To pierwszy artykuł z dwuczęściowej serii.W tym artykule najpierw omówimy historię i wyzwania projektowetemperatura oparta na termistorzeukładów pomiarowych, a także ich porównanie z układami pomiaru temperatury za pomocą termometru oporowego (RTD).Opisany zostanie także wybór termistora, kompromisy konfiguracyjne oraz znaczenie przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) typu sigma-delta w tym obszarze zastosowań.W drugim artykule szczegółowo opisano, jak zoptymalizować i ocenić ostateczny system pomiarowy oparty na termistorze.
Jak opisano w poprzedniej serii artykułów Optymalizacja systemów czujników temperatury RTD, RTD to rezystor, którego rezystancja zmienia się wraz z temperaturą.Termistory działają podobnie do czujników RTD.W przeciwieństwie do czujników RTD, które mają tylko dodatni współczynnik temperaturowy, termistor może mieć dodatni lub ujemny współczynnik temperaturowy.Termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) zmniejszają swoją rezystancję wraz ze wzrostem temperatury, natomiast termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) zwiększają swoją rezystancję wraz ze wzrostem temperatury.Na ryc.1 pokazuje charakterystykę reakcji typowych termistorów NTC i PTC i porównuje je z krzywymi RTD.
Jeśli chodzi o zakres temperatur, krzywa RTD jest prawie liniowa, a czujnik pokrywa znacznie szerszy zakres temperatur niż termistory (zwykle od -200°C do +850°C) ze względu na nieliniową (wykładniczą) naturę termistora.Czujniki RTD są zwykle dostarczane w postaci dobrze znanych, znormalizowanych krzywych, natomiast krzywe termistorów różnią się w zależności od producenta.Omówimy to szczegółowo w części tego artykułu poświęconej doborowi termistora.
Termistory są wykonane z materiałów kompozytowych, zwykle ceramiki, polimerów lub półprzewodników (zwykle tlenków metali) i czystych metali (platyna, nikiel lub miedź).Termistory mogą wykrywać zmiany temperatury szybciej niż czujniki RTD, zapewniając szybszą informację zwrotną.Dlatego termistory są powszechnie stosowane w czujnikach w zastosowaniach wymagających niskiego kosztu, małych rozmiarów, szybszej reakcji, wyższej czułości i ograniczonego zakresu temperatur, takich jak sterowanie elektroniką, kontrola domów i budynków, laboratoria naukowe lub kompensacja zimnego złącza w termoparach w zastosowaniach komercyjnych. lub zastosowań przemysłowych.cele.Aplikacje.
W większości przypadków do dokładnego pomiaru temperatury stosuje się termistory NTC, a nie termistory PTC.Dostępne są termistory PTC, które można stosować w obwodach zabezpieczenia nadprądowego lub jako bezpieczniki resetowalne w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem.Krzywa rezystancji i temperatury termistora PTC pokazuje bardzo mały obszar NTC przed osiągnięciem punktu przełączenia (lub punktu Curie), powyżej którego rezystancja gwałtownie wzrasta o kilka rzędów wielkości w zakresie kilku stopni Celsjusza.W warunkach przetężenia termistor PTC będzie generował silne samonagrzewanie po przekroczeniu temperatury przełączania, a jego rezystancja gwałtownie wzrośnie, co zmniejszy prąd wejściowy systemu, zapobiegając w ten sposób uszkodzeniu.Punkt przełączania termistorów PTC wynosi zazwyczaj od 60°C do 120°C i nie nadaje się do kontrolowania pomiarów temperatury w szerokim zakresie zastosowań.W tym artykule skupiono się na termistorach NTC, które zazwyczaj mogą mierzyć lub monitorować temperatury w zakresie od -80°C do +150°C.Termistory NTC mają rezystancję znamionową w zakresie od kilku omów do 10 MΩ w temperaturze 25°C.Jak pokazano na ryc.1, zmiana rezystancji na stopień Celsjusza w przypadku termistorów jest bardziej wyraźna niż w przypadku termometrów oporowych.W porównaniu z termistorami, wysoka czułość termistora i wysoka wartość rezystancji upraszczają jego obwody wejściowe, ponieważ termistory nie wymagają żadnej specjalnej konfiguracji okablowania, takiej jak 3- lub 4-przewodowa, w celu kompensacji rezystancji przewodu.Konstrukcja termistora wykorzystuje jedynie prostą konfigurację 2-przewodową.
Precyzyjny pomiar temperatury za pomocą termistora wymaga precyzyjnego przetwarzania sygnału, konwersji analogowo-cyfrowej, linearyzacji i kompensacji, jak pokazano na rys. 2.2.
Chociaż łańcuch sygnałowy może wydawać się prosty, istnieje kilka zawiłości, 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 przy projektowaniu systemów termicznych, ponieważ większość elementów potrzebnych do danej aplikacji jest wbudowana.Jednakże projektowanie i optymalizacja rozwiązań do pomiaru temperatury w oparciu o termistor wiąże się z różnymi wyzwaniami.
W artykule omówiono każdy z tych problemów i przedstawiono zalecenia dotyczące ich rozwiązania i dalszego uproszczenia procesu projektowania takich systemów.
Istnieje wiele różnychTermistory NTCdostępnych obecnie na rynku, więc wybór odpowiedniego termistora do danego zastosowania może być trudnym zadaniem.Należy pamiętać, że termistory są wymienione według ich wartości nominalnej, która jest ich nominalną rezystancją w temperaturze 25°C.Dlatego termistor 10 kΩ ma rezystancję nominalną 10 kΩ w temperaturze 25°C.Termistory mają nominalne lub podstawowe wartości rezystancji w zakresie od kilku omów do 10 MΩ.Termistory o niskiej rezystancji (nominalna rezystancja 10 kΩ lub mniej) zazwyczaj obsługują niższe zakresy temperatur, takie jak -50°C do +70°C.Termistory o wyższej rezystancji mogą wytrzymać temperatury do 300°C.
Element termistora wykonany jest z tlenku metalu.Termistory są dostępne w kształcie kuli, promieniowym i SMD.Kulki termistora są pokryte żywicą epoksydową lub szklaną kapsułką dla dodatkowej ochrony.Termistory kulkowe, termistory promieniowe i powierzchniowe z powłoką epoksydową nadają się do temperatur do 150°C.Termistory z kulkami szklanymi nadają się do pomiaru wysokich temperatur.Wszystkie rodzaje powłok/opakowania chronią również przed korozją.Niektóre termistory będą miały również dodatkowe obudowy dla dodatkowej ochrony w trudnych warunkach.Termistory koralikowe mają krótszy czas reakcji niż termistory promieniowe/SMD.Nie są jednak tak trwałe.Dlatego rodzaj użytego termistora zależy od końcowego zastosowania i środowiska, w którym termistor się znajduje.Długoterminowa stabilność termistora zależy od jego materiału, opakowania i konstrukcji.Na przykład termistor NTC z powłoką epoksydową może zmieniać się o 0,2°C rocznie, podczas gdy termistor uszczelniony zmienia się tylko o 0,02°C rocznie.
Termistory mają różną dokładność.Standardowe termistory mają zazwyczaj dokładność od 0,5°C do 1,5°C.Wartość rezystancji termistora i wartość beta (stosunek 25°C do 50°C/85°C) mają pewną tolerancję.Należy pamiętać, że wartość beta termistora różni się w zależności od producenta.Na przykład termistory NTC 10 kΩ różnych producentów będą miały różne wartości beta.W przypadku bardziej dokładnych systemów można zastosować termistory, takie jak seria Omega™ 44xxx.Charakteryzują się dokładnością 0,1°C lub 0,2°C w zakresie temperatur od 0°C do 70°C.Dlatego zakres temperatur, które można zmierzyć, oraz wymagana dokładność w tym zakresie temperatur określa, czy termistory nadają się do tego zastosowania.Należy pamiętać, że im wyższa dokładność serii Omega 44xxx, tym wyższy koszt.
Aby przeliczyć rezystancję na stopnie Celsjusza, zwykle używa się wartości beta.Wartość beta określa się, znając dwa punkty temperatury i odpowiadający im opór w każdym punkcie temperatury.
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 arkuszy danych termistora podaje wartość beta wraz z tolerancją rezystancji w temperaturze 25°C i tolerancją wartości beta.
Termistory o wyższej precyzji i rozwiązania o wysokiej precyzji zakończeń, takie jak seria Omega 44xxx, wykorzystują równanie Steinharta-Harta do przeliczania rezystancji na stopnie Celsjusza.Równanie 2 wymaga trzech stałych A, B i C, również dostarczonych przez producenta czujnika.Ponieważ współczynniki równania są generowane przy użyciu trzech punktów temperatury, powstałe równanie minimalizuje błąd wprowadzony przez linearyzację (zwykle 0,02 ° C).
A, B i C są stałymi wyprowadzonymi z trzech wartości zadanych temperatury.R = rezystancja termistora w omach T = temperatura w K stopniach
Na ryc.3 pokazuje aktualne wzbudzenie czujnika.Prąd sterujący jest doprowadzany do termistora i ten sam prąd jest przykładany do rezystora precyzyjnego;precyzyjny rezystor służy jako odniesienie do pomiaru.Wartość rezystora odniesienia musi być większa lub równa najwyższej wartości rezystancji termistora (w zależności od najniższej temperatury zmierzonej w układzie).
Przy wyborze prądu wzbudzenia należy ponownie wziąć pod uwagę maksymalną rezystancję termistora.Dzięki temu napięcie na czujniku i rezystorze odniesienia będzie zawsze na poziomie akceptowalnym przez elektronikę.Źródło prądu polowego wymaga pewnego zapasu mocy lub dopasowania wyjścia.Jeśli termistor ma wysoką rezystancję w najniższej mierzalnej temperaturze, będzie to skutkować bardzo niskim prądem sterującym.Dlatego napięcie generowane na termistorze w wysokiej temperaturze jest małe.Programowalne stopnie wzmocnienia można wykorzystać do optymalizacji pomiaru sygnałów o niskim poziomie.Jednakże wzmocnienie musi być programowane dynamicznie, ponieważ poziom sygnału z termistora zmienia się znacznie wraz z temperaturą.
Inną opcją jest ustawienie wzmocnienia, ale przy użyciu dynamicznego prądu sterującego.Dlatego też, gdy zmienia się poziom sygnału termistora, wartość prądu napędu zmienia się dynamicznie, tak że napięcie powstające na termistorze mieści się w określonym zakresie wejściowym urządzenia elektronicznego.Użytkownik musi upewnić się, że napięcie powstające na rezystorze odniesienia jest również na poziomie akceptowalnym przez elektronikę.Obie opcje wymagają wysokiego poziomu kontroli, ciągłego monitorowania napięcia na termistorze, aby elektronika mogła zmierzyć sygnał.Czy istnieje łatwiejsza opcja?Rozważ wzbudzenie napięciowe.
Kiedy do termistora przyłożone jest napięcie prądu stałego, prąd płynący przez termistor automatycznie skaluje się wraz ze zmianą rezystancji termistora.Teraz, używając precyzyjnego rezystora pomiarowego zamiast rezystora odniesienia, jego celem jest obliczenie prądu przepływającego przez termistor, umożliwiając w ten sposób obliczenie rezystancji termistora.Ponieważ napięcie sterujące jest również wykorzystywane jako sygnał odniesienia ADC, nie jest wymagany żaden stopień wzmocnienia.Procesor nie ma za zadanie monitorowania napięcia termistora, określania, czy poziom sygnału może zostać zmierzony przez elektronikę i obliczania, jaką wartość wzmocnienia/prądu napędu należy wyregulować.Jest to metoda zastosowana w tym artykule.
Jeśli termistor ma małą rezystancję i zakres rezystancji, można zastosować wzbudzenie napięciowe lub prądowe.W takim przypadku można ustalić prąd i wzmocnienie napędu.Zatem obwód będzie wyglądał tak, jak pokazano na rysunku 3. Metoda ta jest wygodna, ponieważ umożliwia kontrolowanie prądu przez czujnik i rezystor odniesienia, co jest cenne w zastosowaniach o małej mocy.Ponadto zminimalizowane jest samonagrzewanie termistora.
Wzbudzenie napięciem można również zastosować w przypadku termistorów o niskiej rezystancji.Jednakże użytkownik musi zawsze upewnić się, że prąd przepływający przez czujnik nie jest zbyt wysoki dla czujnika lub zastosowania.
Wzbudzenie napięciem upraszcza implementację w przypadku stosowania termistora o dużej rezystancji i szerokim zakresie temperatur.Większa rezystancja znamionowa zapewnia akceptowalny poziom prądu znamionowego.Projektanci muszą jednak zadbać o to, aby prąd był na akceptowalnym poziomie w całym zakresie temperatur obsługiwanym przez aplikację.
Przetworniki ADC Sigma-Delta oferują kilka korzyści przy projektowaniu systemu pomiaru termistora.Po pierwsze, ponieważ przetwornik ADC typu sigma-delta ponownie próbkuje wejście analogowe, filtrowanie zewnętrzne jest ograniczone do minimum, a jedynym wymaganiem jest prosty filtr RC.Zapewniają elastyczność w zakresie typu filtra i wyjściowej szybkości transmisji.Wbudowane filtrowanie cyfrowe może służyć do tłumienia wszelkich zakłóceń w urządzeniach zasilanych z sieci.Urządzenia 24-bitowe, takie jak AD7124-4/AD7124-8, mają pełną rozdzielczość do 21,7 bitów, dzięki czemu zapewniają wysoką rozdzielczość.
Zastosowanie przetwornika ADC sigma-delta znacznie upraszcza konstrukcję termistora, jednocześnie zmniejszając specyfikację, koszt systemu, miejsce na płytce i czas wprowadzenia na rynek.
W tym artykule zastosowano AD7124-4/AD7124-8 jako przetwornik ADC, ponieważ są to precyzyjne przetworniki ADC o niskim poziomie szumów, niskim natężeniu prądu i wbudowanym PGA, wbudowanym sygnale odniesienia, wejściu analogowym i buforze odniesienia.
Niezależnie od tego, czy używany jest prąd przemiennika, czy napięcie przemiennika, zalecana jest konfiguracja współczynnikowa, w której napięcie odniesienia i napięcie czujnika pochodzą z tego samego źródła przemiennika.Oznacza to, że jakakolwiek zmiana źródła wzbudzenia nie będzie miała wpływu na dokładność pomiaru.
Na ryc.5 pokazuje stały prąd sterujący termistora i rezystora precyzyjnego RREF, napięcie powstałe na RREF jest napięciem odniesienia do pomiaru termistora.
Prąd pola nie musi być dokładny i może być mniej stabilny, ponieważ w tej konfiguracji wszelkie błędy w prądzie pola zostaną wyeliminowane.Ogólnie rzecz biorąc, wzbudzenie prądowe jest preferowane w stosunku do wzbudzenia napięciowego ze względu na lepszą kontrolę czułości i lepszą odporność na zakłócenia, gdy czujnik jest umieszczony w odległych lokalizacjach.Ten typ metody polaryzacji jest zwykle stosowany w przypadku czujników RTD lub termistorów o niskich wartościach rezystancji.Jednakże w przypadku termistora o większej wartości rezystancji i wyższej czułości poziom sygnału generowanego przy każdej zmianie temperatury będzie większy, 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 wynoszący 50 µA zapewniany przez AD7124-4/AD7124-8 generuje 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, co jest zbyt wysokie i wykracza poza zakres roboczy większości dostępnych przetworników ADC stosowanych w tym obszarze zastosowań.Termistory są zwykle podłączane lub umieszczane w pobliżu elektroniki, więc odporność na prąd sterujący nie jest wymagana.
Dodanie rezystora czujnikowego szeregowo jako obwodu dzielnika napięcia ograniczy prąd płynący przez termistor do minimalnej wartości rezystancji.W tej konfiguracji wartość rezystora czujnikowego 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 Podobnie, jeśli używany jest termistor 10 kΩ i rezystancja 10 kΩ w temperaturze 25°C, wartość RSENSE powinna wynosić 10 kΩ.Wraz ze zmianą temperatury zmienia się również rezystancja termistora NTC, zmienia się także stosunek napięcia sterującego na termistorze, w wyniku czego napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do rezystancji termistora NTC.
Jeśli wybrane napięcie odniesienia używane do zasilania termistora i/lub RSENSE odpowiada napięciu odniesienia ADC użytemu do pomiaru, system jest ustawiony na pomiar współczynnikowy (rysunek 7), tak aby wszelkie źródło napięcia związane z błędem wzbudzenia zostało obciążone i usunięte.
Należy zauważyć, że rezystor czujnikowy (napędzany napięciem) lub rezystor odniesienia (napędzany prądem) powinien mieć niską tolerancję początkową i niski dryft, ponieważ obie zmienne mogą mieć wpływ na dokładność całego systemu.
W przypadku stosowania wielu termistorów można zastosować jedno napięcie wzbudzenia.Jednakże każdy termistor musi mieć swój własny precyzyjny rezystor wykrywający, jak pokazano na rys.8. Inną opcją jest zastosowanie zewnętrznego multipleksera lub przełącznika niskooporowego w stanie włączonym, co pozwala na współdzielenie jednego rezystora precyzyjnego.W tej konfiguracji każdy termistor potrzebuje pewnego czasu na ustabilizowanie się podczas pomiaru.
Podsumowując, projektując system pomiaru temperatury oparty na termistorze, należy wziąć pod uwagę wiele pytań: wybór czujnika, okablowanie czujnika, kompromis w wyborze komponentów, konfiguracja przetwornika ADC i wpływ tych różnych zmiennych na ogólną dokładność systemu.Następny artykuł z tej serii wyjaśnia, jak zoptymalizować projekt systemu i ogólny budżet błędów systemu, aby osiągnąć docelową wydajność.
Czas publikacji: 30 września 2022 r