Dette er den første artikel i en serie på to dele. Artiklen vil først diskutere historien og designudfordringerne vedtermistorbaseret temperaturmålesystemer, samt deres sammenligning med temperaturmålingssystemer med modstandstermometer (RTD). Den vil også beskrive valget af termistor, konfigurationsafvejninger og vigtigheden af sigma-delta analog-til-digital-konvertere (ADC'er) i dette anvendelsesområde. Den anden artikel vil detaljeret beskrive, hvordan man optimerer og evaluerer det endelige termistorbaserede målesystem.
Som beskrevet i den forrige artikelserie, Optimering af 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, som kun har en positiv temperaturkoefficient, kan en termistor have en positiv eller negativ temperaturkoefficient. Termistorer med negativ temperaturkoefficient (NTC) mindsker deres modstand, når temperaturen stiger, mens termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC) øger deres modstand, når temperaturen stiger. Fig. 1 viser responskarakteristikaene 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 termistorens ikke-lineære (eksponentielle) natur. RTD'er leveres normalt i velkendte standardiserede kurver, mens termistorkurver varierer fra producent til producent. Vi vil diskutere dette i detaljer i afsnittet om termistorvalg i denne artikel.
Termistorer er lavet af kompositmaterialer, normalt keramik, polymerer eller halvledere (normalt metaloxider) og rene metaller (platin, nikkel eller kobber). Termistorer kan detektere temperaturændringer hurtigere end modstandstemperaturfølere, hvilket giver hurtigere feedback. Derfor bruges termistorer almindeligvis af sensorer i applikationer, der kræver lave omkostninger, lille størrelse, hurtigere respons, højere følsomhed og et begrænset temperaturområde, såsom elektronikstyring, bolig- og bygningskontrol, videnskabelige laboratorier eller koldforbindelseskompensation til termoelementer i kommercielle eller industrielle applikationer. Anvendelser.
I de fleste tilfælde bruges NTC-termistorer til nøjagtig temperaturmåling, ikke PTC-termistorer. Nogle PTC-termistorer er tilgængelige, som kan bruges i overstrømsbeskyttelseskredsløb eller som nulstillelige sikringer til sikkerhedsapplikationer. Modstands-temperaturkurven for en PTC-termistor viser et meget lille NTC-område, før det når koblingspunktet (eller Curie-punktet), over hvilket modstanden stiger kraftigt med flere størrelsesordener i området på flere grader Celsius. Under overstrømsforhold vil PTC-termistoren generere stærk selvopvarmning, når koblingstemperaturen overskrides, og dens modstand vil stige kraftigt, hvilket vil reducere indgangsstrømmen til systemet og derved forhindre skader. Koblingspunktet for PTC-termistorer er typisk mellem 60 °C og 120 °C og er ikke egnet til at styre temperaturmålinger i en bred vifte af applikationer. Denne artikel fokuserer på NTC-termistorer, som typisk kan måle eller overvåge temperaturer fra -80 °C til +150 °C. NTC-termistorer har modstandsværdier, der spænder fra et par ohm til 10 MΩ ved 25°C. Som vist i fig. 1 er ændringen i modstand pr. grad Celsius for termistorer mere udtalt end for modstandstermometre. Sammenlignet med termistorer forenkler termistorens høje følsomhed og høje modstandsværdi dens indgangskredsløb, da termistorer ikke kræver nogen speciel ledningskonfiguration, såsom 3-leder eller 4-leder, for at kompensere for ledningsmodstand. Termistordesignet bruger kun en simpel 2-lederkonfiguration.
Højpræcisionstemperaturmåling baseret på termistorer kræver præcis signalbehandling, analog-til-digital konvertering, linearisering og kompensation, som vist i figur 2.
Selvom signalkæden kan virke simpel, er der flere kompleksiteter, der påvirker størrelsen, omkostningerne og ydeevnen af hele bundkortet. ADI's præcisions-ADC-portefølje omfatter adskillige integrerede løsninger, såsom AD7124-4/AD7124-8, som giver en række fordele til design af termiske systemer, da de fleste af de byggesten, der er nødvendige til en applikation, er indbyggede. Der er dog forskellige udfordringer i design og optimering af termistorbaserede temperaturmålingsløsninger.
Denne artikel diskuterer hvert af disse problemer og giver anbefalinger til at løse dem og yderligere forenkle designprocessen for sådanne systemer.
Der er en bred vifte afNTC-termistorerpå markedet i dag, så det kan være en skræmmende opgave at vælge den rigtige termistor til din applikation. Bemærk, at termistorer er angivet efter 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 lave modstandsværdier (nominel modstand på 10 kΩ eller mindre) understøtter typisk lavere temperaturområder, såsom -50°C til +70°C. Termistorer med højere modstandsværdier kan modstå temperaturer op til 300°C.
Termistorelementet er lavet af metaloxid. Termistorer fås i kugle-, radial- og SMD-former. Termistorperler er epoxybelagte eller glasindkapslede for ekstra beskyttelse. Epoxybelagte kugletermistorer, radial- og overfladetermistorer er egnede til temperaturer op til 150 °C. Glasperletermistorer er egnede til måling af høje temperaturer. Alle typer belægninger/emballage beskytter også mod korrosion. Nogle termistorer har også ekstra huse for ekstra beskyttelse i barske miljøer. Glasperletermistorer har en hurtigere responstid end radial-/SMD-termistorer. De er dog ikke lige så holdbare. Derfor afhænger typen af termistor, der anvendes, af slutanvendelsen og det miljø, hvor termistoren er placeret. Den langsigtede stabilitet af en termistor afhænger af dens materiale, emballage og design. For eksempel kan en epoxybelagt NTC-termistor ændre sig 0,2 °C om året, mens en forseglet termistor kun ændrer sig 0,02 °C om året.
Termistorer findes med forskellig nøjagtighed. Standardtermistorer har typisk en nøjagtighed på 0,5 °C til 1,5 °C. Termistormodstanden og betaværdien (forholdet mellem 25 °C og 50 °C/85 °C) har en tolerance. Bemærk, at termistorens betaværdi varierer fra producent til producent. For eksempel vil 10 kΩ NTC-termistorer fra forskellige producenter have forskellige betaværdier. For mere nøjagtige systemer kan termistorer som Omega™ 44xxx-serien anvendes. De har en nøjagtighed på 0,1 °C eller 0,2 °C over et temperaturområde fra 0 °C til 70 °C. Derfor bestemmer det temperaturområde, der kan måles, og den nødvendige nøjagtighed over dette temperaturområde, om termistorer er egnede til denne anvendelse. Bemærk venligst, at jo højere nøjagtigheden af Omega 44xxx-serien er, desto højere er prisen.
For at omregne modstand til grader Celsius bruges normalt betaværdien. Betaværdien bestemmes ved at kende de to temperaturpunkter og den tilsvarende modstand ved hvert temperaturpunkt.
RT1 = Temperaturmodstand 1 RT2 = Temperaturmodstand 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
Brugeren bruger den betaværdi, der er tættest på det temperaturområde, der anvendes i projektet. De fleste termistordatablade angiver en betaværdi sammen med en modstandstolerance ved 25°C og en tolerance for betaværdien.
Højere præcisionstermistorer og højpræcisionstermineringsløsninger, såsom Omega 44xxx-serien, bruger Steinhart-Hart-ligningen til at konvertere modstand til 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 den fejl, der introduceres ved linearisering (typisk 0,02 °C).
A, B og C er konstanter afledt af tre temperaturindstillingspunkter. R = termistormodstand i ohm T = temperatur i K grader
Figur 3 viser sensorens strømtilførsel. Der påføres styrestrøm til 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 termistorens modstand (afhængigt af den laveste temperatur målt i systemet).
Ved valg af 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 en vis headroom eller output-tilpasning. Hvis termistoren har en høj modstand ved den laveste målbare temperatur, vil dette resultere i en meget lav drivstrøm. Derfor er den spænding, der genereres over termistoren ved høj temperatur, lille. Programmerbare forstærkningstrin kan bruges til at optimere målingen af disse lavniveausignaler. Forstærkningen skal dog programmeres dynamisk, fordi signalniveauet fra termistoren varierer meget med temperaturen.
En anden mulighed er at indstille forstærkningen, men bruge dynamisk drivstrøm. Når signalniveauet fra termistoren ændrer sig, ændres drivstrømværdien derfor dynamisk, så den spænding, der udvikles over termistoren, er inden for det specificerede indgangsområde for den elektroniske enhed. Brugeren skal sikre, at den spænding, der udvikles over referencemodstanden, også er på et niveau, der er acceptabelt for elektronikken. Begge muligheder kræver et højt kontrolniveau og konstant overvågning af spændingen over termistoren, så elektronikken kan måle signalet. Findes der en nemmere løsning? Overvej spændingsexcitation.
Når der påføres jævnspænding til termistoren, skalerer strømmen gennem termistoren automatisk, når termistorens modstand ændrer sig. Ved at bruge en præcisionsmålemodstand i stedet for en referencemodstand er formålet at beregne strømmen, der løber gennem termistoren, og dermed muliggøre beregning af termistormodstanden. Da drivspændingen også bruges som ADC-referencesignal, kræves der ikke et forstærkningstrin. Processoren har ikke til opgave at overvåge termistorspændingen, bestemme, om signalniveauet kan måles af elektronikken, og beregne, hvilken drivforstærknings-/strømværdi der skal justeres. Dette er den metode, der anvendes i denne artikel.
Hvis termistoren har en lille modstandsklassificering og et lille modstandsområde, kan spændings- eller strømexcitation anvendes. I dette tilfælde kan drivstrømmen og forstærkningen fastsættes. Kredsløbet vil således se ud som vist i figur 3. Denne metode er praktisk, idet det er muligt at styre strømmen gennem sensoren og referencemodstanden, hvilket er værdifuldt i applikationer med lavt strømforbrug. Derudover minimeres termistorens selvopvarmning.
Spændingsexcitation kan også bruges til termistorer med lav modstandsklassificering. Brugeren skal dog altid sikre sig, at strømmen gennem sensoren ikke er for høj for sensoren eller applikationen.
Spændingsexcitation forenkler implementeringen, når man bruger en termistor med en stor modstandsklassificering og et bredt temperaturområde. En større nominel modstand giver et acceptabelt niveau af nominel strøm. Designere skal dog sikre, at strømmen er på et acceptabelt niveau over hele det temperaturområde, der understøttes af applikationen.
Sigma-Delta ADC'er tilbyder adskillige fordele ved design af et termistormålesystem. For det første, fordi sigma-delta ADC'en resampler den analoge indgang, holdes ekstern filtrering på et minimum, og det eneste krav er et simpelt RC-filter. De giver fleksibilitet i filtertype og output baudrate. Indbygget digital filtrering kan bruges til at undertrykke enhver interferens i netdrevne 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 termistordesignet i høj grad, samtidig med at det reducerer specifikationer, systemomkostninger, printplads og time-to-market.
Denne artikel bruger AD7124-4/AD7124-8 som ADC, fordi de er præcisions-ADC'er med lav støj og lav strømstyrke, indbygget PGA, indbygget reference, analog indgang og referencebuffer.
Uanset om du bruger drivstrøm eller drivspænding, anbefales en ratiometrisk konfiguration, hvor referencespændingen og sensorspændingen kommer fra den samme drivkilde. Det betyder, at enhver ændring i excitationskilden ikke vil påvirke målingens nøjagtighed.
Figur 5 viser den konstante drivstrøm for termistoren og præcisionsmodstanden RREF. Spændingen, der udvikles over RREF, er referencespændingen til måling af termistoren.
Feltstrømmen behøver ikke at være nøjagtig og kan være mindre stabil, da eventuelle fejl i feltstrømmen vil blive elimineret i denne konfiguration. Generelt foretrækkes strømexcitation frem for spændingsexcitation 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, dog være større, så spændingsexcitation anvendes. For eksempel har en 10 kΩ termistor en modstand på 10 kΩ ved 25°C. Ved -50°C er modstanden i NTC-termistoren 441,117 kΩ. Den minimale drivstrøm 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 anvendes i dette anvendelsesområde. Termistorer er normalt også tilsluttet eller placeret i nærheden af elektronikken, så immunitet over for drivstrøm er ikke påkrævet.
Tilføjelse af en sensormodstand i serie som et spændingsdelerkredsløb vil begrænse strømmen gennem termistoren til dens minimale modstandsværdi. I denne konfiguration skal værdien af sensormodstanden RSENSE være lig med værdien af termistorens modstand ved en referencetemperatur på 25°C, således at udgangsspændingen vil være lig med midtpunktet af referencespændingen ved dens nominelle temperatur på 25°CC. Tilsvarende, hvis en 10 kΩ termistor med en modstand på 10 kΩ ved 25°C anvendes, skal RSENSE være 10 kΩ. Når temperaturen ændres, ændres modstanden i NTC-termistoren også, og forholdet mellem drivspændingen over termistoren ændres også, hvilket resulterer i, at udgangsspændingen er proportional med modstanden i NTC-termistoren.
Hvis den valgte spændingsreference, der bruges til at forsyne termistoren og/eller RSENSE, matcher den ADC-referencespænding, der bruges til målingen, indstilles systemet til ratiometrisk måling (figur 7), således at enhver excitationsrelateret fejlspændingskilde vil blive forspændt til at fjerne.
Bemærk, at enten følemodstanden (spændingsdrevet) eller referencemodstanden (strømdrevet) skal have en lav initial tolerance og lav drift, da begge variabler kan påvirke hele systemets nøjagtighed.
Når der anvendes flere termistorer, kan én excitationsspænding anvendes. Hver termistor skal dog have sin egen præcisionsfølingsmodstand, som vist i fig. 8. En anden mulighed er at bruge en ekstern multiplekser eller lavmodstandsafbryder i tændt tilstand, hvilket gør det muligt at dele én præcisionsfølingsmodstand. Med denne konfiguration har hver termistor brug for en vis indstillingstid, når den måles.
Kort sagt er der mange spørgsmål at overveje, når man designer et termistorbaseret temperaturmålingssystem: valg af sensor, sensorledningsføring, afvejninger ved 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 opnå din målydelse.
Opslagstidspunkt: 30. september 2022