Ovo je prvi članak u dvodijelnoj seriji.Ovaj članak će prvo raspravljati o povijesti i izazovima dizajnatemperatura na bazi termistoramernih sistema, kao i njihovo poređenje sa sistemima za merenje temperature otpornim termometrom (RTD).Takođe će opisati izbor termistora, kompromise u konfiguraciji i važnost sigma-delta analogno-digitalnih pretvarača (ADC) u ovoj oblasti primene.Drugi članak će detaljno objasniti kako optimizirati i procijeniti konačni mjerni sistem baziran na termistoru.
Kao što je opisano u prethodnoj seriji članaka, Optimizacija RTD sistema temperaturnih senzora, 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.1 prikazuje karakteristike odziva tipičnih NTC i PTC termistora i upoređuje ih sa RTD krivuljama.
U pogledu temperaturnog raspona, RTD kriva je skoro linearna, a senzor pokriva mnogo širi temperaturni raspon od termistora (obično -200°C do +850°C) zbog nelinearne (eksponencijalne) prirode termistora.RTD se obično isporučuju u dobro poznatim standardiziranim krivuljama, dok se krivulje termistora razlikuju od proizvođača.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 metalni oksidi) i čistih metala (platina, nikal ili bakar).Termistori mogu detektovati promene temperature brže od RTD-ova, dajući bržu povratnu informaciju.Zbog toga senzori obično koriste termistore u aplikacijama koje zahtijevaju nisku cijenu, malu veličinu, brži odziv, veću osjetljivost i ograničen temperaturni raspon, kao što su kontrola elektronike, kontrola kuća i zgrada, naučni laboratoriji ili kompenzacija hladnog spoja za termoelemente u komercijalnim djelatnostima. ili industrijske primjene.svrhe.Prijave.
U većini slučajeva za precizno mjerenje temperature koriste se NTC termistori, a ne PTC termistori.Dostupni su neki PTC termistori koji se mogu koristiti u krugovima zaštite od prekomjerne struje ili kao osigurači koji se mogu resetirati za sigurnosne aplikacije.Kriva otpor-temperatura PTC termistora pokazuje vrlo mali NTC region prije nego što se dosegne tačka prebacivanja (ili Curie tačka), iznad koje otpor naglo raste za nekoliko redova veličine u rasponu od nekoliko stepeni Celzijusa.U uslovima prekomerne struje, PTC termistor će generisati snažno samozagrevanje kada je temperatura preklapanja prekoračena, a njegov otpor će naglo porasti, što će smanjiti ulaznu struju u sistem i na taj način sprečiti oštećenje.Tačka uključivanja PTC termistora je tipično između 60°C i 120°C i nije pogodna 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 otpornost u rasponu od nekoliko oma do 10 MΩ na 25°C.Kao što je prikazano na sl.1, promjena otpora po stepenu Celzijusa za termistore je izraženija nego za otporne termometre.U poređenju s termistorima, visoka osjetljivost i visoka vrijednost otpora termistora pojednostavljuju njegovo ulazno kolo, budući da termistori ne zahtijevaju nikakvu posebnu konfiguraciju ožičenja, kao što su 3-žične ili 4-žične, da bi se kompenzirao otpor provodnika.Dizajn termistora koristi samo jednostavnu 2-žičnu konfiguraciju.
Visoko precizno mjerenje temperature bazirano na termistoru zahtijeva preciznu obradu signala, analogno-digitalnu konverziju, linearizaciju i kompenzaciju, kao što je prikazano na sl.2.
Iako se signalni lanac može činiti jednostavnim, postoji nekoliko složenosti koje utiču na veličinu, cijenu i performanse cijele matične ploče.ADI-jev portfelj preciznih ADC uključuje nekoliko integrisanih rešenja, kao što je AD7124-4/AD7124-8, koja pružaju brojne prednosti za dizajn termičkog sistema jer je većina građevnih blokova potrebnih za aplikaciju ugrađena.Međutim, postoje različiti izazovi u dizajniranju i optimizaciji rješenja za mjerenje temperature na bazi termistora.
Ovaj članak razmatra svako od ovih pitanja i daje preporuke za njihovo rješavanje i dalje pojednostavljivanje procesa dizajna za takve sisteme.
Postoji veliki izborNTC termistorina tržištu danas, pa odabir pravog termistora za vašu aplikaciju može biti zastrašujući zadatak.Imajte na umu da su termistori navedeni prema njihovoj nominalnoj vrijednosti, koja je njihov nazivni 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 niskim ocenama otpora (nominalni otpor od 10 kΩ ili manje) obično podržavaju niže temperaturne opsege, kao što je -50°C do +70°C.Termistori većeg otpora mogu izdržati temperature do 300°C.
Element termistora je napravljen od metalnog oksida.Termistori su dostupni u loptastim, radijalnim i SMD oblicima.Perle termistora su obložene epoksidom ili staklom za dodatnu zaštitu.Kuglični termistori, radijalni i površinski obloženi epoksidom 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 s perlama imaju brže vrijeme odziva od radijalnih/SMD termistora.Međutim, nisu toliko izdržljivi.Stoga, vrsta termistora koji se koristi ovisi o krajnjoj primjeni i okruženju u kojem se termistor nalazi.Dugoročna stabilnost termistora zavisi od njegovog materijala, pakovanja i dizajna.Na primjer, NTC termistor obložen epoksidom može promijeniti 0,2°C godišnje, dok se zapečaćeni termistor mijenja samo za 0,02°C godišnje.
Termistori dolaze sa različitom preciznošću.Standardni termistori obično imaju tačnost od 0,5°C do 1,5°C.Otpornost termistora i beta vrijednost (odnos od 25°C do 50°C/85°C) imaju toleranciju.Imajte na umu da se beta vrijednost termistora razlikuje od proizvođača.Na primjer, 10 kΩ NTC termistori različitih proizvođača će imati različite beta vrijednosti.Za preciznije sisteme mogu se koristiti termistori kao što je serija Omega™ 44xxx.Imaju tačnost od 0,1°C ili 0,2°C u temperaturnom opsegu od 0°C do 70°C.Stoga, raspon temperatura koje se mogu mjeriti i tačnost potrebna u tom temperaturnom rasponu određuju da li su termistori prikladni za ovu primjenu.Imajte na umu da što je veća preciznost 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 na svakoj temperaturnoj tački.
RT1 = temperaturni otpor 1 RT2 = temperaturni otpor 2 T1 = temperatura 1 (K) T2 = temperatura 2 (K)
Korisnik koristi beta vrijednost najbližu temperaturnom rasponu korištenom u projektu.Većina listova sa termistorima navodi beta vrijednost zajedno s tolerancijom otpora na 25°C i tolerancijom za beta vrijednost.
Termistori veće preciznosti i rješenja za završetak visoke preciznosti, 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 je opet dostavio proizvođač senzora.Budući da su koeficijenti jednadžbe generirani korištenjem tri temperaturne točke, 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 stepeni
Na sl.3 prikazuje trenutnu pobudu senzora.Pogonska struja se primjenjuje na termistor i 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 mjerene temperature u sistemu).
Prilikom odabira pobudne struje, opet 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 određenu visinu ili usklađivanje izlaza.Ako termistor ima visok otpor na najnižoj mjerljivoj temperaturi, to će rezultirati vrlo niskom pogonskom strujom.Stoga je napon koji se stvara na termistoru pri visokoj temperaturi mali.Programabilni stupnjevi pojačanja mogu se koristiti za optimizaciju mjerenja ovih signala niskog nivoa.Međutim, pojačanje se mora programirati dinamički jer nivo signala iz termistora uvelike varira s temperaturom.
Druga opcija je podesiti pojačanje, ali koristiti dinamičku struju pogona.Stoga, kako se nivo signala iz termistora mijenja, vrijednost struje pogona se dinamički mijenja tako da je napon razvijen na termistoru unutar specificiranog ulaznog raspona 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 lakša opcija?Razmotrite naponsku pobudu.
Kada se na termistor dovede jednosmjerni napon, struja kroz termistor se automatski povećava kako se otpor termistora mijenja.Sada, koristeći precizan mjerni otpornik umjesto referentnog otpornika, njegova svrha je izračunavanje struje koja teče kroz termistor, čime se omogućava izračunavanje otpora termistora.Budući da se pogonski napon također koristi kao referentni signal ADC-a, nije potreban stepen pojačanja.Procesor nema zadatak nadgledanja napona termistora, utvrđivanja da li elektronika može izmjeriti nivo signala i izračunavanja vrijednosti pojačanja/struje pogona treba podesiti.Ovo je metoda korištena u ovom članku.
Ako termistor ima mali otpor i raspon otpora, može se koristiti napon ili strujna pobuda.U ovom slučaju, struja i pojačanje pogona mogu se fiksirati.Dakle, kolo će biti kao što je prikazano na slici 3. Ova metoda je pogodna po tome što je moguće kontrolisati struju kroz senzor i referentni otpornik, što je dragocjeno u aplikacijama male snage.Osim toga, samozagrijavanje termistora je svedeno na minimum.
Naponska pobuda se također može koristiti za termistore s niskim ocjenama otpora.Međutim, korisnik uvijek mora osigurati da struja kroz senzor nije prevelika za senzor ili aplikaciju.
Naponska pobuda pojednostavljuje implementaciju kada se koristi termistor s velikom otpornošću i širokim temperaturnim rasponom.Veći nazivni otpor obezbeđuje prihvatljiv nivo nazivne struje.Međutim, dizajneri moraju osigurati da struja bude na prihvatljivom nivou u cijelom temperaturnom rasponu koji podržava aplikacija.
Sigma-Delta ADC-ovi nude nekoliko prednosti pri projektovanju sistema za merenje termistora.Prvo, pošto sigma-delta ADC resamplira analogni ulaz, eksterno filtriranje je svedeno na minimum i jedini zahtev 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 koji se napajaju iz mreže.24-bitni uređaji kao što je AD7124-4/AD7124-8 imaju punu rezoluciju do 21,7 bita, tako da pružaju visoku rezoluciju.
Upotreba sigma-delta ADC-a uvelike pojednostavljuje dizajn termistora, a istovremeno smanjuje specifikacije, troškove sistema, prostor na ploči i vrijeme izlaska na tržište.
Ovaj članak koristi AD7124-4/AD7124-8 kao ADC jer su to niskošumni, niskostrujni, precizni ADC-ovi sa ugrađenim PGA, ugrađenom referencom, analognim ulazom i referentnim baferom.
Bez obzira na to koristite li pogonsku struju 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 u izvoru pobude neće utjecati na točnost mjerenja.
Na sl.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 precizna i može biti manje stabilna jer će sve greške u struji polja biti eliminirane u ovoj konfiguraciji.Općenito, strujna pobuda je poželjnija u odnosu na naponsku pobudu zbog superiorne kontrole osjetljivosti i bolje otpornosti na buku 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 višom vrijednošću otpora i većom osjetljivošću, nivo signala generiran svakom promjenom temperature bit će 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 obezbeđuje AD7124-4/AD7124-8 generiše 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, što je previsoko i izvan radnog opsega većine dostupnih ADC-a koji se koriste u ovoj oblasti primene.Termistori su također obično povezani ili smješteni u blizini elektronike, tako da nije potrebna otpornost na struju.
Dodavanje senzorskog otpornika u seriju kao krug djelitelja napona ograničit će struju kroz termistor na njegovu 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 sa 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 preko termistora, što rezultira da je izlazni napon proporcionalan otporu NTC termistora.
Ako odabrana referenca napona koja se koristi za napajanje termistora i/ili RSENSE odgovara referentnom naponu ADC-a koji se koristi za mjerenje, sistem se postavlja na omjerno mjerenje (Slika 7) tako da će svaki izvor napona vezan za pobuđivanje biti pristrasan za uklanjanje.
Imajte na umu da ili senzorski otpornik (napon napona) ili referentni otpornik (pokretan strujom) treba da imaju nisku početnu toleranciju i mali pomak, 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 precizni otpornik za senzor, kao što je prikazano na sl.8. Druga opcija je korištenje eksternog multipleksora ili prekidača niskog otpora u uključenom stanju, što omogućava zajedničko korištenje jednog otpornika preciznog senzora.Sa ovom konfiguracijom, svakom termistoru je potrebno određeno vrijeme smirivanja kada se mjeri.
Ukratko, kada se dizajnira sistem za mjerenje temperature baziran na termistoru, postoje mnoga pitanja koja treba razmotriti: izbor senzora, ožičenje senzora, kompromisi pri izboru 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 sistemskih grešaka da biste postigli svoje ciljne performanse.
Vrijeme objave: Sep-30-2022