Ovo je prvi članak u dvodijelnom seriji. Ovaj članak prvo će razgovarati o povijesti i dizajnerskim izazovimaTemperatura zasnovana na termistoruMjerni sustavi, kao i njihova usporedba sa termometrom otpornosti (RTD) Sistemi za mjerenje temperature. Takođe će opisati izbor termistora, konfiguracijskih kompromisa i važnosti analogna-digitalnih pretvarača Sigma-Delta (ADC) u ovom području aplikacije. Drugi članak će detaljno detaljno optimizirati i procijeniti završni termistorski mjerni sistem.
Kao što je opisano u prethodnom seriju članaka, optimiziranje sistema osjetnika temperature RTD, RTD je otpornik čija otpornost varira od temperature. Termistori rade slično na RTDDS. Za razliku od RTD-a, koji imaju samo pozitivan temperaturni koeficijent, termistor može imati pozitivan ili negativan koeficijent temperature. Termistori negativnog temperaturnog koeficijenta (NTC) smanjuju njihov otpor jer temperatura raste, dok pozitivni temperaturni koeficijent (PTC) termistori povećavaju njihov otpor dok temperatura raste. Na slici. 1 prikazuje karakteristike odgovora tipičnih NTC i PTC termistora i uspoređuju ih sa RTD krivuljama.
U pogledu temperaturnog raspona, RTD krivulja je gotovo linearna, a senzor pokriva mnogo širi temperaturni raspon od termistora (obično -200 ° C do + 850 ° C) zbog nelinearne (eksponencijalne) prirode termistora. RTDS se obično pružaju u poznatim standardiziranim krivuljama, dok termistor krivulje variraju od proizvođača. To ćemo detaljno raspravljati u odjeljku Vodiča za odabir termistora ovog članka.
Termistori se izrađuju od kompozitnih materijala, obično keramike, polimera ili poluvodiča (obično metalnih oksida) i čistih metala (platine, nikl ili bakar). Termistori mogu otkriti promjene temperature brže od RTDD-a, pružajući brže povratne informacije. Stoga se termistori obično koriste u aplikacijama koje zahtijevaju niske troškove, male veličine, bržeg odgovora, veće osjetljivosti i ograničene temperaturne kontrole, naučne laboratorije ili kompenzacija hladnog raskrsnice za termoelektrane u trgovačkom komercijalnom ili industrijske aplikacije. svrhe. Aplikacije.
U većini slučajeva NTC termistori koriste se za precizno mjerenje temperature, a ne PTC termistori. Dostupni su neki PTC termistori koji se mogu koristiti u zaštitnim krugovima za zaštitu od prekomjernih struja ili kao resetirajuće osigurače za sigurnosne aplikacije. Krivulja temperature otpornosti na PTC termistor prikazuje vrlo malu NTC regiju prije nego što dostigne prekidačku točku (ili Curie Tacc), iznad kojeg se otpor naglo raste na nekoliko naloga veličine u rasponu nekoliko stepeni Celzijusa. Pod prekomjernim uslovima, PTC termistor će stvoriti snažno samo-grijanje kada se prebacila temperatura prebacivanja, a njen otpor će se naglo povećati, što će umanjiti ulaznu struju u sustav, čime se sprečava oštećenje. Prelazna tačka PTC termistora obično je između 60 ° C i 120 ° C i nije pogodna za kontrolu mjerenja temperature u širokom rasponu aplikacija. 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 ocjenu otpora u rasponu od nekoliko ohma do 10 mω na 25 ° C. Kao što je prikazano na Sl. 1, promjena otpora po stupnju Celzijus za termistore je izraženija nego za termometre otpora. U odnosu na termistore, visoka vrijednost termistora i visoka otpornost pojednostavljuju svoj ulazni krug, jer Thermeristori ne zahtijevaju posebnu konfiguraciju ožičenja, poput 3-žice ili 4-žice, za nadoknadu otpornosti na olovo. Termistor dizajn koristi samo jednostavnu dvožičnu konfiguraciju.
Precizno mjerenje termistora zasnovano na preciznosti zahtijeva preciznu obradu signala, analogno-digitalno pretvorba, linearizacija i kompenzacija, kao što je prikazano na Sl. 2.
Iako signalni lanac može izgledati jednostavno, postoji nekoliko složenosti koje utječu na veličinu, trošak i performanse cijele matične ploče. ADI-ov precizni ADC portfelj uključuje nekoliko integriranih rješenja, poput AD7124-4 / AD7124-8, koji pružaju brojne prednosti za dizajn toplotnog sustava kao većina građevnih blokova potrebnih za aplikaciju ugrađena. Međutim, postoje različiti izazovi u dizajniranju i optimizaciji termistornih rješenja za mjerenje temperature.
Ovaj članak govori o svakom od tih pitanja i daje preporuke za rješavanje i dalje pojednostavljenje procesa dizajna za takve sisteme.
Postoji širok izborNTC termistoriNa tržištu danas, tako da birajući pravi termistor za vašu aplikaciju može biti zastrašujući zadatak. Imajte na umu da su termistori navedeni njihovom nominalnom vrijednošću, 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 sa rejting malim otpornošću (nominalni otpor od 10 kω ili manje) obično podržavaju donje raspone niže temperature, poput -50 ° C do + 70 ° C. Termistori s ocjenama viših otpora mogu izdržati temperature do 300 ° C.
Termistor element izrađen je od metalnog oksida. Termistori su dostupni u kugličnim, radijalnim i SMD oblicima. Termistor perle su epoksidne obložene ili staklene kapsulirane za dodatnu zaštitu. Kuglični termistori presvučeni epoksidnim i površinskim termistorima pogodni su za temperature do 150 ° C. Termistori staklenih perla pogodni su za mjerenje visokih temperatura. Sve vrste premaza / pakiranja također štite od korozije. Neki će termistori imati dodatna kućišta za dodatnu zaštitu u otežanim okruženjima. Thermistori perle imaju brže vrijeme odziva od radijalnih / smd termistora. Međutim, nisu tako izdržljivi. Stoga se vrsta korištenog termistora ovisi o krajnjem primjeni i okruženju u kojem se termistor nalazi. Dugoročna stabilnost termistora ovisi o svom materijalu, pakiranju i dizajnu. Na primjer, epoksidni NTC termistor može promijeniti 0,2 ° C godišnje, dok zapečaćeni termistor mijenja samo 0,02 ° C godišnje.
Termistori dolaze u različitoj tačnosti. Standardni termistori obično imaju tačnost od 0,5 ° C do 1,5 ° C. Ocjena termistora i beta vrijednost (omjer 25 ° C do 50 ° C / 85 ° C) imaju toleranciju. Imajte na umu da beta vrijednost termistora varira od proizvođača. Na primjer, 10 kω NTC termistora različitih proizvođača imat će različite beta vrijednosti. Za preciznije sisteme možete koristiti termistore poput omega ™ 44xxx serije. Oni imaju tačnost od 0,1 ° C ili 0,2 ° C preko temperaturnog opsega od 0 ° C do 70 ° C. Stoga je raspon temperatura koji se može mjeriti i tačnost koja se zahtijeva u tom temperaturnom rasponu određuje da li su termistori pogodni za ovu aplikaciju. Imajte na umu da je veća tačnost omega 44xxx serije, to je veći trošak.
Za pretvaranje otpora na stepene Celzijusa obično se koristi beta vrijednost. Beta vrijednost se određuje znanjem dvije temperaturne tačke i odgovarajućeg otpora na svakoj temperaturnom mjestu.
RT1 = Otpornost na temperaturu 1 RT2 = Otpornost na temperaturu 2 T1 = Temperatura 1 (k) T2 = Temperatura 2 (k)
Korisnik koristi beta vrijednost najbliža temperaturnom rasponu koja se koristi u projektu. Većina termistorskih listova lista beta vrijednost zajedno s tolerancijom otpora na 25 ° C i toleranciji za beta vrijednost.
Veći precizni termistori i visoka precizna rješenja za preciznost kao što su omega 44xxx serija koriste STEINHART-HART jednadsku za pretvaranje otpornosti na stepene Celzijusa. Jednadžba 2 zahtijeva tri konstante A, B i C, opet pružao proizvođač senzora. Budući da su koeficijenti jednadžbe generirani pomoću tri temperaturne točke, rezultirajuća jednačina minimizira grešku uvedena linearizacijom (obično 0,02 ° C).
A, B i C su konstante izvedene iz tri zadane tačke temperature. R = Termistor otpor u ohms t = temperatura u K stepeni
Na slici. 3 prikazuje trenutnu uzbunu senzora. Pogonska struja se primjenjuje na termistor i ista struja se primjenjuje na precizni otpornik; Precizni otpornik koristi se kao referenca za mjerenje. Vrijednost referentnog otpornika mora biti veća od ili jednaka najvećoj vrijednosti termistorskog otpora (ovisno o najnižoj temperaturi izmjerenoj u sustavu).
Prilikom odabira struje uzbuđenja, maksimalni otpor termistora mora se ponovo uzeti u obzir. To osigurava da napon preko senzora i referentnog otpornika uvijek bude na nivou prihvatljivom za elektroniku. Terenski trenutni izvor zahtijeva malo prostora za glavu ili izlaz. Ako termistor ima visoku otpornost na najnižoj mjerljivoj temperaturi, to će rezultirati vrlo niskom strujom pogona. Stoga je napon generiran preko termistora na visokoj temperaturi mali. Programibilne faze dobitaka mogu se koristiti za optimizaciju mjerenja ovih signala niskog nivoa. Međutim, dobitak se mora dinamički programirati jer nivo signala iz termistora uvelike varira sa temperaturom.
Druga je opcija postavljanje pojačanja, ali koristiti dinamičku struju pogona. Stoga, kao što se nivo signala iz termistora mijenja, trenutna vrijednost pogona dinamički se mijenja tako da je napon razvijen preko termistora unutar navedenog ulaznog raspona elektronskog uređaja. Korisnik mora osigurati da se napon razvije na referentnom otporniku također na nivou prihvatljivog za elektroniku. Obje opcije zahtijevaju visoku razinu kontrole, stalnog nadzora napona preko termistora tako da elektronika može mjeriti signal. Postoji li lakša opcija? Razmislite o uzbuzivanju napona.
Kad se DC napon primjenjuje na termistor, struja kroz termistor automatski miješa se dok se termistorska otpornost mijenja. Sada, koristeći preciznu mjernu otpornu, umjesto referentnog otpornika, njegova je svrha izračunavanje struje koja prolazi kroz termistor, čime se omogući izračunavanje termistora. Budući da se pogonski napon koristi kao i kao ADC referentni signal, nije potrebna faza pojačanja. Procesor nema posao nadgledanja termistornog napona, određivanje ako se nivo signala može mjeriti elektronikom i izračunavanjem kojim povećanjem pogona / trenutne vrijednosti treba podesiti. Ovo je metoda koja se koristi u ovom članku.
Ako termistor ima malu rezistentnu ocjenu i raspon otpora, može se koristiti napon ili trenutna pobuda. U ovom slučaju, struja i dobitak pogona mogu se popraviti. Dakle, krug će biti prikazan na slici 3. Ova metoda je prikladna u tome što je moguće kontrolirati struju kroz senzor i referentni otpornik, koji je vrijedan u aplikacijama sa malim napajanjem. Pored toga, samo zagrevanje termistora je minimizirano.
Pobuđenje napona može se koristiti i za termistore sa rejtingom niskog otpora. Međutim, korisnik mora uvijek osigurati da struja kroz senzor nije previsok za senzor ili aplikaciju.
Pobuđenje napona pojednostavljuje implementaciju prilikom korištenja termistora s velikim rejtingom otpornosti i širokim temperaturnim opsegom. Veća nominalna otpornost pruža prihvatljiv nivo nazivne struje. Međutim, dizajneri trebaju osigurati da je struja na prihvatljivoj razini nad cijelim rasponom temperature koji podržava aplikacija.
Sigma-Delta ADCS nude nekoliko prednosti prilikom dizajniranja termistorskog mjernog sustava. Prvo, jer SIGMA-Delta ADC resesira analogni ulaz, vanjsko filtriranje čuva se na minimum i jedini zahtjev je jednostavan RC filter. Oni pružaju fleksibilnost u vrsti filtra i izlazne brzine prijenosa. Ugrađeno digitalno filtriranje može se koristiti za suzbijanje bilo kakvih smetnji u mrežnim napajanjem uređaja. 24-bitni uređaji kao što su AD7124-4 / AD7124-8 imaju punu rezoluciju do 21,7 bita, tako da pružaju visoku rezoluciju.
Upotreba Sigma-Delta ADC-a uvelike pojednostavljuje termistor dizajn uz smanjenje specifikacije, troškove sistema, prostora odbora i vremena za tržište.
Ovaj članak koristi AD7124-4 / AD7124-8 kao ADC jer su niske buke, niske struje, precizni ADC sa ugrađenim PGA, ugrađenim referentnim, analognim unosom i referentnim međuspremnikom.
Bez obzira da li koristite napon ili napon pogona, preporučuje se ratometrijska konfiguracija u kojoj se referentni napon i napon senzora dolaze iz istog izvora pogona. To znači da svaka promjena u izvoru uzbuđenja neće utjecati na točnost mjerenja.
Na slici. 5 prikazuje stalnu struju pogona za termistor i precizni otpornik RREF, napon razvijen u RREF-u je referentni napon za mjerenje termistora.
Terenska struja ne treba biti tačna i može biti manje stabilna jer će se u ovoj konfiguraciji biti eliminirane bilo kakve greške u terenskoj struji. Općenito, trenutni pobuda se preferira zbog uzbuđenja napona zbog vrhunske kontrole osjetljivosti i boljeg imuniteta buke kada se senzor nalazi na udaljenim lokacijama. Ova vrsta metode pristranosti obično se koristi za RTDD-ove ili termistore sa niskim vrijednostima otpora. Međutim, za termistor s višom vrijednošću otpora i veću osjetljivost, nivo signala koji se generira svakom temperaturnom promjenom bit će veća, pa se koristi pobuđivanje napona. Na primjer, termistor od 10 kω ima otpor od 10 kω na 25 ° C. Na -50 ° C, otpor Thermistor NTC iznosi 441.117 kω. Minimalna struja pogona od 50 μA kojeg je osigurala AD7124-4 / AD7124-8 generira 441.117 kω × 50 μA = 22 V, što je previsok i izvan radnog opsega naj dostupnih ADC-ova koji se koristi u ovom području aplikacije. Termistori su obično povezani i koji se nalaze u blizini elektronike, tako da imunitet za pokretanje struje nije potrebno.
Dodavanje osjetljivog otpornika u seriju kao krug razdjelnika napona ograničit će struju kroz termistor u svoju minimalnu vrijednost otpornosti. U ovoj konfiguraciji vrijednost osjetljivosti RSENSE mora biti jednaka vrijednosti termistorskog otpora referentnom temperaturom od 25 ° C, tako da će izlazni napon biti jednak sredini referentnog napona na njezinoj nominalnoj temperaturi 25 ° CC Slično, ako se koristi termistor od 10 kω s otporom od 10 kω na 25 ° C, nsi bi trebala biti 10 kω. Kako se temperatura mijenja, otpornost NTC termistora također se mijenja, a omjer napona pogona preko termistora također se mijenja, što rezultira izlaznim naponom proporcionalan otpornosti NTC termistora.
Ako se odabrana referentna napona koristi za napajanje Termistora i / ili REZENE podudaraju se za referentni napon ADC koji se koristi za mjerenje, sustav je postavljen na ratiometrijsko mjerenje (slika 7) tako da će izvor napona koji se odnose na uzbunu koji se odnose na uklanjanje izvora napona koji se odnose na uzbunu.
Imajte na umu da bi ili senzorski otpornik (pogon napona) ili referentni otpornik (strujni pogon) trebao imati nisku početnu toleranciju i nisku ploču, jer obje varijable mogu utjecati na točnost cijelog sustava.
Kada se koristi više termistora, može se koristiti jedan napon za uzbunu. Međutim, svaki termistor mora imati vlastiti precizni otpornik, kao što je prikazano na slici. 8. Druga opcija je korištenje vanjskog multipleksera ili prekidača s niskim otporom u državi, što omogućava dijeljenje jednog preciznog otpornika osjetilo. Ovom konfiguracijom svaki termistor treba vremena namirenju kada se mjeri.
Ukratko, prilikom dizajniranja termistorskog sistema za mjerenje temperature, postoji mnogo pitanja koja treba uzeti u obzir: senzor, ožičenje senzora, komponentni odabir komponente, ADC konfiguracija i kako te različite varijable utječu na ukupnu tačnost sistema. Sljedeći članak u ovoj seriji objašnjava kako optimizirati dizajn vašeg sistema i cjelokupnog budžeta za sistemski grešku za postizanje ciljanih performansi.
Pošta: Sep-30-2022