To pierwszy artykuł z dwuczęściowej serii. W tym artykule najpierw omówi historię i wyzwania projektowetemperatura oparta na termistorzeSystemy pomiarowe, a także ich porównanie z systemami temperatury termometru oporności (RTD). Opisuje również wybór termistora, kompromisów konfiguracyjnych oraz znaczenie konwerterów analogowych do cyfr Sigma-Delta (ADC) w tym obszarze aplikacji. Drugi artykuł szczegółowo opisuje sposób optymalizacji i oceny końcowego systemu pomiarowego opartego na termistorze.
Jak opisano w poprzedniej serii artykułów, optymalizacja systemów czujników temperatury RTD, RTD jest rezystorem, którego rezystancja zmienia się w zależności od temperatury. Termistory działają podobnie do RTDS. W przeciwieństwie do RTD, które mają tylko dodatni współczynnik temperatury, termistor może mieć dodatni lub ujemny współczynnik temperatury. Termistory ujemnego współczynnika temperatury (NTC) zmniejszają ich oporność wraz ze wzrostem temperatury, podczas gdy termistory dodatnie współczynnik temperatury (PTC) zwiększają ich oporność wraz ze wzrostem temperatury. Na rys. 1 pokazuje charakterystykę odpowiedzi typowych termistorów NTC i PTC i porównuje je z krzywymi RTD.
Pod względem zakresu temperatury krzywa RTD jest prawie liniowa, a czujnik obejmuje znacznie szerszy zakres temperatur niż termistory (zwykle -200 ° C do +850 ° C) z powodu nieliniowego (wykładniczego) charakteru termistora. RTD są zwykle dostarczane w znanych standaryzowanych krzywych, a krzywe termistorowe różnią się w zależności od producenta. Omówimy to szczegółowo w sekcji Guide Selector Thermistor w tym artykule.
Termistory są wykonane z materiałów kompozytowych, zwykle ceramiki, polimerów lub półprzewodników (zwykle tlenków metali) i czystej metali (platyny, niklu lub miedzi). Termistory mogą wykrywać zmiany temperatury szybciej niż RTDS, zapewniając szybsze informacje zwrotne. Dlatego termistory są powszechnie stosowane przez czujniki w zastosowaniach, które wymagają taniego kosztu, niewielkiej wielkości, szybszej reakcji, wyższej wrażliwości i ograniczonego zakresu temperatur, takich jak kontrola elektroniki, kontrola domu i budynku, laboratoria naukowe lub rekompensata zimnego skrzyżowania dla termopar w zastosowaniach komercyjnych lub przemysłowych. cele. Zastosowania.
W większości przypadków termistory NTC są wykorzystywane do dokładnego pomiaru temperatury, a nie termistorów PTC. Dostępne są niektóre termistory PTC, które mogą być stosowane w obwodach ochrony nadprądowej lub jako przesiedlane bezpieczniki do zastosowań w zakresie bezpieczeństwa. Krzywa oporności temperatury termistora PTC pokazuje bardzo mały region NTC przed osiągnięciem punktu przełącznika (lub punktu curie), powyżej którego oporność wzrasta gwałtownie o kilka rzędów wielkości w zakresie kilku stopni Celsjusza. W warunkach nadmiernych prądu termistor PTC wygeneruje silne samongatowanie po przekroczeniu temperatury przełączania, a jego opór gwałtownie wzrośnie, co zmniejszy prąd wejściowy do systemu, zapobiegając w ten sposób uszkodzenia. Punkt przełączania termistorów PTC wynosi zwykle od 60 ° C do 120 ° C i nie nadaje się do kontrolowania pomiarów temperatury w szerokim zakresie zastosowań. W tym artykule koncentruje się na termistorach NTC, które zwykle mogą mierzyć lub monitorować temperatury od -80 ° C do +150 ° C. Termistory NTC mają oceny rezystancji od kilku omów do 10 MΩ w 25 ° C. Jak pokazano na ryc. 1, zmiana odporności na stopień Celsjusza dla termistorów jest bardziej wyraźna niż w przypadku termometrów oporowych. W porównaniu z termistorami wysoka wrażliwość termistora i wysoka wartość rezystancyjna upraszczają jego obwody wejściowe, ponieważ termistory nie wymagają żadnej specjalnej konfiguracji okablowania, takiej jak 3-przewodowe lub 4-przewodowe, aby zrekompensować oporność ołowiu. Projekt termistorowy wykorzystuje tylko prostą konfigurację 2-przewodową.
Pomiar temperatury opartej na termistorach wymaga precyzyjnego przetwarzania sygnału, konwersji analogowo-cyfrowej, linearyzacji i kompensacji, jak pokazano na ryc. 2.
Chociaż łańcuch sygnału może wydawać się prosty, istnieje kilka złożoności, które wpływają na wielkość, koszt i wydajność całej płyty głównej. Precyzyjne portfolio ADI obejmuje kilka zintegrowanych rozwiązań, takich jak AD7124-4/AD7124-8, które zapewniają szereg zalet projektowania systemów termicznych, ponieważ wbudowana jest większość bloków składowych potrzebnych do aplikacji. Istnieją jednak różne wyzwania związane z projektowaniem i optymalizacją rozwiązań pomiaru temperatury opartej na termistorze.
W tym artykule omówiono każdy z tych problemów i zawiera zalecenia dotyczące ich rozwiązania i dalszego uproszczenia procesu projektowania dla takich systemów.
Istnieje wiele różnychTermistory NTCNa rynku dzisiaj wybór odpowiedniego termistora do aplikacji może być zniechęcającym zadaniem. Należy zauważyć, że termistory są wymienione według ich wartości nominalnej, która jest ich nominalną opornością w temperaturze 25 ° C. Dlatego termistor 10 kΩ ma nominalną rezystancję 10 kΩ w 25 ° C. Termistory mają nominalne lub podstawowe wartości rezystancji od kilku omów do 10 MΩ. Termistory o niskiej oporności (oporność nominalna 10 kΩ lub mniej) zwykle obsługują niższe zakresy temperatury, takie jak -50 ° C do +70 ° C. Termistory o wyższych ocenach oporności mogą wytrzymać temperatury do 300 ° C.
Element termistorowy jest wykonany z tlenku metalu. Termistory są dostępne w kształtach piłki, promieniowej i SMD. Kulki termistorowe to pokryte epoksydą lub szklane zamknięte w celu dodatkowej ochrony. Termistory kulkowe pokryte epoksydą, termistory promieniowe i powierzchniowe są odpowiednie do temperatur do 150 ° C. Termistory szklanych koralików są odpowiednie do pomiaru wysokich temperatur. Wszystkie rodzaje powłok/opakowań również chronią przed korozją. Niektóre termistory będą również mieć dodatkowe obudowy dla dodatkowej ochrony w trudnych środowiskach. Termistory koralików mają szybszy czas reakcji niż termistory promieniowe/SMD. Nie są jednak tak trwałe. Dlatego rodzaj zastosowanego termistora zależy od zastosowania końcowego i środowiska, w którym znajduje się termistor. Długoterminowa stabilność termistora zależy od jego materiału, opakowania i projektowania. Na przykład termistor NTC powlekany epoksyją może zmienić 0,2 ° C rocznie, podczas gdy zamknięty termistor zmienia tylko 0,02 ° C rocznie.
Termistory mają inną dokładność. Standardowe termistory zazwyczaj mają dokładność od 0,5 ° C do 1,5 ° C. Ocena oporności termistorowej i wartość beta (stosunek od 25 ° C do 50 ° C/85 ° C) mają tolerancję. Należy zauważyć, że wartość beta termistora różni się w zależności od producenta. Na przykład 10 kΩ termistorów NTC od różnych producentów będzie miało różne wartości beta. W przypadku dokładniejszych systemów można zastosować termistory, takie jak seria Omega ™ 44XXX. Mają dokładność 0,1 ° C lub 0,2 ° C w zakresie temperatury od 0 ° C do 70 ° C. Dlatego zakres temperatur, które można zmierzyć, a dokładność wymagana w tym zakresie temperatur określa, czy termistory są odpowiednie do tego zastosowania. Należy pamiętać, że im wyższa dokładność serii Omega 44XXX, tym wyższy koszt.
Aby przekształcić opór na stopnie Celsjusza, zwykle stosuje się wartość beta. Wartość beta jest określana przez znajomość dwóch punktów temperatury i odpornej rezystancji w każdym punkcie temperatury.
RT1 = Opór temperatury 1 RT2 = Opór temperatury 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = temperatura 2 (K)
Użytkownik wykorzystuje wartość beta najbliżej zakresu temperatur zastosowanego w projekcie. Większość arkuszy danych termistorowych wymienia wartość beta wraz z tolerancją oporu w temperaturze 25 ° C i tolerancją wartości beta.
Wyższe termistory precyzyjne i roztwory o wysokiej precyzyjnej terminacji, takie jak seria Omega 44XXX, wykorzystują równanie Steinhart-Hart do konwersji rezystancji na stopnie Celsjusza. Równanie 2 wymaga trzech stałych A, B i C, ponownie dostarczonych przez producenta czujnika. Ponieważ współczynniki równania są generowane przy użyciu trzech punktów temperatury, wynikowe równanie minimalizuje błąd wprowadzony przez linearyzację (zwykle 0,02 ° C).
A, B i C są stałymi pochodzącymi z trzech punktów ustalonych temperatury. R = odporność termistorowa w omach t = temperatura w K stopnia
Na rys. 3 pokazuje bieżące wzbudzenie czujnika. Prąd napędowy jest stosowany do termistora i ten sam prąd jest stosowany do rezystora precyzyjnego; Precyzyjny rezystor jest używany jako odniesienie do pomiaru. Wartość rezystora odniesienia musi być większa lub równa najwyższej wartości oporności termistorowej (w zależności od najniższej temperatury mierzonej w układzie).
Przy wyborze prądu wzbudzenia należy ponownie wziąć pod uwagę maksymalną oporność termistora. Zapewnia to, że napięcie na czujniku i rezystor odniesienia jest zawsze na poziomie akceptowalnym dla elektroniki. Prądowe źródło pola wymaga dopasowania głowy lub wyjścia. Jeśli termistor ma wysoką oporność w najniższej mierzalnej temperaturze, spowoduje to bardzo niski prąd napędowy. Dlatego napięcie generowane przez termistor w wysokiej temperaturze jest niewielkie. Programowalne etapy wzmocnienia można wykorzystać do optymalizacji pomiaru tych sygnałów niskiego poziomu. Jednak wzmocnienie należy zaprogramować dynamicznie, ponieważ poziom sygnału z termistora zmienia się znacznie w zależności od temperatury.
Inną opcją jest ustawienie wzmocnienia, ale użycie prądu dynamicznego napędu. Dlatego, gdy zmienia się poziom sygnału z termistora, wartość prądu napędu zmienia się dynamicznie, tak że napięcie rozwinięte w termistorze mieści się w określonym zakresie wejściowym urządzenia elektronicznego. Użytkownik musi upewnić się, że napięcie rozwinięte na rezystorze odniesienia jest również na poziomie dopuszczalnym dla elektroniki. Obie opcje wymagają wysokiego poziomu kontroli, stałego monitorowania napięcia przez termistor, aby elektronika mogła mierzyć sygnał. Czy jest łatwiejsza opcja? Rozważ wzbudzenie napięcia.
Gdy napięcie DC jest przyłożone do termistora, prąd przez termistor automatycznie skaluje się wraz ze zmianą rezystancji termistora. Teraz, stosując precyzyjny rezystor pomiarowy zamiast rezystora odniesienia, jego celem jest obliczenie prądu przepływającego przez termistor, umożliwiając w ten sposób obliczenie rezystancji termistora. Ponieważ napięcie napędu jest również używane jako sygnał odniesienia ADC, nie jest wymagany stopień wzmocnienia. Procesor nie ma zadania monitorowania napięcia termistorowego, określając, czy poziom sygnału może być mierzony za pomocą elektroniki, i obliczanie, jakie wartość zysku/prądu należy się dostosować. Jest to metoda zastosowana w tym artykule.
Jeśli termistor ma niewielki zakres oceny oporności i oporności, można zastosować napięcie lub wzbudzenie prądu. W takim przypadku prąd napędu i wzmocnienie można naprawić. Zatem obwód będzie pokazany na rycinie 3. Ta metoda jest wygodna, ponieważ możliwe jest kontrolowanie prądu przez czujnik i rezystor odniesienia, który jest cenny w zastosowaniach o niskiej mocy. Ponadto zminimalizowanie termistora jest zminimalizowane.
Wzbudzenie napięcia można również zastosować w przypadku termistorów o niskiej oporności. Jednak użytkownik musi zawsze upewnić się, że prąd przez czujnik nie jest zbyt wysoki dla czujnika lub aplikacji.
Wzbudzenie napięcia upraszcza implementację podczas korzystania z termistora z dużą oceną rezystancyjną i szerokim zakresem temperatur. Większy opór nominalny zapewnia akceptowalny poziom prądu znamionowego. Jednak projektanci muszą upewnić się, że prąd jest na akceptowalnym poziomie w całym zakresie temperatur obsługiwanych przez aplikację.
Sigma-Delta ADC oferują kilka zalet przy projektowaniu systemu pomiaru termistora. Po pierwsze, ponieważ Sigma-Delta ADC ulepsza wejście analogowe, filtrowanie zewnętrzne jest ograniczone do minimum, a jedynym wymaganiem jest prosty filtr RC. Zapewniają elastyczność typu filtra i szybkość transmisji wyjściowej. Wbudowane filtrowanie cyfrowe można użyć do tłumienia wszelkich zakłóceń w urządzeniach zasilanych zasilaniem. 24-bitowe urządzenia, takie jak AD7124-4/AD7124-8, mają pełną rozdzielczość do 21,7 bitów, więc zapewniają wysoką rozdzielczość.
Zastosowanie ADC Sigma-Delta znacznie upraszcza konstrukcję termistorową, jednocześnie zmniejszając specyfikację, koszt systemu, przestrzeń do planszy i czas na rynku.
W tym artykule wykorzystano AD7124-4/AD7124-8 jako ADC, ponieważ są to niski szum, niski prąd, precyzyjne ADC z wbudowanymi PGA, wbudowanym buforem odniesienia, analogowym i buforem odniesienia.
Niezależnie od tego, czy używasz prądu napędowego, czy napięcia napędowego, zaleca się konfigurację relometryczną, w której napięcie odniesienia i napięcie czujnika pochodzą z tego samego źródła napędu. Oznacza to, że każda zmiana źródła wzbudzenia nie wpłynie na dokładność pomiaru.
Na rys. 5 pokazuje stały prąd napędowy dla RREF termistora i rezystora precyzyjnego, napięcie rozwinięte w RREF jest napięciem odniesienia do pomiaru termistora.
Prąd pola nie musi być dokładny i może być mniej stabilny, ponieważ wszelkie błędy w prądu pola zostaną wyeliminowane w tej konfiguracji. Zasadniczo wzbudzenie prądu jest preferowane przez wzbudzenie napięcia z powodu doskonałej kontroli czułości i lepszej odporności na szum, gdy czujnik znajduje się w odległych lokalizacjach. Ten typ metody stronniczości jest zwykle stosowany dla RTD lub termistorów o niskich wartościach oporności. Jednak w przypadku termistora o wyższej wartości oporności i wyższej czułości poziom sygnału wygenerowany przez każdą zmianę temperatury będzie większy, więc zastosowano wzbudzenie napięcia. Na przykład termistor 10 kΩ ma rezystancję 10 kΩ w 25 ° C. W -50 ° C rezystancja termistora NTC wynosi 441,117 kΩ. Minimalny prąd napędowy 50 µA dostarczany przez AD7124-4/AD7124-8 generuje 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, który jest zbyt wysoki i poza zakresem pracy większości dostępnych ADC stosowanych w tym obszarze aplikacji. Termistory są również zwykle podłączone lub zlokalizowane w pobliżu elektroniki, więc odporność na prąd nie jest wymagana.
Dodanie rezystora sensownego szeregowo jako obwodu podziału napięcia ograniczy prąd przez termistor do jego minimalnej wartości rezystancji. W tej konfiguracji wartość rezystora zmysłowego RSense musi być równa wartości rezystancji termistorowej w temperaturze odniesienia 25 ° C, tak że napięcie wyjściowe będzie równe punkcie środkowym napięcia odniesienia w jego temperaturze nominalnej 25 ° CC podobnie, jeśli termizator termiczny 10 kΩ z opornością 10 kΩ jest używany w temperaturze Rsense, Rsense powinien wynosić 10 kX. Wraz ze zmianami temperatury zmienia się również rezystancja termistora NTC, a stosunek napięcia napędu na termistorze również się zmienia, co powoduje, że napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do rezystancji termistora NTC.
Jeśli wybrane odniesienie napięcia użyte do zasilania termistora i/lub RSense odpowiada napięciu odniesienia ADC stosowanego do pomiaru, system jest ustawiony na pomiar relometryczny (ryc. 7), aby każde źródło napięcia błędu związanego z wzbudzeniem zostanie stronnicze do usunięcia.
Należy zauważyć, że albo rezystor zmysłowy (napędzany napięcie) lub rezystor odniesienia (napędzany prąd) powinien mieć niską początkową tolerancję i niską dryf, ponieważ obie zmienne mogą wpływać na dokładność całego systemu.
Podczas korzystania z wielu termistorów można zastosować jedno napięcie wzbudzenia. Jednak każdy termistor musi mieć własny precyzyjny rezystor zmysłowy, jak pokazano na rys. 8. Inną opcją jest użycie zewnętrznego przełącznika multipleksera lub niskiego oporności w stanie ON, który umożliwia udostępnienie jednego precyzyjnego rezystora zmysłowego. Dzięki tej konfiguracji każdy termistor potrzebuje czasu osiadania po mierzeniu.
Podsumowując, podczas projektowania systemu pomiaru temperatury opartego na termistorze, należy wziąć pod uwagę wiele pytań: wybór czujników, okablowanie czujników, kompromisy wyboru komponentów, konfiguracja ADC i sposób, w jaki te różne zmienne wpływają na ogólną dokładność systemu. Następny artykuł z tej serii wyjaśnia, jak zoptymalizować projektowanie systemu i ogólny budżet błędów systemu, aby osiągnąć docelową wydajność.
Czas postu: 30-30-2022