Dette er den første artikel i en todelt serie. Denne artikel vil først diskutere historien og designudfordringerne fraTermistorbaseret temperaturMålesystemer såvel som deres sammenligning med Resistance Thermometer (RTD) temperaturmålingssystemer. Det vil også beskrive valget af termistor, konfigurationsudvekslinger og vigtigheden af Sigma-Delta analog-til-digital konvertere (ADC'er) i dette applikationsområde. Den anden artikel vil detaljerede, hvordan man optimerer og evaluerer det endelige termistorbaserede målesystem.
Som beskrevet i den forrige artikelserie, Optimizing RTD -temperatursensorsystemer, er en RTD en modstand, hvis modstand varierer med temperaturen. Termistorer fungerer på samme måde som RTD'er. I modsætning til RTD'er, der kun har en positiv temperaturkoefficient, kan en termistor have en positiv eller negativ temperaturkoefficient. Negative temperaturkoefficient (NTC) termistorer reducerer deres modstand, når temperaturen stiger, mens positive temperaturkoefficient (PTC) termistorer øger deres modstand, når temperaturen stiger. På fig. 1 viser responsegenskaberne for typiske NTC- og PTC -termistorer og sammenligner dem med RTD -kurver.
Med hensyn til temperaturområde er RTD -kurven næsten lineær, og sensoren dækker et meget bredere temperaturområde end termistorer (typisk -200 ° C til +850 ° C) på grund af den ikke -lineære (eksponentielle) karakter af termistoren. RTD'er leveres normalt i velkendte standardiserede kurver, mens termistorkurver varierer efter producent. Vi vil diskutere dette detaljeret i afsnittet Termistorudvælgelsesvejledning i denne artikel.
Termistorer er fremstillet af sammensatte materialer, normalt keramik, polymerer eller halvledere (normalt metaloxider) og rene metaller (platin, nikkel eller kobber). Termistorer kan detektere temperaturændringer hurtigere end RTD'er, hvilket giver hurtigere feedback. Derfor bruges termistorer ofte af sensorer i applikationer, der kræver lave omkostninger, lille størrelse, hurtigere respons, højere følsomhed og begrænset temperaturområde, såsom elektronikkontrol, hjemme- og bygningskontrol, videnskabelige laboratorier eller koldt forbindelseskompensation for termoelementer i kommercielle eller industrielle anvendelser. formål. Applikationer.
I de fleste tilfælde bruges NTC -termistorer til nøjagtig temperaturmåling, ikke PTC -termistorer. Nogle PTC -termistorer er tilgængelige, der kan bruges i overstrømsbeskyttelseskredsløb eller som genbosættelige sikringer til sikkerhedsapplikationer. Resistens-temperaturkurven for en PTC-termistor viser en meget lille NTC-region, før den når switchpunktet (eller curie-punktet), over hvilket modstanden stiger kraftigt ved flere størrelsesordener i området for flere grader Celsius. Under overstrømsbetingelser vil PTC-termistoren generere stærk selvopvarmning, når skiftstemperaturen overskrides, og dens modstand vil stige kraftigt, hvilket vil reducere indgangsstrømmen til systemet og derved forhindre skade. Skiftpunktet for PTC -termistorer er typisk mellem 60 ° C og 120 ° C og er ikke egnet til styring af temperaturmålinger i en lang række anvendelser. Denne artikel fokuserer på NTC -termistorer, som typisk kan måle eller overvåge temperaturer, der spænder fra -80 ° C til +150 ° C. NTC -termistorer har modstandsvurderinger, der spænder fra et par ohm til 10 MΩ ved 25 ° C. Som vist i fig. 1, ændringen i resistens pr. Grad Celsius for termistorer er mere udtalt end for resistenstermometre. Sammenlignet med termistorer forenkler termistorens høje følsomhed og højresistensværdi dets indgangskredsløb, da termistorer ikke kræver nogen speciel ledningskonfiguration, såsom 3-ledning eller 4-ledning, for at kompensere for blymodstand. Termistordesignet bruger kun en simpel 2-ledig konfiguration.
Termistorbaseret temperaturmåling med høj præcision kræver præcis signalbehandling, analog-til-digital konvertering, linearisering og kompensation, som vist i fig. 2.
Selvom signalkæden kan virke enkel, er der flere kompleksiteter, der påvirker størrelsen, omkostningerne og ydeevnen på hele bundkortet. ADIs præcision ADC-portefølje inkluderer flere integrerede løsninger, såsom AD7124-4/AD7124-8, som giver en række fordele til termisk systemdesign, da de fleste af de byggesten, der er nødvendige til en applikation, er indbygget. Der er dog forskellige udfordringer med at designe og optimere termistorbaserede temperaturmålingsløsninger.
Denne artikel diskuterer hvert af disse problemer og giver anbefalinger til løsning af dem og yderligere forenkling af designprocessen for sådanne systemer.
Der er en lang rækkeNTC termistorerPå markedet i dag, så det kan være en skræmmende opgave at vælge den rigtige termistor til din applikation. Bemærk, at termistorer er opført af deres nominelle værdi, som er deres nominelle modstand ved 25 ° C. Derfor har en 10 kΩ termistor en nominel modstand på 10 kΩ ved 25 ° C. Termistorer har nominelle eller grundlæggende modstandsværdier, der spænder fra et par ohm til 10 MΩ. Termistorer med lav modstandsvurderinger (nominel modstand på 10 kΩ eller mindre) understøtter typisk lavere temperaturområder, såsom -50 ° C til +70 ° C. Termistorer med højere modstandsvurderinger kan modstå temperaturer op til 300 ° C.
Termistorelementet er lavet af metaloxid. Termistorer fås i kugle-, radiale og SMD -former. Termistorperler er epoxybelagt eller glas indkapslet for ekstra beskyttelse. Epoxy -coatede kugletermistorer, radiale og overfladetermistorer er egnede til temperaturer op til 150 ° C. Termistorer til glasperle er egnede til måling af høje temperaturer. Alle typer belægninger/emballage beskytter også mod korrosion. Nogle termistorer vil også have yderligere huse til ekstra beskyttelse i barske miljøer. Perletermistorer har en hurtigere responstid end radiale/SMD -termistorer. De er dog ikke så holdbare. Derfor afhænger typen af anvendt termistor afhænger af slutapplikationen og det miljø, hvor termistoren er placeret. Den langsigtede stabilitet af en termistor afhænger af dets materiale, emballage og design. For eksempel kan en epoxy-coatet NTC-termistor ændre sig 0,2 ° C om året, mens en forseglet termistor kun ændrer 0,02 ° C pr. År.
Termistorer kommer i forskellig nøjagtighed. Standardtermistorer har typisk en nøjagtighed på 0,5 ° C til 1,5 ° C. Termistormodstandsklassificeringen og beta -værdien (forholdet mellem 25 ° C til 50 ° C/85 ° C) har en tolerance. Bemærk, at betaværdien af termistoren varierer efter producenten. For eksempel vil 10 kΩ NTC -termistorer fra forskellige producenter have forskellige betaværdier. For mere nøjagtige systemer kan termistorer såsom Omega ™ 44XXX -serien bruges. De har en nøjagtighed på 0,1 ° C eller 0,2 ° C over et temperaturområde fra 0 ° C til 70 ° C. Derfor bestemmer rækkevidden af temperaturer, der kan måles, og den krævede nøjagtighed i forhold til dette temperaturområde bestemmer, om termistorer er egnede til denne anvendelse. Bemærk, at jo højere nøjagtigheden af Omega 44xxx -serien, jo højere er omkostningerne.
For at konvertere modstand mod grader celsius bruges betaværdien normalt. Beta -værdien bestemmes ved at kende de to temperaturpunkter og den tilsvarende modstand ved hvert temperaturpunkt.
RT1 = Temperaturresistens 1 RT2 = Temperaturresistens 2 T1 = Temperatur 1 (k) T2 = Temperatur 2 (k)
Brugeren bruger beta -værdien tættest på det temperaturområde, der bruges i projektet. De fleste termistor -datablad viser en beta -værdi sammen med en modstandstolerance ved 25 ° C og en tolerance for beta -værdien.
Højere præcisionstermistorer og høje præcisionsafslutningsopløsninger såsom Omega 44xxx-serien bruger Steinhart-Hart-ligningen til at konvertere resistens over for grader Celsius. Ligning 2 kræver de tre konstanter A, B og C, igen leveret af sensorproducenten. Da ligningskoefficienterne genereres ved hjælp af tre temperaturpunkter, minimerer den resulterende ligning fejlen indført ved linearisering (typisk 0,02 ° C).
A, B og C er konstanter afledt af tre temperatursætpunkter. R = termistormodstand i ohm t = temperatur i k grader
På fig. 3 viser den aktuelle excitation af sensoren. Drevstrøm påføres termistoren, og den samme strøm påføres præcisionsmodstanden; En præcisionsmodstand bruges som reference til måling. Værdien af referencemodstanden skal være større end eller lig med den højeste værdi af termistormodstanden (afhængigt af den laveste temperatur, der er målt i systemet).
Når man vælger excitationsstrømmen, skal termistorens maksimale modstand igen tages i betragtning. Dette sikrer, at spændingen over sensoren og referencemodstanden altid er på et niveau, der er acceptabelt for elektronikken. Feltstrømskilden kræver noget lofthøjde eller output -matching. Hvis termistoren har en høj modstand ved den laveste målbare temperatur, vil dette resultere i en meget lav drevstrøm. Derfor er spændingen, der genereres over termistoren ved høj temperatur, lille. Programmerbare forstærkningsstadier kan bruges til at optimere målingen af disse signaler på lavt niveau. Forøgelsen skal imidlertid programmeres dynamisk, fordi signalniveauet fra termistoren varierer meget med temperaturen.
En anden mulighed er at indstille gevinsten, men bruge dynamisk drevstrøm. Efterhånden som signalniveauet fra termistoren ændres, ændres drevens aktuelle værdi dynamisk, så spændingen udviklet over termistoren er inden for det specificerede inputområde for den elektroniske enhed. Brugeren skal sikre, at spændingen, der er udviklet på tværs af referencemodstanden, også er på et niveau, der er acceptabelt for elektronikken. Begge muligheder kræver et højt kontrolniveau, konstant overvågning af spændingen over termistoren, så elektronikken kan måle signalet. Er der en lettere mulighed? Overvej spændings excitation.
Når DC -spænding påføres termistoren, skalerer strømmen gennem termistoren automatisk, når termistorens modstand ændres. Nu ved hjælp af en præcisionsmålemodstand i stedet for en referencemodstand er dens formål at beregne den aktuelle, der flyder gennem termistoren, hvilket gør det muligt at beregne termistormodstanden. Da drevspændingen også bruges som ADC -referencesignal, kræves der ingen gevinstfase. Processoren har ikke jobbet med at overvåge termistorspændingen, bestemme, om signalniveauet kan måles ved elektronikken, og beregner, hvad drevforstærkning/aktuel værdi skal justeres. Dette er den metode, der bruges i denne artikel.
Hvis termistoren har en lille modstandsvurdering og modstandsområde, kan spænding eller strøm excitation anvendes. I dette tilfælde kan drevstrømmen og gevinsten fastgøres. Således vil kredsløbet være som vist i figur 3. Denne metode er praktisk, idet det er muligt at kontrollere strømmen gennem sensoren og referencemodstanden, som er værdifuld i applikationer med lav effekt. Derudover minimeres selvopvarmning af termistoren.
Spændingscititation kan også bruges til termistorer med lav modstandsvurderinger. Brugeren skal dog altid sikre, at strømmen gennem sensoren ikke er for høj til sensoren eller applikationen.
Spændings excitation forenkler implementeringen, når du bruger en termistor med en stor modstandsvurdering og et bredt temperaturområde. Større nominel modstand giver et acceptabelt niveau af nominel strøm. Imidlertid er designere nødt til at sikre, at strømmen er på et acceptabelt niveau over hele temperaturområdet understøttet af applikationen.
Sigma-Delta ADC'er tilbyder flere fordele, når man designer et termistormålingssystem. For det første, fordi Sigma-Delta ADC resamper den analoge input, holdes ekstern filtrering til et minimum, og det eneste krav er et simpelt RC-filter. De giver fleksibilitet i filtertype og output baudhastighed. Indbygget digitalfiltrering kan bruges til at undertrykke enhver interferens i hoveddrevne enheder. 24-bit-enheder som AD7124-4/AD7124-8 har en fuld opløsning på op til 21,7 bit, så de giver høj opløsning.
Brugen af en Sigma-Delta ADC forenkler i høj grad termistordesignet, mens der reduceres specifikation, systemomkostninger, bestyrelsesplads og tid til markedet.
Denne artikel bruger AD7124-4/AD7124-8 som ADC, fordi de er lav støj, lav strøm, præcision ADC'er med indbygget PGA, indbygget reference, analog input og referencebuffer.
Uanset om du bruger drevstrøm eller drevspænding, anbefales en forholdskonfiguration, hvor referencespændingen og sensorspændingen kommer fra den samme drevkilde. Dette betyder, at enhver ændring i excitationskilden ikke påvirker målingens nøjagtighed.
På fig. 5 viser den konstante drevstrøm for termistor- og præcisionsmodstand RREF, spændingen udviklet på tværs af RREF er referencespændingen til måling af termistoren.
Feltstrømmen behøver ikke at være nøjagtig og kan være mindre stabil, da eventuelle fejl i feltstrømmen elimineres i denne konfiguration. Generelt foretrækkes den aktuelle excitation frem for spændingscititation på grund af overlegen følsomhedskontrol og bedre støjimmunitet, når sensoren er placeret på fjerntliggende steder. Denne type bias -metode bruges typisk til RTD'er eller termistorer med lave modstandsværdier. For en termistor med en højere modstandsværdi og højere følsomhed vil signalniveauet, der genereres af hver temperaturændring, imidlertid være større, så spændingscititation anvendes. For eksempel har en 10 kΩ termistor en modstand på 10 kΩ ved 25 ° C. Ved -50 ° C er modstanden for NTC -termistoren 441,117 kΩ. Den minimale drevstrøm på 50 µA leveret af AD7124-4/AD7124-8 genererer 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, hvilket er for højt og uden for driftsområdet for de fleste tilgængelige ADC'er, der bruges i dette applikationsområde. Termistorer er også normalt forbundet eller placeret i nærheden af elektronikken, så immunitet til at drive strøm er ikke påkrævet.
Tilføjelse af en sansemodstand i serie som en spændingsdelerkredsløb begrænser strømmen gennem termistoren til dens minimale modstandsværdi. I denne konfiguration skal værdien af sansemodstanden RSense være lig med værdien af termistormodstanden ved en referencetemperatur på 25 ° C, så udgangsspændingen vil være lig med midtpunktet for referencespændingen ved dens nominelle temperatur på 25 ° CC, hvis en 10 kΩ termistor med en modstand af 10 kΩ ved 25 ° C anvendes, rSense, skal der være 10 kΩ. Efterhånden som temperaturen ændres, ændres modstanden for NTC -termistoren også, og forholdet mellem drevspændingen over termistoren ændres også, hvilket resulterer i, at udgangsspændingen er proportional med modstanden for NTC -termistoren.
Hvis den valgte spændingsreference, der bruges til at drive termistoren og/eller rsense, matcher ADC-referencespændingen, der bruges til måling, er systemet indstillet til den forholdsmæssige måling (figur 7), så enhver excitation-relateret fejlspændingskilde vil være partisk til at fjerne.
Bemærk, at enten sansemodstanden (spændingsdrevet) eller referencemodstanden (strømdrevet) skal have en lav initial tolerance og lav drift, da begge variabler kan påvirke nøjagtigheden af hele systemet.
Når du bruger flere termistorer, kan en excitationsspænding bruges. Imidlertid skal hver termistor have sin egen præcisionsfølelsesmodstand, som vist i fig. 8. En anden mulighed er at bruge en ekstern multiplexer eller lav modstandskontakt i ON-tilstand, som tillader at dele en præcisionsfølelsesmodstand. Med denne konfiguration har hver termistor brug for en vis afviklingstid, når den måles.
I resumé, når man designer et termistorbaseret temperaturmålingssystem, er der mange spørgsmål at overveje: sensorudvælgelse, sensor-ledninger, udvalg af komponentvalg, ADC-konfiguration og hvordan disse forskellige variabler påvirker systemets samlede nøjagtighed. Den næste artikel i denne serie forklarer, hvordan du optimerer dit systemdesign og det samlede systemfejlbudget for at nå din målydelse.
Posttid: SEP-30-2022