Ова е прва статија од серијата од два дела. Оваа статија најпрво ќе разговара за историјата и дизајнерските предизвици натемпература базирана на термистормерни системи, како и нивна споредба со системите за мерење на температурата со отпорен термометар (RTD). Исто така, ќе го опише изборот на термистор, компромисите за конфигурација и важноста на сигма-делта аналогно-дигитални конвертори (ADC) во оваа област на примена. Втората статија ќе детализира како да се оптимизира и оцени финалниот систем за мерење базиран на термистор.
Како што е опишано во претходната серија написи, Оптимизирање на RTD температурни сензорски системи, RTD е отпорник чиј отпор варира со температурата. Термисторите работат слично како и RTD. За разлика од RTD, кои имаат само позитивен температурен коефициент, термисторот може да има позитивен или негативен температурен коефициент. Термисторите со негативен температурен коефициент (NTC) ја намалуваат нивната отпорност како што се зголемува температурата, додека термисторите со позитивен температурен коефициент (PTC) ја зголемуваат својата отпорност со зголемувањето на температурата. На сл. 1 ги прикажува карактеристиките на одговорот на типичните термистори NTC и PTC и ги споредува со кривите RTD.
Во однос на температурниот опсег, кривата RTD е речиси линеарна, а сензорот покрива многу поширок температурен опсег од термисторите (обично -200°C до +850°C) поради нелинеарната (експоненцијална) природа на термисторот. RTD обично се обезбедуваат во добро познати стандардизирани кривини, додека кривите на термистор се разликуваат од производителот. За ова детално ќе разговараме во делот за водич за избор на термистор од овој напис.
Термисторите се направени од композитни материјали, обично керамика, полимери или полупроводници (обично метални оксиди) и чисти метали (платина, никел или бакар). Термисторите можат да детектираат температурни промени побрзо од RTD, обезбедувајќи побрза повратна информација. Затоа, термисторите најчесто се користат од сензори во апликации кои бараат ниска цена, мала големина, побрз одговор, поголема чувствителност и ограничен опсег на температура, како што се контрола на електрониката, контрола на домот и зградата, научни лаборатории или компензација на ладна спојка за термопарови во комерцијални или индустриски апликации. цели. Апликации.
Во повеќето случаи, NTC термисторите се користат за точно мерење на температурата, а не PTC термисторите. Достапни се некои PTC термистори кои можат да се користат во кола за заштита од прекумерна струја или како осигурувачи за ресетирање за безбедносни апликации. Кривата отпор-температура на PTC термистор покажува многу мал регион NTC пред да се достигне преклопната точка (или точка Кири), над која отпорот нагло се зголемува за неколку реда на големина во опсег од неколку степени Целзиусови. Во услови на прекумерна струја, термисторот PTC ќе генерира силно самозагревање кога ќе се надмине температурата на префрлување, а неговиот отпор нагло ќе се зголеми, што ќе ја намали влезната струја во системот, а со тоа ќе спречи оштетување. Точката на префрлување на PTC термисторите е типично помеѓу 60°C и 120°C и не е погодна за контролирање на мерењата на температурата во широк опсег на апликации. Оваа статија се фокусира на термисторите NTC, кои обично можат да мерат или следат температури кои се движат од -80°C до +150°C. Термисторите NTC имаат оценки на отпор кои се движат од неколку оми до 10 MΩ на 25°C. Како што е прикажано на сл. 1, промената на отпорот по Целзиусов степен кај термисторите е поизразена отколку кај отпорните термометри. Во споредба со термисторите, високата чувствителност и вредноста на високата отпорност на термисторот го поедноставуваат неговото влезно коло, бидејќи на термисторите не им е потребна посебна конфигурација на жици, како што се 3-жици или 4-жици, за да се компензира отпорноста на оловото. Дизајнот на термисторот користи само едноставна конфигурација со 2 жици.
Високопрецизното мерење на температурата базирано на термистор бара прецизна обработка на сигналот, конверзија од аналогно во дигитално, линеаризација и компензација, како што е прикажано на сл. 2.
Иако синџирот на сигналот може да изгледа едноставен, постојат неколку сложености кои влијаат на големината, цената и перформансите на целата матична плоча. Прецизното портфолио на ADC на ADI вклучува неколку интегрирани решенија, како што е AD7124-4/AD7124-8, кои обезбедуваат бројни предности за дизајнот на термичкиот систем бидејќи повеќето градежни блокови потребни за апликација се вградени. Сепак, постојат различни предизвици во дизајнирањето и оптимизирањето на решенијата за мерење на температурата базирани на термистор.
Оваа статија го разгледува секое од овие прашања и дава препораки за нивно решавање и дополнително поедноставување на процесот на дизајнирање за такви системи.
Постојат широк спектар наNTC термисторина пазарот денес, па изборот на вистинскиот термистор за вашата апликација може да биде застрашувачка задача. Забележете дека термисторите се наведени според нивната номинална вредност, што е нивниот номинален отпор на 25°C. Затоа, термистор од 10 kΩ има номинален отпор од 10 kΩ на 25°C. Термисторите имаат номинални или основни вредности на отпор кои се движат од неколку оми до 10 MΩ. Термисторите со низок отпор (номинален отпор од 10 kΩ или помалку) обично поддржуваат пониски температурни опсези, како што се -50°C до +70°C. Термисторите со повисоки оценки за отпор можат да издржат температури до 300°C.
Елементот на термисторот е направен од метал оксид. Термисторите се достапни во топчести, радијални и SMD форми. Термисторските мониста се обложени со епоксидна обвивка или стаклени во капсули за дополнителна заштита. Топчести термистори со епоксидна облога, радијални и површински термистори се погодни за температури до 150°C. Термистори од стаклени мониста се погодни за мерење високи температури. Сите видови на премази/пакување исто така штитат од корозија. Некои термистори ќе имаат и дополнителни куќишта за дополнителна заштита во сурови средини. Термисторите со мониста имаат побрзо време на одговор од радијалните/SMD термисторите. Сепак, тие не се толку издржливи. Затоа, типот на употребениот термистор зависи од крајната примена и околината во која се наоѓа термисторот. Долгорочната стабилност на термисторот зависи од неговиот материјал, пакување и дизајн. На пример, NTC термистор обложен со епоксидна облога може да се менува за 0,2°C годишно, додека запечатен термистор менува само 0,02°C годишно.
Термисторите доаѓаат со различна точност. Стандардните термистори обично имаат точност од 0,5°C до 1,5°C. Оценката за отпорност на термисторот и бета вредноста (однос од 25°C до 50°C/85°C) имаат толеранција. Забележете дека бета вредноста на термисторот варира во зависност од производителот. На пример, 10 kΩ NTC термистори од различни производители ќе имаат различни бета вредности. За попрецизни системи, може да се користат термистори како што е серијата Omega™ 44xxx. Тие имаат точност од 0,1°C или 0,2°C во температурен опсег од 0°C до 70°C. Затоа, опсегот на температури што може да се измери и точноста потребна во тој температурен опсег одредува дали термисторите се соодветни за оваа апликација. Имајте предвид дека колку е поголема точноста на серијата Omega 44xxx, толку е поголема цената.
За конвертирање на отпорот во степени Целзиусови, обично се користи бета вредноста. Бета вредноста се одредува со познавање на двете температурни точки и соодветниот отпор во секоја температурна точка.
RT1 = Температурен отпор 1 RT2 = Температурен отпор 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Корисникот ја користи бета вредноста најблиску до температурниот опсег што се користи во проектот. Повеќето листови со податоци за термисторот наведуваат бета вредност заедно со толеранција на отпор на 25°C и толеранција за бета вредност.
Термистори со поголема прецизност и решенија за завршување со висока прецизност, како што е серијата Omega 44xxx, ја користат равенката Steinhart-Hart за да го претворат отпорот во степени Целзиусови. Равенката 2 бара три константи A, B и C, повторно обезбедени од производителот на сензорот. Бидејќи коефициентите на равенките се генерираат со користење на три температурни точки, добиената равенка ја минимизира грешката воведена со линеаризација (обично 0,02 °C).
A, B и C се константи добиени од три температурни поставки. R = отпорност на термисторот во оми T = температура во К степени
На сл. 3 го прикажува моменталното возбудување на сензорот. Погонската струја се применува на термисторот и истата струја се применува на прецизниот отпорник; како референца за мерење се користи прецизен отпорник. Вредноста на референтниот отпорник мора да биде поголема или еднаква на највисоката вредност на отпорот на термисторот (во зависност од најниската температура измерена во системот).
При изборот на струјата на возбудување, повторно мора да се земе предвид максималниот отпор на термисторот. Ова осигурува дека напонот преку сензорот и референтниот отпорник е секогаш на ниво прифатливо за електрониката. Тековниот извор на теренот бара одредено совпаѓање на просторот за глава или излезот. Ако термисторот има висок отпор при најниската мерлива температура, тоа ќе резултира со многу мала погонска струја. Затоа, напонот што се создава преку термисторот при висока температура е мал. Програмабилните фази на засилување може да се користат за оптимизирање на мерењето на овие сигнали на ниско ниво. Сепак, засилувањето мора да се програмира динамички бидејќи нивото на сигналот од термисторот многу варира со температурата.
Друга опција е да го поставите засилувањето, но да користите динамична струја на погонот. Затоа, како што се менува нивото на сигналот од термисторот, вредноста на погонската струја динамички се менува така што напонот развиен низ термисторот е во наведениот влезен опсег на електронскиот уред. Корисникот мора да осигура дека напонот развиен преку референтниот отпорник е исто така на ниво прифатливо за електрониката. И двете опции бараат високо ниво на контрола, постојано следење на напонот преку термисторот за да може електрониката да го мери сигналот. Дали има полесна опција? Размислете за возбудување на напонот.
Кога еднонасочен напон се применува на термисторот, струјата низ термисторот автоматски се намалува како што се менува отпорот на термисторот. Сега, користејќи прецизен мерен отпорник наместо референтен отпорник, неговата цел е да ја пресмета струјата што тече низ термисторот, со што ќе овозможи да се пресмета отпорот на термисторот. Бидејќи погонскиот напон се користи и како референтен сигнал за ADC, не е потребна фаза на засилување. Процесорот нема задача да го следи напонот на термисторот, да одредува дали нивото на сигналот може да се мери со електрониката и да пресметува која погонска добивка/струја вредност треба да се прилагоди. Ова е методот што се користи во оваа статија.
Ако термисторот има мал рејтинг на отпор и опсег на отпор, може да се користи побудување на напон или струја. Во овој случај, струјата и засилувањето на погонот може да се поправат. Така, колото ќе биде како што е прикажано на слика 3. Овој метод е погоден по тоа што е можно да се контролира струјата преку сензорот и референтниот отпорник, што е вредно за апликации со мала моќност. Покрај тоа, само-загревањето на термисторот е минимизирано.
Побудувањето на напон може да се користи и за термистори со низок отпор. Сепак, корисникот мора секогаш да се погрижи струјата низ сензорот да не е превисока за сензорот или апликацијата.
Побудувањето на напонот ја поедноставува имплементацијата кога се користи термистор со голем рејтинг на отпор и широк температурен опсег. Поголемиот номинален отпор обезбедува прифатливо ниво на номинална струја. Сепак, дизајнерите треба да обезбедат струјата да е на прифатливо ниво во целиот температурен опсег поддржан од апликацијата.
Sigma-Delta ADCs нудат неколку предности при дизајнирање на систем за мерење на термистор. Прво, затоа што сигма-делта ADC го ресемплира аналогниот влез, надворешното филтрирање е сведено на минимум и единствениот услов е едноставен RC филтер. Тие обезбедуваат флексибилност во видот на филтерот и брзината на излезна бауд. Вграденото дигитално филтрирање може да се користи за да се потиснат какви било пречки во уредите што се напојуваат со електрична енергија. 24-битните уреди како што се AD7124-4/AD7124-8 имаат целосна резолуција до 21,7 бита, така што обезбедуваат висока резолуција.
Употребата на сигма-делта ADC во голема мера го поедноставува дизајнот на термисторот додека ги намалува спецификациите, трошоците на системот, просторот на плочата и времето на пазарот.
Оваа статија го користи AD7124-4/AD7124-8 како ADC бидејќи тие се ADC со низок шум, мала струја, прецизни со вградена PGA, вградена референца, аналоген влез и референтен бафер.
Без оглед на тоа дали користите струја или напон на погонот, се препорачува рациометриска конфигурација во која референтниот напон и напонот на сензорот доаѓаат од истиот извор на погонот. Ова значи дека секоја промена во изворот на возбуда нема да влијае на точноста на мерењето.
На сл. 5 ја покажува константната погонска струја за термисторот и прецизниот отпорник RREF, напонот развиен преку RREF е референтниот напон за мерење на термисторот.
Струјата на полето не треба да биде точна и може да биде помалку стабилна бидејќи сите грешки во струјата на теренот ќе бидат елиминирани во оваа конфигурација. Општо земено, сегашното возбудување се претпочита над возбудувањето на напонот поради супериорната контрола на чувствителноста и подобрата отпорност на бучава кога сензорот се наоѓа на оддалечени локации. Овој тип на метод на пристрасност обично се користи за RTD или термистори со ниски вредности на отпор. Меѓутоа, за термистор со поголема вредност на отпорот и поголема чувствителност, нивото на сигналот генерирано од секоја промена на температурата ќе биде поголемо, па затоа се користи напонско возбудување. На пример, термистор од 10 kΩ има отпор од 10 kΩ на 25°C. На -50°C, отпорот на термисторот NTC е 441,117 kΩ. Минималната погонска струја од 50 µA обезбедена од AD7124-4/AD7124-8 генерира 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, што е превисоко и надвор од опсегот на работа на повеќето достапни ADC што се користат во оваа област на апликација. Термисторите, исто така, обично се поврзуваат или се наоѓаат во близина на електрониката, така што не е потребен имунитет на погонската струја.
Додавањето на сетилен отпорник во серија како коло за делител на напон ќе ја ограничи струјата низ термисторот на нејзината минимална вредност на отпор. Во оваа конфигурација, вредноста на сетилниот отпорник RSENSE мора да биде еднаква на вредноста на отпорот на термисторот при референтна температура од 25°C, така што излезниот напон ќе биде еднаков на средната точка на референтниот напон на неговата номинална температура од 25°CC Слично, ако се користи термистор од 10 kΩ со отпор од 10 kΩ на 25°C, RSENSE треба да биде 10 kΩ. Како што се менува температурата, се менува и отпорот на термисторот NTC, а се менува и односот на погонскиот напон низ термисторот, што резултира со тоа што излезниот напон е пропорционален на отпорот на термисторот NTC.
Ако избраната референца на напон што се користи за напојување на термисторот и/или RSENSE се совпаѓа со референтниот напон на ADC што се користи за мерење, системот е поставен на ратиометриско мерење (слика 7), така што секој извор на напон на грешка поврзан со возбудата ќе биде пристрасен да се отстрани.
Забележете дека или сетилниот отпор (напонски управуван) или референтниот отпорник (придвижуван од струја) треба да имаат ниска почетна толеранција и мал нанос, бидејќи и двете променливи можат да влијаат на точноста на целиот систем.
Кога користите повеќе термистори, може да се користи еден возбуден напон. Сепак, секој термистор мора да има свој отпорник за прецизност, како што е прикажано на сл. 8. Друга опција е да се користи надворешен мултиплексер или прекинувач со низок отпор во состојба на вклучено, што овозможува споделување на еден прецизен отпорник. Со оваа конфигурација, на секој термистор му треба одредено време на таложење кога се мери.
Накратко, при дизајнирање на систем за мерење температура базиран на термистор, треба да се земат предвид многу прашања: избор на сензор, поврзување на сензорот, компромиси за избор на компоненти, конфигурација на ADC и како овие различни променливи влијаат на целокупната точност на системот. Следната статија од оваа серија објаснува како да го оптимизирате дизајнот на вашиот систем и целокупниот буџет за системски грешки за да ги постигнете целните перформанси.
Време на објавување: 30-септември 2022 година