Оптимизирање на системи за мерење на температура базирани на термистор: Предизвик

Ова е првата статија од серија од два дела. Оваа статија прво ќе ги разгледа историјата и дизајнерските предизвици натемпература базирана на термистормерни системи, како и нивна споредба со системи за мерење на температура со отпорен термометар (RTD). Исто така, ќе се опише изборот на термистор, компромисите во конфигурацијата и важноста на сигма-делта аналогно-дигиталните конвертори (ADC) во оваа област на примена. Втората статија ќе детално објасни како да се оптимизира и оцени конечниот систем за мерење базиран на термистор.
Како што е опишано во претходната серија статии, Оптимизирање на RTD системи за температурни сензори, RTD е отпорник чиј отпор варира со температурата. Термисторите работат слично на 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) го намалуваат својот отпор како што температурата се зголемува, додека термисторите со позитивен температурен коефициент (PTC) го зголемуваат својот отпор како што температурата се зголемува. На сл. 1 се прикажани карактеристиките на одзив на типични NTC и PTC термистори и се споредуваат со RTD кривите.
Во однос на температурниот опсег, кривата RTD е речиси линеарна, а сензорот покрива многу поширок температурен опсег од термисторите (обично од -200°C до +850°C) поради нелинеарната (експоненцијална) природа на термисторот. RTD обично се испорачуваат во добро познати стандардизирани криви, додека кривите на термисторот варираат во зависност од производителот. Ќе го разгледаме ова детално 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 температурен опсег, како што се контрола на електроника, контрола на домови и згради, научни лаборатории или компензација на ладни споеви за термопарови во комерцијални или индустриски апликации. Примени.
Во повеќето случаи, NTC термисторите се користат за прецизно 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 што може да се ресетираат за безбедносни апликации. Кривата на отпор-температура на PTC термисторот покажува многу мал NTC регион пред да ја достигне точката на префрлување (или точката на Кири), над која отпорот нагло се зголемува за неколку реда на големина во опсег од неколку степени Целзиусови. Под услови на прекумерна струја, PTC термисторот 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, со што ќе се спречи оштетување. Точката на префрлување на PTC термисторите е обично помеѓу 60°C и 120°C и не е погодна за контрола на мерењата на температурата во широк опсег на апликации. Оваа статија се фокусира на NTC термисторите, кои обично можат да мерат или следат температури во опсег од -80°C до +150°C. NTC термисторите имаат номинална отпорност што се движи од неколку оми до 10 MΩ на 25°C. Како што е прикажано на сл. 1, промената на отпорот по степен Целзиус кај термисторите е поизразена отколку кај отпорните термометри. Во споредба со термисторите, високата чувствителност и високата вредност на отпорот на термисторот го поедноставуваат неговото влезно коло, бидејќи термисторите не бараат никаква посебна конфигурација на жици, како што се 3-жични или 4-жични, за да се компензира отпорот на водовите. Дизајнот на термисторот користи само едноставна конфигурација од 2 жици.
Мерењето на температурата со висока прецизност базирано на термистор бара прецизна обработка на сигналот, аналогно-дигитална конверзија, линеаризација и компензација, како што е прикажано на сл. 2.
Иако синџирот на сигнали може да изгледа едноставно, постојат неколку сложености што влијаат на големината, цената и перформансите на целата матична плоча. Портфолиото на прецизни ADC конвертори на ADI вклучува неколку интегрирани решенија, како што се AD7124-4/AD7124-8, кои обезбедуваат голем број предности за дизајнирање на термички систем бидејќи повеќето градежни блокови потребни за апликација се вградени. Сепак, постојат различни предизвици при дизајнирањето и оптимизирањето на решенијата за мерење на температура базирани на термистор.
Оваа статија ги разгледува сите овие проблеми и дава препораки за нивно решавање и понатамошно поедноставување на процесот на дизајнирање на вакви системи.
Постои широк спектар наNTC термисторина пазарот денес, па затоа изборот на вистинскиот термистор за вашата апликација може да биде тешка задача. Забележете дека термисторите се наведени според нивната номинална вредност, што е нивниот номинален отпор на 25°C. Затоа, термисторот од 10 kΩ има номинален отпор од 10 kΩ на 25°C. Термисторите имаат номинални или основни вредности на отпорот кои се движат од неколку оми до 10 MΩ. Термисторите со ниски номинални вредности на отпорот (номинален отпор од 10 kΩ или помалку) обично поддржуваат пониски температурни опсези, како што се од -50°C до +70°C. Термисторите со повисоки номинални вредности на отпорот можат да издржат температури до 300°C.
Термисторот е направен од метален оксид. Термисторите се достапни во топчеста, радијална и SMD форма. Термисторските перли се обложени со епоксидна обвивка или се капсулирани со стакло за дополнителна заштита. Топчестите термистори со епоксидна обвивка, радијалните и површинските термистори се погодни за температури до 150°C. Термисторите со стаклени перли се погодни за мерење на високи температури. Сите видови премази/пакување исто така штитат од корозија. Некои термистори ќе имаат и дополнителни куќишта за дополнителна заштита во сурови средини. Термисторите со перли имаат побрзо време на одзив од радијалните/SMD термисторите. Сепак, тие не се толку издржливи. Затоа, типот на термисторот што се користи 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 со епоксидна обвивка може да се менува за 0,2°C годишно, додека запечатениот термистор се менува само за 0,02°C годишно.
Термисторите се достапни со различна точност. Стандардните термистори обично имаат точност од 0,5°C до 1,5°C. Оценката на отпорот 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 поточни 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 можат да се измерат и точноста што е потребна во тој температурен опсег одредуваат дали термисторите се соодветни за оваа апликација. Ве молиме имајте предвид дека колку е поголема точноста на серијата Omega 44xxx, толку е поголема цената.
За претворање на отпорот во степени Целзиусови, обично се користи бета вредноста. Бета вредноста се одредува со познавање на двете температурни точки и соодветниот отпор на секоја температурна точка.
RT1 = Отпорност на температура 1 RT2 = Отпорност на температура 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Корисникот ја користи бета вредноста најблиску до температурниот опсег што се користи во проектот. Повеќето термисториски листови со податоци ја наведуваат бета вредноста заедно со толеранција на отпор на 25°C и толеранција за бета вредноста.
Термисторите со поголема прецизност и решенијата за терминација со поголема прецизност, како што е серијата Omega 44xxx, ја користат равенката Штајнхарт-Харт за претворање на отпорот во степени Целзиусови. Равенката 2 бара три константи A, B и C, повторно обезбедени од производителот на сензорот. Бидејќи коефициентите на равенката 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 зададени температурни вредности. R = отпор на термисторот во оми T = температура во K степени
На сл. 3 е прикажана струјата на возбудување на сензорот. На термисторот се применува струја на погон, а истата струја се применува и на прецизниот отпорник; прецизен отпорник се користи како референца за мерење. Вредноста на референтниот отпорник мора да биде поголема или еднаква на највисоката вредност на отпорот на термисторот (во зависност од најниската измерена температура во системот).
При изборот на струјата на побудување, 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. Изворот на струја на полето бара одреден простор за поврзување или усогласување на излезот. Ако термисторот има висок отпор на најниската мерлива температура, ова ќе резултира со многу ниска струја на погон. Затоа, напонот генериран преку термисторот на 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 варира многу со температурата.
Друга опција е да се постави засилувањето, но да се користи динамичка струја на погонот. Затоа, како што се менува нивото на сигналот од термисторот, вредноста на струјата на погонот се менува динамички, така што напонот развиен преку термисторот е во рамките на наведениот влезен опсег на електронскиот уред. Корисникот мора да се 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, така што електрониката може да го измери сигналот. Дали постои полесна опција? Размислете за возбудување на напонот.
Кога на термисторот се применува еднонасочен напон, струјата низ термисторот автоматски се скалира како што се менува отпорот на термисторот. Сега, користејќи отпорник за прецизно мерење наместо референтен отпорник, неговата цел е да ја пресмета струјата што тече низ термисторот, со што се овозможува пресметување на отпорот на термисторот. Бидејќи напонот на погонот се користи и како референтен сигнал на ADC, не е потребен степен на засилување. Процесорот нема задача да го следи напонот на термисторот, да утврдува дали нивото на сигналот може да се мери со електрониката и да пресметува која вредност на засилувањето/струјата на погонот треба да се прилагоди. Ова е методот што се користи во овој напис.
Ако термисторот има мал отпорен номинален опсег и опсег на отпор, може да се користи возбудување со напон или струја. Во овој случај, струјата на погонот и засилувањето можат да бидат фиксирани. 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 во апликации со мала моќност. Покрај тоа, самозагревањето на термисторот е минимизирано.
Напонското возбудување може да се користи и за термистори со низок отпор. Сепак, корисникот секогаш мора да се осигура дека струјата низ сензорот не е превисока за сензорот или апликацијата.
Напонското возбудување ја поедноставува имплементацијата кога се користи термистор со голем отпор и широк температурен опсег. Поголемиот номинален отпор обезбедува прифатливо ниво на номинална струја. Сепак, дизајнерите треба да се осигурат дека струјата е на прифатливо ниво во целиот температурен опсег поддржан од апликацијата.
Сигма-Делта аналогно-дигиталните конвертори нудат неколку предности при дизајнирање на систем за мерење на термистор. Прво, бидејќи сигма-Делта аналогното дигитално конверторно ...
Употребата на сигма-делта аналоген конвертор (ADC) во голема мера го поедноставува дизајнот на термисторот, а воедно ги намалува спецификациите, трошоците на системот, просторот на плочата и времето до пласирање на пазарот.
Оваа статија го користи AD7124-4/AD7124-8 како аналогно-дигитален конвертор (ADC) бидејќи тие се прецизни аналогно-дигитални конвертори со низок шум, ниска струја и вградена PGA, вградена референца, аналоген влез и референтен бафер.
Без разлика дали користите струја на погон или напон на погон, се препорачува рациометриска конфигурација во која референтниот напон и напонот на сензорот доаѓаат од истиот извор на погон. Ова значи дека секоја промена во изворот на побудување нема да влијае на точноста на мерењето.
На сл. 5 е прикажана константната струја на погон за термисторот и прецизниот отпорник RREF, напонот развиен преку RREF е референтниот напон за мерење на термисторот.
Струјата на полето не мора да биде точна и може да биде помалку стабилна бидејќи сите грешки во струјата на полето ќе бидат елиминирани во оваа конфигурација. Општо земено, струјното возбудување е подобро од напонското возбудување поради супериорна контрола на чувствителноста и подобар имунитет на бучава кога сензорот е лоциран на оддалечени локации. Овој тип на метод на пристрасност обично се користи за RTD или термистори со ниски вредности на отпор. Сепак, за термистор со поголема вредност на отпор и поголема чувствителност, нивото на сигнал 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 NTC термисторот е 441,117 kΩ. Минималната струја на погон од 50 µA обезбедена од AD7124-4/AD7124-8 генерира 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, што е превисоко и надвор од работниот опсег на повеќето достапни аналогно-дигитални конвертори што се користат во оваа област на примена. Термисторите исто така обично се поврзани или се наоѓаат во близина на електрониката, па затоа не е потребен имунитет на струја на погон.
Додавањето на отпорник за мерење во сериска врска како коло за делење на напон ќе ја ограничи струјата низ термисторот на неговата минимална вредност на отпор. Во оваа конфигурација, вредноста на отпорникот за мерење RSENSE мора да биде еднаква на вредноста на отпорот на термисторот на 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 NTC термисторот, а се менува и односот на напонот на погонот низ термисторот, што резултира со тоа што излезниот напон е пропорционален на отпорот на NTC термисторот.
Ако избраниот референтен 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 рационометриско мерење (Слика 7), така што секој извор на напон на грешка поврзан со возбудување ќе биде поларизиран за да се отстрани.
Забележете дека или сензорскиот отпорник (управуван од напон) или референтниот отпорник (управуван од струја) треба да имаат ниска почетна толеранција и мало отстапување, бидејќи обете променливи можат да влијаат на точноста на целиот систем.
Кога се користат повеќе термистори, може да се користи еден напон на побудување. Сепак, секој термистор мора да има свој отпорник за прецизна детекција, како што е прикажано на сл. 8. Друга опција е да се користи надворешен мултиплексер или прекинувач со низок отпор во вклучена состојба, што овозможува споделување на еден отпорник за прецизна детекција. Со оваа конфигурација, на секој термистор му е потребно одредено време за стабилизирање при мерењето.
Накратко, при дизајнирање на систем за мерење на температура базиран на термистор, треба да се земат предвид многу прашања: избор на сензор, поврзување на сензорот, компромиси при избор на компоненти, конфигурација на аналогно-дигитален контролер и како овие различни варијабли влијаат врз целокупната точност на системот. Следната статија од оваа серија објаснува како да го оптимизирате дизајнот на вашиот систем и вкупниот буџет за системски грешки за да ги постигнете вашите целни перформанси.