Ова е прв напис во серија од два дела. Оваа статија најпрво ќе разговара за историјата и предизвиците за дизајнот наТемпература базирана на термисторСистеми за мерење, како и нивната споредба со системите за мерење на температурата на термометарот на отпорност (RTD). Исто така, ќе го опише изборот на термистор, размена на конфигурација и важноста на сигма-делта аналогни-дигитални конвертори (АДЦ) во оваа област на апликација. Вториот напис ќе детализира како да се оптимизира и оценува конечниот систем за мерење базиран на термистор.
Како што е опишано во претходната серија на статии, оптимизирање на системите за сензор за температура на РТД, РТД е отпорник чиј отпор варира со температурата. Термисторите работат слично на РТД. За разлика од РТД, кои имаат само позитивен температурен коефициент, термистор може да има позитивен или негативен температурен коефициент. Термисторите на негативен температурен коефициент (NTC) ја намалуваат нивната отпорност како што се зголемува температурата, додека термисторите на позитивниот температурен коефициент (PTC) ја зголемуваат нивната отпорност како што се зголемува температурата. На сл. 1 ги покажува карактеристиките на одговор на типичните термистори NTC и PTC и ги споредува со кривините на RTD.
Во однос на температурниот опсег, кривата RTD е скоро линеарна, а сензорот опфаќа многу поширок опсег на температура од термисторите (обично -200 ° C до +850 ° C) заради нелинеарната (експоненцијална) природа на термисторот. РТД обично се обезбедуваат во добро познати стандардизирани криви, додека кривините на термисторот се разликуваат според производителот. Ова ќе разговараме детално во делот за водич за избор на термисторот на 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 ги детектираат температурните промени побрзо од РТД, обезбедувајќи побрзи повратни информации. Затоа, термисторите најчесто се користат од сензори во апликации за кои е потребна мала цена, мала големина, побрз одговор, поголема чувствителност и ограничен опсег на температура, како што се контрола на електроника, контрола на домови и згради, научни лаборатории или компензација на ладен спој за термопарки во комерцијални или индустриски апликации. цели. Апликации.
Во повеќето случаи, термисторите на NTC се користат за точно мерење на температурата, а не за PTC термистори. Некои термистори на ПТЦ се достапни што можат да се користат во кола за заштита од прекумерна струја или како осигурувачи за ресетирање за безбедносни апликации. Кривата на отпорност-температура на термисторот PTC покажува многу мал регион NTC пред да стигнете до точката на прекинувачот (или точката на кури), над која отпорот нагло се крева за неколку нарачки со големина во опсег на неколку Целзиусови степени. Во услови на прекумерна употреба, термисторот PTC ќе генерира силно само-загревање кога ќе се надмине температурата на префрлување, а неговата отпорност ќе се зголеми нагло, што ќе ја намали влезната струја во системот, со што ќе се спречи оштетување. Точката на префрлување на термисторите PTC е обично помеѓу 60 ° C и 120 ° C и не е погодна за контролирање на мерењата на температурата во широк спектар на апликации. Оваа статија се фокусира на термисторите на NTC, кои обично можат да ги мерат или следат температурите кои се движат од -80 ° C до +150 ° C. Термисторите на NTC имаат рејтинг на отпор кои се движат од неколку оми до 10 MΩ на 25 ° C. Како што е прикажано на сл. 1, промената на отпорност по Целзиусови степени за термистори е поизразена отколку за термометри на отпор. Во споредба со термисторите, високата чувствителност на термисторот и високата вредност на отпорност ја поедноставуваат неговата влезна коло, бидејќи на термисторите не е потребна посебна конфигурација на жици, како што е 3-жица или 4-жица, за да се компензира отпорноста на олово. Дизајнот на термисторот користи само едноставна конфигурација со 2 жици.
Мерењето на температурата врз основа на термисторот со висока прецизност бара прецизна обработка на сигналот, аналогно-дигитална конверзија, линеарност и компензација, како што е прикажано на Сл. 2.
Иако синџирот на сигнал може да изгледа едноставен, има неколку комплексности кои влијаат на големината, цената и перформансите на целата матична плоча. Портфолиото на ADI ADI на ADI вклучува неколку интегрирани решенија, како што е AD7124-4/AD7124-8, кои обезбедуваат голем број на предности за дизајн на термички систем, бидејќи повеќето од градежните блокови потребни за апликација се вградени. Сепак, постојат различни предизвици при дизајнирање и оптимизирање на решенија за мерење на температурата врз основа на термистор.
Оваа статија дискутира за секое од овие проблеми и дава препораки за нивно решавање и понатамошно поедноставување на процесот на дизајнирање за такви системи.
Постојат широк спектар наТермистори на НТЦНа пазарот денес, така што изборот на вистинскиот термистор за вашата апликација може да биде застрашувачка задача. Забележете дека термисторите се наведени според нивната номинална вредност, што е нивна номинална отпорност на 25 ° C. Затоа, термисторот од 10 kΩ има номинален отпор од 10 kΩ на 25 ° C. Термисторите имаат номинални или основни вредности на отпорност кои се движат од неколку оми до 10 MΩ. Термисторите со низок рејтинг на отпорност (номинален отпор од 10 kΩ или помалку) обично поддржуваат пониски опсези на температурата, како што се -50 ° C до +70 ° C. Термисторите со повисок рејтинг на отпорност можат да издржат температури до 300 ° C.
Елементот на термисторот е изработен од метален оксид. Термисторите се достапни во форми на топка, радијални и SMD. Мониста на термисторот се епоксидни обложени или стакло капсулирани за дополнителна заштита. Термисторите на епоксидна обложена топка, радијалните и површинските термистори се погодни за температури до 150 ° C. Термисторите на стаклена мушка се погодни за мерење на високи температури. Сите видови на облоги/пакување исто така штитат од корозија. Некои термистори исто така ќе имаат дополнителни куќишта за дополнителна заштита во груби околини. Термисторите на мушка имаат побрзо време на одговор од термисторите на радијални/SMD. Сепак, тие не се толку издржливи. Затоа, видот на користениот термистор зависи од крајната примена и околината во која се наоѓа термисторот. Долгорочната стабилност на термистор зависи од неговиот материјал, пакување и дизајн. На пример, епоксиден обложен NTC термистор може да смени 0,2 ° C годишно, додека запечатениот термистор само менува 0,02 ° C годишно.
Термисторите доаѓаат во различна точност. Стандардните термистори обично имаат точност од 0,5 ° C до 1,5 ° C. Оценката на отпорност на термисторот и бета вредност (сооднос од 25 ° C до 50 ° C/85 ° C) имаат толеранција. Забележете дека бета -вредноста на термисторот варира според производителот. На пример, 10 -те термистори на NTC KΩ 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 над температурен опсег од 0 ° C до 70 ° C. Затоа, опсегот на температури што можат да се мерат и потребната точност во однос на тој опсег на температурата одредува дали термисторите се погодни за оваа апликација. Забележете дека колку е поголема точноста на серијата Omega 44XXX, толку е поголема цената.
За да се претвори отпорот на степени Целзиусови, обично се користи бета -вредноста. Бета -вредноста се одредува со познавање на двете температурни точки и соодветната отпорност на секоја температурна точка.
RT1 = Отпорност на температурата 1 RT2 = Отпорност на температурата 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Корисникот ја користи бета -вредноста најблизу до температурниот опсег што се користи во проектот. Повеќето табели со податоци на термисторот наведуваат бета вредност, заедно со толеранција на отпор на 25 ° C и толеранција за бета вредност.
Повисоки прецизни термистори и решенија за прекинување на висока прецизност, како што е серијата Омега 44xxx, ја користат равенката Штајнхарт-Харт за да ја претворат отпорот во степени Целзиусови. Равенката 2 бара трите константи А, Б и Ц, повторно обезбедени од производителот на сензори. Бидејќи коефициентите на равенката се генерираат со употреба на три температурни точки, добиената равенка ја минимизира грешката воведена со линеарност (обично 0,02 ° C).
А, Б и Ц се константи добиени од три точки на температура. R = Отпорност на термисторот во оми t = температура во k степени
На сл. 3 ја покажува тековната побудување на сензорот. Струјата на погонот се применува на термисторот и истата струја се применува 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 отпорноста на термисторот (во зависност од најниската температура измерена во системот).
При изборот на струјата за побудување, максималниот отпор на термисторот повторно мора да се земе предвид. Ова осигурува дека напонот низ сензорот и референтниот отпорник е секогаш на ниво прифатливо за електрониката. Изворот на тековната област бара одредено простории за глава или излез. Ако термисторот има голема отпорност на најниска мерлива температура, ова ќе резултира во многу ниска струја на погонот. Затоа, напонот генериран низ термисторот на висока температура е мал. Програмабилните фази на добивка може да се користат за да се оптимизира мерењето на овие сигнали на ниско ниво. Сепак, добивката мора да се програмира динамично затоа што нивото на сигналот од термисторот варира во голема мерка со температурата.
Друга опција е да ја поставите добивката, но користете динамична 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 низ термисторот е во рамките на наведениот влезен опсег на електронскиот уред. Корисникот мора да обезбеди дека напонот развиен преку референтниот отпорник е исто така на ниво прифатливо за електрониката. Двете опции бараат високо ниво на контрола, постојано следење на напонот низ термисторот, така што електрониката може да го мери сигналот. Дали има полесна опција? Размислете за побудување на напон.
Кога DC напонот се применува на термисторот, струјата низ термисторот автоматски се скали како што се менува отпорот на термисторот. Сега, користејќи прецизен отпорник за мерење наместо референтен отпорник, неговата цел е да се пресмета струјата што тече низ термисторот, со што ќе се овозможи да се пресмета отпорот на термисторот. Бидејќи напонот на погонот се користи и како референтен сигнал ADC, не е потребна фаза на добивка. Процесорот нема работа да го следи напонот на термисторот, да утврди дали нивото на сигналот може да се мери со електрониката и да пресмета што треба да се прилагоди добивката/тековната вредност. Ова е методот што се користи во овој напис.
Ако термисторот има мал рејтинг на отпорност и опсег на отпорност, може да се користи напон или струја побудување. Во овој случај, струјата на погонот и добивката 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, кој е вредно кај апликациите со мала моќност. Покрај тоа, само-загревањето на термисторот е минимизирано.
Погодувањето на напон може да се користи и за термистори со оценки за низок отпор. Сепак, корисникот секогаш мора да обезбеди дека струјата преку сензорот не е премногу висока за сензорот или апликацијата.
Погодувањето на напонот ја поедноставува имплементацијата при употреба на термистор со голем рејтинг на отпорност и широк опсег на температура. Поголем номинален отпор обезбедува прифатливо ниво на номинална струја. Сепак, дизајнерите треба да обезбедат дека струјата е на прифатливо ниво во текот на целиот температурен опсег поддржан од апликацијата.
Сигма-Делта АДЦ нудат неколку предности при дизајнирање на систем за мерење на термисторот. Прво, затоа што ADC Sigma-Delta го пренасочува аналогниот влез, надворешното филтрирање се одржува на минимум и единствениот услов е едноставен RC филтер. Тие обезбедуваат флексибилност во типот на филтерот и излезната стапка на бауд. Вграденото дигитално филтрирање може да се користи за да се потисне какво било мешање во уредите со електрична енергија. 24-битни уреди како што се AD7124-4/AD7124-8 имаат целосна резолуција до 21,7 бита, така што тие обезбедуваат висока резолуција.
Употребата на Sigma-delta ADC во голема мерка го поедноставува дизајнот на термисторот, додека ги намалува спецификациите, трошоците на системот, просторот на таблата и времето на пазарот.
Оваа статија ги користи AD7124-4/AD7124-8 како ADC затоа што тие се низок бучава, ниска струја, прецизни ADC со вграден PGA, вграден референца, аналоген влез и референтен тампон.
Без оглед на тоа дали користите струја на погонот или напон на погонот, се препорачува ратиометриска 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 ја покажува постојаната струја на погонот за термисторот и прецизниот отпорник RREF, напонот развиен низ RREF е референтен 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 полето ќе бидат елиминирани во оваа конфигурација. Општо, тековната побудување е најпосакувана преку побудување на напон заради супериорна контрола на чувствителност и подобар имунитет на бучава кога сензорот се наоѓа на оддалечени локации. Овој вид метод на пристрасност обично се користи за RTDS или термистори со ниски вредности на отпорност. Како и да е, за термистор со поголема вредност на отпорност и поголема чувствителност, нивото на сигналот генерирано од секоја промена на температурата ќе биде поголемо, така што се користи побудување на напон. На пример, термисторот од 10 kΩ има отпор од 10 kΩ на 25 ° C. На -50 ° C, отпорот на термисторот NTC е 441.117 kΩ. Минималната струја на погонот од 50 μA обезбедена од AD7124-4/AD7124-8 генерира 441.117 kΩ × 50 μA = 22 V, што е премногу висока и надвор од оперативниот опсег на повеќето достапни ADC што се користат во оваа област на апликација. Термисторите исто така обично се поврзани или се наоѓаат во близина на електрониката, така што не е потребен имунитет за возење струја.
Додавањето на отпорник на чувство во серија како коло за делител на напон ќе ја ограничи струјата преку термисторот на неговата минимална вредност на отпорност. Во оваа конфигурација, вредноста на отпорот на чувство на чувство мора да биде еднаква на вредноста на отпорноста на термисторот на референтна температура од 25 ° C, така што излезниот напон ќе биде еднаков на средната точка на референтниот напон на неговиот номинален температура од 25 ° CC слично, ако се користи 10 KΩ термисторот со отпор од 10 KΩ на 25 ° C се користи за 10 kΩ. Како што се менува температурата, отпорноста на термисторот NTC исто така се менува, а односот на напонот на погонот низ термисторот исто така се менува, што резултира во излезниот напон да биде пропорционален со отпорноста на термисторот NTC.
Ако избраната референца за 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 за грешка поврзан со побудување ќе биде пристрасен за да се отстрани.
Забележете дека или отпорот на чувство (управуван од напон) или референтниот отпорник (тековно управувано) треба да имаат мала почетна толеранција и ниско наноси, бидејќи и двете променливи можат да влијаат на точноста на целиот систем.
Кога користите повеќе термистори, може да се користи еден напон за побудување. Сепак, секој термистор мора да има свој отпорник на прецизно чувство, како што е прикажано на Сл. 8. Друга опција е да користите надворешен прекинувач за мултиплексер или низок отпор во состојбата ON, што овозможува споделување на отпорник на една прецизна смисла. Со оваа конфигурација, на секој термистор му треба одредено време за решавање кога се мери.
Накратко, при дизајнирање на систем за мерење на температурата базиран на термистор, има многу прашања што треба да се земат предвид: избор на сензори, жици на сензори, размена на компоненти за избор на компоненти, конфигурација на АДЦ и како овие различни променливи влијаат врз целокупната точност на системот. Следниот напис во оваа серија објаснува како да го оптимизирате дизајнот на вашиот систем и целокупниот буџет за грешки во системот за да ги постигнете вашите целни перформанси.
Време на објавување: Сеп-30-2022