To pierwszy artykuł z dwuczęściowego cyklu. W tym artykule najpierw omówimy historię i wyzwania projektowetemperatura oparta na termistorzeSystemy pomiarowe, a także ich porównanie z systemami pomiaru temperatury opartymi na termometrach rezystancyjnych (RTD). Omówiony zostanie również wybór termistorów, kompromisy w konfiguracji oraz znaczenie przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) sigma-delta w tym obszarze zastosowań. Drugi artykuł szczegółowo opisuje, jak zoptymalizować i ocenić ostateczny system pomiarowy oparty na termistorach.
Jak opisano w poprzedniej serii artykułów pt. „Optymalizacja systemów czujników temperatury RTD”, RTD to rezystor, którego rezystancja zmienia się wraz z temperaturą. Termistory działają podobnie do RTD. W przeciwieństwie do RTD, które mają jedynie dodatni współczynnik temperaturowy, termistor może mieć dodatni lub ujemny współczynnik temperaturowy. Termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) zmniejszają swoją rezystancję wraz ze wzrostem temperatury, podczas gdy termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) zwiększają swoją rezystancję wraz ze wzrostem temperatury. Na rys. 1 przedstawiono charakterystyki odpowiedzi typowych termistorów NTC i PTC oraz porównano je z krzywymi RTD.
Pod względem zakresu temperatur, krzywa czujnika RTD jest niemal liniowa, a czujnik obejmuje znacznie szerszy zakres temperatur niż termistory (typowo od -200°C do +850°C) ze względu na nieliniową (wykładniczą) naturę termistora. Czujniki RTD są zazwyczaj dostarczane z dobrze znanymi, znormalizowanymi krzywymi, podczas gdy krzywe termistorów różnią się w zależności od producenta. Omówimy to szczegółowo w sekcji poradnika doboru termistorów w tym artykule.
Termistory wykonane są z materiałów kompozytowych, zazwyczaj ceramiki, polimerów lub półprzewodników (zwykle tlenków metali) oraz czystych metali (platyny, niklu lub miedzi). Termistory wykrywają zmiany temperatury szybciej niż czujniki RTD, zapewniając szybsze sprzężenie zwrotne. Dlatego termistory są powszechnie stosowane w czujnikach w aplikacjach wymagających niskich kosztów, małych rozmiarów, szybszej reakcji, wyższej czułości i ograniczonego zakresu temperatur, takich jak sterowanie elektroniką, sterowanie domem i budynkiem, laboratoria naukowe lub kompensacja zimnych końców termopar w zastosowaniach komercyjnych lub przemysłowych. Zastosowania.
W większości przypadków do dokładnego pomiaru temperatury stosuje się termistory NTC, a nie termistory PTC. Niektóre termistory PTC mogą być stosowane w obwodach zabezpieczeń nadprądowych lub jako bezpieczniki resetowalne w zastosowaniach bezpieczeństwa. Krzywa rezystancji i temperatury termistora PTC pokazuje bardzo mały obszar NTC przed osiągnięciem punktu przełączania (lub punktu Curie), powyżej którego rezystancja gwałtownie rośnie o kilka rzędów wielkości w zakresie kilku stopni Celsjusza. W warunkach przetężenia termistor PTC generuje silne samonagrzewanie po przekroczeniu temperatury przełączania, a jego rezystancja gwałtownie rośnie, co zmniejsza prąd wejściowy do systemu, zapobiegając w ten sposób uszkodzeniom. Punkt przełączania termistorów PTC wynosi zazwyczaj od 60°C do 120°C i nie nadaje się do sterowania pomiarami temperatury w szerokim zakresie zastosowań. Niniejszy artykuł koncentruje się na termistorach NTC, które zazwyczaj mogą mierzyć lub monitorować temperatury w zakresie od -80°C do +150°C. Termistory NTC charakteryzują się rezystancją od kilku omów do 10 MΩ w temperaturze 25°C. Jak pokazano na rys. 1, zmiana rezystancji na stopień Celsjusza w przypadku termistorów jest wyraźniejsza niż w przypadku termometrów rezystancyjnych. W porównaniu z termistorami, wysoka czułość i wysoka wartość rezystancji termistora upraszczają jego obwód wejściowy, ponieważ nie wymagają one specjalnej konfiguracji okablowania, takiej jak 3- lub 4-żyłowa, w celu kompensacji rezystancji przewodów. Konstrukcja termistora wykorzystuje jedynie prostą konfigurację 2-żyłową.
Dokładny pomiar temperatury za pomocą termistorów wymaga precyzyjnego przetwarzania sygnału, konwersji analogowo-cyfrowej, linearyzacji i kompensacji, jak pokazano na rys. 2.
Chociaż tor sygnałowy może wydawać się prosty, istnieje kilka złożonych kwestii, które wpływają na rozmiar, koszt i wydajność całej płyty głównej. Oferta precyzyjnych przetworników ADC firmy ADI obejmuje kilka zintegrowanych rozwiązań, takich jak AD7124-4/AD7124-8, które zapewniają szereg korzyści w projektowaniu systemów chłodzenia, ponieważ większość elementów konstrukcyjnych niezbędnych do danej aplikacji jest wbudowana. Projektowanie i optymalizacja rozwiązań pomiaru temperatury opartych na termistorach wiąże się jednak z różnymi wyzwaniami.
W artykule omówiono każdy z tych problemów i przedstawiono zalecenia dotyczące ich rozwiązania oraz dalszego uproszczenia procesu projektowania takich systemów.
Istnieje szeroka gamaTermistory NTCNa rynku jest obecnie wiele termistorów, więc wybór odpowiedniego termistora do danego zastosowania może być trudnym zadaniem. Należy pamiętać, że termistory są oznaczone wartością nominalną, czyli rezystancją nominalną w temperaturze 25°C. Zatem termistor 10 kΩ ma rezystancję nominalną równą 10 kΩ w temperaturze 25°C. Termistory mają nominalne lub bazowe wartości rezystancji w zakresie od kilku omów do 10 MΩ. Termistory o niskiej rezystancji znamionowej (rezystancja nominalna 10 kΩ lub mniej) zazwyczaj obsługują niższe zakresy temperatur, takie jak od -50°C do +70°C. Termistory o wyższej rezystancji znamionowej mogą wytrzymywać temperatury do 300°C.
Element termistora wykonany jest z tlenku metalu. Termistory dostępne są w kształcie kulistym, promieniowym i SMD. Koraliki termistora są pokryte żywicą epoksydową lub zatopione w szkle dla dodatkowej ochrony. Termistory kulkowe pokryte żywicą epoksydową, promieniowe i powierzchniowe są odpowiednie do temperatur do 150°C. Termistory kulkowe szklane nadają się do pomiaru wysokich temperatur. Wszystkie rodzaje powłok/opakowań również chronią przed korozją. Niektóre termistory posiadają również dodatkowe obudowy dla dodatkowej ochrony w trudnych warunkach. Termistory kulkowe charakteryzują się krótszym czasem reakcji niż termistory promieniowe/SMD. Nie są jednak tak trwałe. Dlatego rodzaj zastosowanego termistora zależy od zastosowania końcowego i środowiska, w którym termistor się znajduje. Długotrwała stabilność termistora zależy od jego materiału, opakowania i konstrukcji. Na przykład termistor NTC pokryty powłoką epoksydową może zmieniać się o 0,2°C rocznie, podczas gdy termistor uszczelniony zmienia się tylko o 0,02°C rocznie.
Termistory różnią się dokładnością. Standardowe termistory zazwyczaj charakteryzują się dokładnością od 0,5°C do 1,5°C. Rezystancja termistora i wartość współczynnika beta (stosunek 25°C do 50°C/85°C) mają określoną tolerancję. Należy pamiętać, że wartość współczynnika beta termistora różni się w zależności od producenta. Na przykład termistory NTC 10 kΩ różnych producentów będą miały różne wartości współczynnika beta. W przypadku systemów o większej dokładności można stosować termistory takie jak seria Omega™ 44xxx. Charakteryzują się one dokładnością 0,1°C lub 0,2°C w zakresie temperatur od 0°C do 70°C. Dlatego zakres mierzonych temperatur i wymagana dokładność w tym zakresie temperatur decydują o tym, czy termistory nadają się do tego zastosowania. Należy pamiętać, że im wyższa dokładność serii Omega 44xxx, tym wyższy koszt.
Do przeliczenia oporu na stopnie Celsjusza zazwyczaj używa się wartości beta. Wartość beta jest określana na podstawie znajomości dwóch punktów temperaturowych i odpowiadającej im rezystancji w każdym punkcie.
RT1 = Odporność na temperaturę 1 RT2 = Odporność na temperaturę 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Użytkownik stosuje wartość beta najbliższą zakresowi temperatur zastosowanemu w projekcie. Większość kart katalogowych termistorów podaje wartość beta wraz z tolerancją rezystancji w temperaturze 25°C i tolerancją dla wartości beta.
Termistory o wyższej precyzji i rozwiązania z wysoką precyzją, takie jak seria Omega 44xxx, wykorzystują równanie Steinharta-Harta do przeliczania rezystancji na stopnie Celsjusza. Równanie 2 wymaga podania trzech stałych A, B i C, również dostarczonych przez producenta czujnika. Ponieważ współczynniki równania są generowane na podstawie trzech punktów temperaturowych, uzyskane równanie minimalizuje błąd wprowadzany przez linearyzację (zwykle 0,02°C).
A, B i C to stałe pochodzące z trzech nastaw temperatury. R = rezystancja termistora w omach T = temperatura w stopniach K
Na rys. 3 przedstawiono wzbudzenie czujnika. Prąd sterujący jest przykładany do termistora i ten sam prąd jest przykładany do rezystora precyzyjnego; rezystor precyzyjny służy jako punkt odniesienia do pomiaru. Wartość rezystora odniesienia musi być większa lub równa najwyższej wartości rezystancji termistora (w zależności od najniższej zmierzonej temperatury w układzie).
Przy doborze prądu wzbudzenia należy ponownie uwzględnić maksymalną rezystancję termistora. Gwarantuje to, że napięcie na czujniku i rezystorze odniesienia zawsze będzie na poziomie akceptowalnym dla elektroniki. Źródło prądu wzbudzenia wymaga pewnego zapasu mocy lub dopasowania wyjścia. Jeśli termistor ma wysoką rezystancję w najniższej mierzalnej temperaturze, spowoduje to bardzo niski prąd sterujący. W związku z tym napięcie generowane na termistorze w wysokiej temperaturze jest niskie. Programowalne stopnie wzmocnienia mogą być wykorzystane do optymalizacji pomiaru tych sygnałów o niskim poziomie. Jednak wzmocnienie musi być programowane dynamicznie, ponieważ poziom sygnału z termistora znacznie zmienia się wraz z temperaturą.
Inną opcją jest ustawienie wzmocnienia, ale użycie dynamicznego prądu sterującego. W związku z tym, wraz ze zmianą poziomu sygnału z termistora, wartość prądu sterującego zmienia się dynamicznie, tak aby napięcie generowane na termistorze mieściło się w określonym zakresie wejściowym urządzenia elektronicznego. Użytkownik musi upewnić się, że napięcie generowane na rezystorze odniesienia również jest akceptowalne przez elektronikę. Obie opcje wymagają wysokiego poziomu kontroli i stałego monitorowania napięcia na termistorze, aby elektronika mogła mierzyć sygnał. Czy istnieje prostsze rozwiązanie? Rozważ wzbudzenie napięciowe.
Po przyłożeniu napięcia stałego do termistora, prąd płynący przez termistor automatycznie skaluje się wraz ze zmianą jego rezystancji. Teraz, używając precyzyjnego rezystora pomiarowego zamiast rezystora odniesienia, jego zadaniem jest obliczenie prądu płynącego przez termistor, co pozwala na obliczenie rezystancji termistora. Ponieważ napięcie sterujące jest również wykorzystywane jako sygnał odniesienia przetwornika ADC, stopień wzmocnienia nie jest wymagany. Procesor nie ma za zadanie monitorowania napięcia termistora, określania, czy poziom sygnału może być mierzony przez układ elektroniczny, ani obliczania, jaką wartość wzmocnienia/prądu sterowania należy skorygować. Jest to metoda zastosowana w tym artykule.
Jeśli termistor ma małą rezystancję znamionową i zakres rezystancji, można zastosować wzbudzenie napięciowe lub prądowe. W takim przypadku prąd sterujący i wzmocnienie można ustalić. W ten sposób obwód będzie wyglądał jak na rysunku 3. Ta metoda jest wygodna, ponieważ umożliwia sterowanie prądem przepływającym przez czujnik i rezystor odniesienia, co jest cenne w zastosowaniach o niskim poborze mocy. Dodatkowo minimalizuje to samonagrzewanie się termistora.
Wzbudzenie napięciowe można również zastosować w przypadku termistorów o niskiej rezystancji. Użytkownik musi jednak zawsze upewnić się, że prąd płynący przez czujnik nie jest zbyt wysoki dla danego czujnika lub zastosowania.
Wzbudzenie napięciowe upraszcza implementację przy zastosowaniu termistora o dużej rezystancji znamionowej i szerokim zakresie temperatur. Większa rezystancja nominalna zapewnia akceptowalny poziom prądu znamionowego. Projektanci muszą jednak upewnić się, że prąd utrzymuje się na akceptowalnym poziomie w całym zakresie temperatur obsługiwanym przez aplikację.
Przetworniki analogowo-cyfrowe typu sigma-delta oferują szereg zalet w projektowaniu systemów pomiarowych z termistorem. Po pierwsze, ponieważ przetwornik sigma-delta repróbkuje sygnał analogowy, filtracja zewnętrzna jest ograniczona do minimum, a jedynym wymogiem jest prosty filtr RC. Zapewniają one elastyczność w zakresie typu filtra i wyjściowej szybkości transmisji. Wbudowane filtrowanie cyfrowe może być wykorzystane do tłumienia zakłóceń w urządzeniach zasilanych z sieci. Urządzenia 24-bitowe, takie jak AD7124-4/AD7124-8, charakteryzują się pełną rozdzielczością do 21,7 bitów, co zapewnia wysoką rozdzielczość.
Zastosowanie przetwornika analogowo-cyfrowego sigma-delta znacznie upraszcza konstrukcję termistora, jednocześnie redukując wymagania techniczne, koszty systemu, przestrzeń na płytce drukowanej i czas wprowadzania produktu na rynek.
W tym artykule jako przetworniki ADC wykorzystano układy AD7124-4/AD7124-8, ponieważ są to precyzyjne przetworniki ADC o niskim poziomie szumów, niskim poborze prądu i z wbudowanym PGA, wbudowanym punktem odniesienia, wejściem analogowym i buforem odniesienia.
Niezależnie od tego, czy używasz prądu, czy napięcia sterującego, zalecana jest konfiguracja ratiometryczna, w której napięcie odniesienia i napięcie czujnika pochodzą z tego samego źródła sterowania. Oznacza to, że jakakolwiek zmiana źródła wzbudzenia nie wpłynie na dokładność pomiaru.
Na rys. 5 pokazano stały prąd sterujący dla termistora i precyzyjnego rezystora RREF, napięcie powstające na RREF jest napięciem odniesienia do pomiaru termistora.
Prąd wzbudzenia nie musi być dokładny i może być mniej stabilny, ponieważ wszelkie błędy w prądzie wzbudzenia zostaną wyeliminowane w tej konfiguracji. Generalnie, wzbudzenie prądowe jest preferowane nad wzbudzeniem napięciowym ze względu na lepszą kontrolę czułości i lepszą odporność na zakłócenia, gdy czujnik znajduje się w odległych lokalizacjach. Ten typ metody polaryzacji jest zazwyczaj stosowany w przypadku czujników RTD lub termistorów o niskich wartościach rezystancji. Jednak w przypadku termistora o wyższej wartości rezystancji i wyższej czułości, poziom sygnału generowany przez każdą zmianę temperatury będzie wyższy, dlatego stosuje się wzbudzenie napięciowe. Na przykład, termistor 10 kΩ ma rezystancję 10 kΩ w temperaturze 25°C. W temperaturze -50°C rezystancja termistora NTC wynosi 441,117 kΩ. Minimalny prąd sterujący 50 µA, dostarczany przez układ AD7124-4/AD7124-8, generuje napięcie 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, co jest wartością zbyt wysoką i wykraczającą poza zakres roboczy większości dostępnych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) stosowanych w tym obszarze zastosowań. Termistory są zazwyczaj podłączone lub zlokalizowane w pobliżu układów elektronicznych, więc odporność na prąd sterujący nie jest wymagana.
Dodanie szeregowego rezystora pomiarowego jako obwodu dzielnika napięcia ograniczy prąd płynący przez termistor do minimalnej wartości jego rezystancji. W tej konfiguracji wartość rezystora pomiarowego RSENSE musi być równa wartości rezystancji termistora w temperaturze odniesienia 25°C, tak aby napięcie wyjściowe było równe środkowi napięcia odniesienia w jego temperaturze nominalnej 25°C. Podobnie, jeśli używany jest termistor 10 kΩ o rezystancji 10 kΩ w temperaturze 25°C, RSENSE powinno wynosić 10 kΩ. Wraz ze zmianą temperatury zmienia się również rezystancja termistora NTC, a także stosunek napięcia sterującego na termistorze, co powoduje, że napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do rezystancji termistora NTC.
Jeżeli wybrane napięcie odniesienia służące do zasilania termistora i/lub RSENSE jest zgodne z napięciem odniesienia przetwornika ADC używanym do pomiaru, system jest ustawiany na pomiar ratiometryczny (rysunek 7), tak aby wszelkie źródła napięcia błędu związane ze wzbudzeniem zostały spolaryzowane w celu ich usunięcia.
Należy pamiętać, że zarówno rezystor pomiarowy (sterowany napięciem), jak i rezystor odniesienia (sterowany prądem) powinny charakteryzować się niską tolerancją początkową i małym dryftem, ponieważ obie te zmienne mogą mieć wpływ na dokładność całego systemu.
W przypadku stosowania wielu termistorów można zastosować jedno napięcie wzbudzenia. Jednak każdy termistor musi mieć własny precyzyjny rezystor pomiarowy, jak pokazano na rys. 8. Inną opcją jest użycie zewnętrznego multipleksera lub przełącznika o niskiej rezystancji w stanie włączenia, co pozwala na współdzielenie jednego precyzyjnego rezystora pomiarowego. W tej konfiguracji każdy termistor potrzebuje pewnego czasu na ustalenie się podczas pomiaru.
Podsumowując, projektując system pomiaru temperatury oparty na termistorach, należy rozważyć wiele kwestii: dobór czujnika, okablowanie czujnika, kompromisy w doborze komponentów, konfigurację przetwornika ADC oraz wpływ tych zmiennych na ogólną dokładność systemu. W kolejnym artykule z tej serii wyjaśnimy, jak zoptymalizować projekt systemu i całkowity budżet błędów, aby osiągnąć docelową wydajność.
Czas publikacji: 30.09.2022