj temperaturi od 25°C, tako da će izlazni napon biti jednak sredini referentnog napona na njegovoj nominalnoj temperaturi od 25°CC 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 odgovara ADC referentnom naponu koji se koristi za mjerenje, sustav se postavlja na raciometrijsko mjerenje (Slika 7) tako da će se svaki izvor napona pogreške povezan s pobudom ukloniti.
Imajte na umu da otpornik senzora (pokrenut naponom) ili referentni otpornik (pokrenut strujom) trebaju imati nisku početnu toleranciju i mali pomak, jer obje varijable mogu utjecati na točnost cijelog sustava.
Kada se koristi više termistora, može se koristiti jedan pobudni napon.Međutim, svaki termistor mora imati vlastiti precizni senzorski otpornik, kao što je prikazano na sl.8. Druga mogućnost je korištenje vanjskog multipleksera ili sklopke niskog otpora u uključenom stanju, što omogućuje dijeljenje jednog otpornika za precizno očitavanje.Uz ovu konfiguraciju, svaki termistor treba neko vrijeme za smirivanje kada se mjeri.
Ukratko, pri projektiranju sustava za mjerenje temperature temeljenog na termistoru, potrebno je razmotriti mnoga pitanja: odabir senzora, ožičenje senzora, kompromise pri odabiru komponenti, konfiguraciju ADC-a i kako ove različite varijable utječu na ukupnu točnost sustava.Sljedeći članak u ovoj seriji objašnjava kako optimizirati dizajn sustava i cjelokupni proračun za pogreške sustava kako biste postigli ciljnu izvedbu.
Vrijeme objave: 30. rujna 2022