Ovo je prvi članak u seriji od dva dijela. Ovaj članak će prvo raspravljati o historiji i dizajnerskim izazovimatemperatura bazirana na termistorumjernih sistema, kao i njihovo poređenje sa sistemima 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 će detaljno opisati kako optimizirati i procijeniti konačni mjerni sistem zasnovan na termistoru.
Kao što je opisano u prethodnoj seriji članaka, Optimizacija RTD sistema 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 slici 1 prikazane su karakteristike odziva tipičnih NTC i PTC termistora i upoređene su s RTD krivuljama.
Što se tiče temperaturnog raspona, RTD krivulja je gotovo linearna, a senzor pokriva mnogo 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 ovog članka.
Termistori su napravljeni od kompozitnih materijala, obično keramike, polimera ili poluprovodnika (obično metalnih oksida) i čistih metala (platine, nikla ili bakra). Termistori mogu detektovati 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 ograničen temperaturni raspon, kao što su kontrola elektronike, kontrola kuća i zgrada, naučne laboratorije ili kompenzacija hladnog spoja za termoparove u komercijalnim ili industrijskim primjenama.
U većini slučajeva, NTC termistori se koriste za precizno mjerenje temperature, a ne PTC termistori. Dostupni su neki PTC termistori koji se mogu koristiti u kolima za zaštitu od prekomjerne struje ili kao resetirajući osigurači za sigurnosne primjene. Kriva otpora i temperature PTC termistora pokazuje vrlo malo NTC područje prije dostizanja tačke preklapanja (ili Curiejeve tačke), iznad koje otpor naglo raste za nekoliko redova veličine u rasponu od nekoliko stepeni Celzijusa. Pod uslovima prekomjerne struje, PTC termistor će generisati jako samozagrijavanje kada se prekorači temperatura preklapanja, a njegov otpor će naglo porasti, što će smanjiti ulaznu struju u sistem, čime se sprječava oštećenje. Tačka preklapanja PTC termistora je obično između 60°C i 120°C i nije pogodan 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 slici 1, promjena otpora po stepenu Celzijusa za termistore je izraženija nego za otporne termometre. U poređenju sa termistorima, visoka osjetljivost i visoka vrijednost otpora termistora pojednostavljuju njegovo ulazno kolo, budući da termistori ne zahtijevaju nikakvu posebnu konfiguraciju ožičenja, kao što je 3-žično ili 4-žično, za kompenzaciju otpora vodova. Dizajn termistora koristi samo jednostavnu 2-žičnu konfiguraciju.
Visokoprecizno mjerenje temperature zasnovano na termistoru zahtijeva preciznu obradu signala, analogno-digitalnu konverziju, linearizaciju i kompenzaciju, kao što je prikazano na slici 2.
Iako se signalni lanac može činiti jednostavnim, postoji nekoliko složenosti koje utiču na veličinu, cijenu i performanse cijele matične ploče. ADI-jev portfolio preciznih ADC-ova uključuje nekoliko integriranih rješenja, kao što su AD7124-4/AD7124-8, koji pružaju niz prednosti za dizajn termalnih sistema jer je većina gradivnih blokova potrebnih za primjenu ugrađena. Međutim, postoje različiti izazovi u dizajniranju i optimizaciji rješenja za mjerenje temperature zasnovanih na termistorima.
Ovaj članak razmatra svaki od ovih problema i daje preporuke za njihovo rješavanje i dalje pojednostavljivanje procesa projektovanja takvih sistema.
Postoji širok izborNTC termistorina današnjem tržištu, tako da 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 je napravljen od metalnog oksida. Termistori su dostupni u kuglastom, radijalnom i SMD obliku. Termistorske perle su presvučene epoksidom ili su u staklenoj kapsuli radi dodatne zaštite. Kuglični termistori presvučeni epoksidom, radijalni i površinski termistori su pogodni za temperature do 150°C. Termistori sa staklenim perlama su pogodni za mjerenje visokih temperatura. Sve vrste premaza/ambalaža također štite od korozije. Neki termistori će također imati dodatna kućišta za dodatnu zaštitu u teškim okruženjima. Termistori sa perlama imaju brže vrijeme odziva od radijalnih/SMD termistora. Međutim, nisu toliko izdržljivi. Stoga, tip termistora koji se koristi zavisi od krajnje primjene i okruženja u kojem se termistor nalazi. Dugoročna stabilnost termistora zavisi od njegovog materijala, pakovanja i dizajna. Na primjer, NTC termistor presvučen epoksidom može se promijeniti za 0,2°C godišnje, dok se zatvoreni termistor mijenja samo za 0,02°C godišnje.
Termistori dolaze u različitoj tačnosti. Standardni termistori obično imaju tačnost od 0,5°C do 1,5°C. Nazivna otpornost termistora i beta vrijednost (omjer 25°C i 50°C/85°C) imaju toleranciju. Imajte na umu da beta vrijednost termistora varira u zavisnosti od proizvođača. Na primjer, NTC termistori od 10 kΩ različitih proizvođača imat će različite beta vrijednosti. Za preciznije sisteme mogu se koristiti termistori poput serije Omega™ 44xxx. Oni imaju tačnost 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 tačnost u tom temperaturnom rasponu određuju da li su termistori pogodni za ovu primjenu. Imajte na umu da što je veća tačnost serije Omega 44xxx, to je veća cijena.
Za pretvaranje otpora u stepene Celzijusa obično se koristi beta vrijednost. Beta vrijednost se određuje poznavanjem dvije temperaturne tačke i odgovarajućeg otpora u svakoj temperaturnoj tački.
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 korištenom u projektu. Većina tehničkih 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, kao što je serija Omega 44xxx, koriste Steinhart-Hartovu jednačinu za pretvaranje otpora u stepene Celzijusa. Jednačina 2 zahtijeva tri konstante A, B i C, koje ponovo daje proizvođač senzora. Budući da se koeficijenti jednačine generiraju korištenjem tri temperaturne tačke, rezultirajuća jednačina minimizira grešku uvedenu linearizacijom (obično 0,02 °C).
A, B i C su konstante izvedene iz tri zadane vrijednosti temperature. R = otpor termistora u omima T = temperatura u K stepenima
Na sl. 3 prikazana je struja pobude senzora. Pogonska struja se primjenjuje na termistor, a ista struja se primjenjuje na precizni otpornik; precizni otpornik se koristi kao referenca za mjerenje. Vrijednost referentnog otpornika mora biti veća ili jednaka najvišoj vrijednosti otpora termistora (u zavisnosti od najniže izmjerene temperature u sistemu).
Prilikom odabira struje pobude, ponovo se mora uzeti u obzir maksimalni otpor termistora. Ovo osigurava da je napon na senzoru i referentnom otporniku uvijek na nivou prihvatljivom za elektroniku. Izvor struje polja zahtijeva određeni prostor iznad napona ili usklađivanje izlaza. Ako termistor ima visok otpor na najnižoj mjerljivoj temperaturi, to će rezultirati vrlo niskom strujom pogona. Stoga je napon generiran na termistoru na visokoj temperaturi mali. Programabilni stepeni pojačanja mogu se koristiti za optimizaciju mjerenja ovih signala niskog nivoa. Međutim, pojačanje se mora dinamički programirati jer se nivo signala sa termistora uveliko mijenja sa temperaturom.
Druga opcija je podešavanje pojačanja, ali korištenje dinamičke struje pogona. Stoga, kako se mijenja nivo signala sa termistora, vrijednost struje pogona se dinamički mijenja tako da napon razvijen na termistoru bude unutar specificiranog ulaznog opsega elektronskog uređaja. Korisnik mora osigurati da je napon razvijen na referentnom otporniku također na nivou prihvatljivom za elektroniku. Obje opcije zahtijevaju visok nivo kontrole, stalno praćenje napona na termistoru kako bi elektronika mogla mjeriti signal. Postoji li jednostavnija opcija? Razmotrite naponsku pobudu.
Kada se na termistor primijeni jednosmjerni napon, struja kroz termistor se automatski skalira kako se mijenja otpor termistora. Sada, korištenjem preciznog mjernog otpornika umjesto referentnog otpornika, njegova svrha je izračunati struju koja teče kroz termistor, što omogućava izračunavanje otpora termistora. Budući da se napon pogona također koristi kao referentni signal ADC-a, nije potreban stepen pojačanja. Procesor nema zadatak praćenja napona termistora, određivanja da li elektronika može izmjeriti nivo signala i izračunavanja koju vrijednost pojačanja/struje pogona 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 ovom slučaju, struja pogona i pojačanje mogu biti fiksni. Stoga će kolo biti kao što je prikazano na slici 3. Ova metoda je pogodna jer je moguće kontrolisati struju kroz senzor i referentni otpornik, što je vrijedno u primjenama male snage. Osim toga, minimizira se samozagrijavanje termistora.
Naponska pobuda se također može koristiti za termistore s niskim nazivnim otporom. Međutim, korisnik uvijek mora osigurati da struja kroz senzor nije previsoka za senzor ili primjenu.
Naponsko pobuđivanje pojednostavljuje implementaciju kada se koristi termistor sa velikim nazivnim otporom i širokim temperaturnim rasponom. Veći nominalni otpor obezbjeđuje prihvatljiv nivo nazivne struje. Međutim, dizajneri moraju osigurati da je struja na prihvatljivom nivou u cijelom temperaturnom rasponu koji podržava aplikacija.
Sigma-Delta ADC-ovi nude nekoliko prednosti pri dizajniranju sistema mjerenja termistora. Prvo, budući da sigma-delta ADC ponovo uzorkuje analogni ulaz, vanjsko filtriranje je svedeno na minimum i jedini zahtjev je jednostavan RC filter. Oni pružaju fleksibilnost u tipu filtera i izlaznoj brzini prijenosa. Ugrađeno digitalno filtriranje može se koristiti za suzbijanje bilo kakvih smetnji u uređajima napajanim iz mreže. 24-bitni uređaji poput AD7124-4/AD7124-8 imaju punu rezoluciju do 21,7 bita, tako da pružaju visoku rezoluciju.
Upotreba sigma-delta ADC-a znatno pojednostavljuje dizajn termistora, a istovremeno smanjuje specifikacije, troškove sistema, 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 baferom.
Bez obzira da li koristite 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 uticati na tačnost 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 tačna i može biti manje stabilna jer će se u ovoj konfiguraciji eliminirati sve greške u struji polja. Generalno, strujna pobuda je poželjnija od naponske pobude zbog superiorne kontrole osjetljivosti i boljeg imuniteta na šum kada se senzor nalazi na udaljenim lokacijama. Ova vrsta metode pristranosti se obično koristi za RTD-ove ili termistore sa niskim vrijednostima otpora. Međutim, za termistor sa većom vrijednošću otpora i većom osjetljivošću, nivo signala generisan svakom promjenom temperature biće veći, 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 obezbjeđuje AD7124-4/AD7124-8 generiše 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, što je previsoko i izvan radnog opsega većine dostupnih ADC-ova koji se koriste u ovom području primjene. Termistori su također obično povezani ili smješteni u blizini elektronike, tako da imunitet na pogonsku struju nije potreban.
Dodavanje osjetljivog otpornika u seriju kao kolo 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 tački 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, sistem se podešava na raciometrijsko mjerenje (Slika 7) tako da će se svaka greška izvora napona povezana s pobudom ukloniti.
Imajte na umu da ili senzorski otpornik (pokretan naponom) ili referentni otpornik (pokretan strujom) trebaju imati nisku početnu toleranciju i mali drift, jer obje varijable mogu utjecati na tačnost cijelog sistema.
Kada se koristi više termistora, može se koristiti jedan napon pobude. Međutim, svaki termistor mora imati svoj vlastiti otpornik za precizno mjerenje, kao što je prikazano na slici 8. Druga opcija je korištenje vanjskog multipleksera ili prekidača niskog otpora u uključenom stanju, što omogućava dijeljenje jednog otpornika za precizno mjerenje. S ovom konfiguracijom, svakom termistoru je potrebno određeno vrijeme smirivanja prilikom mjerenja.
Ukratko, prilikom projektovanja sistema za mjerenje temperature zasnovanog na termistoru, postoji mnogo pitanja koja treba uzeti u obzir: izbor senzora, ožičenje senzora, kompromisi pri odabiru komponenti, konfiguracija ADC-a i kako ove različite varijable utiču na ukupnu tačnost sistema. Sljedeći članak u ovoj seriji objašnjava kako optimizirati dizajn vašeg sistema i ukupni budžet za greške sistema kako biste postigli ciljane performanse.
Vrijeme objave: 30. septembar 2022.