Dette er den første artikel i en todelt serie.Denne artikel vil først diskutere historien og designudfordringernetermistorbaseret temperaturmålesystemer, samt deres sammenligning med modstandstermometer (RTD) temperaturmålesystemer.Den vil også beskrive valget af termistor, konfigurationsafvejninger og vigtigheden af sigma-delta analog-til-digital-konvertere (ADC'er) i dette applikationsområde.Den anden artikel vil detaljere, hvordan man optimerer og evaluerer det endelige termistor-baserede målesystem.
Som beskrevet i den forrige artikelserie, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, 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.Negativ temperaturkoefficient (NTC) termistorer mindsker deres modstand, når temperaturen stiger, mens positiv temperaturkoefficient (PTC) termistorer øger deres modstand, når temperaturen stiger.På fig.1 viser responskarakteristika 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) karakter.RTD'er leveres normalt i velkendte standardiserede kurver, mens termistorkurver varierer fra producent til producent.Vi vil diskutere dette i detaljer i afsnittet om valg af termistor i denne artikel.
Termistorer er lavet af kompositmaterialer, normalt keramik, polymerer eller halvledere (normalt metaloxider) og rene metaller (platin, nikkel eller kobber).Termistorer kan registrere temperaturændringer hurtigere end RTD'er, hvilket giver hurtigere feedback.Derfor bruges termistorer almindeligvis af sensorer i applikationer, der kræver lave omkostninger, lille størrelse, hurtigere respons, højere følsomhed og begrænset temperaturområde, såsom elektronikstyring, bolig- og bygningskontrol, videnskabelige laboratorier eller koldforbindelseskompensation for termoelementer i kommerciel eller industrielle applikationer.formål.Ansøgninger.
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.Modstand-temperatur-kurven for en PTC-termistor viser et meget lille NTC-område, før det når skiftepunktet (eller Curie-punktet), over hvilket modstanden stiger kraftigt med flere størrelsesordener i intervallet 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 skade.Omskiftningspunktet for PTC-termistorer er typisk mellem 60°C og 120°C og er ikke egnet til styring af temperaturmålinger i en lang række applikationer.Denne artikel fokuserer på NTC-termistorer, som typisk kan måle eller overvåge temperaturer fra -80°C til +150°C.NTC-termistorer har modstandsklassificeringer fra nogle få 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 inputkredsløb, da termistorer ikke kræver nogen speciel ledningskonfiguration, såsom 3-leder eller 4-leder, for at kompensere for ledningsmodstand.Termistordesignet bruger kun en simpel 2-leder 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 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, der giver en række fordele for termisk systemdesign, da de fleste af de byggeklodser, 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 at løse dem og yderligere forenkle designprocessen for sådanne systemer.
Der er en lang række afNTC termistorerpå markedet i dag, så det kan være en skræmmende opgave at vælge den rigtige termistor til din applikation.Bemærk, at termistorer er opført 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 nogle få ohm til 10 MΩ.Termistorer med lav modstandsklassificering (nominel modstand på 10 kΩ eller mindre) understøtter typisk lavere temperaturområder, såsom -50°C til +70°C.Termistorer med højere modstandsklassificeringer 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.Epoxycoatede kugletermistorer, radial- og overfladetermistorer er velegnede til temperaturer op til 150°C.Glasperle termistorer er velegnede til måling af høje temperaturer.Alle typer belægninger/emballage beskytter også mod korrosion.Nogle termistorer vil også have ekstra huse for ekstra beskyttelse i barske miljøer.Perle termistorer har en hurtigere responstid end radial/SMD termistorer.De er dog ikke så holdbare.Derfor afhænger den anvendte type termistor af slutapplikationen og det miljø, hvori 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 0,02°C om året.
Termistorer kommer med forskellig nøjagtighed.Standard termistorer har typisk en nøjagtighed på 0,5°C til 1,5°C.Termistormodstandsvurderingen og betaværdien (forholdet 25°C til 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 bruges.De har en nøjagtighed på 0,1°C eller 0,2°C over et temperaturområde på 0°C til 70°C.Derfor bestemmer intervallet af temperaturer, der kan måles, og den krævede nøjagtighed over dette temperaturområde, om termistorer er egnede til denne applikation.Bemærk venligst, at jo højere nøjagtigheden af Omega 44xxx-serien er, desto højere omkostninger.
For at konvertere modstand til grader Celsius bruges betaværdien normalt.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 er brugt i projektet.De fleste termistordataark viser en betaværdi sammen med en modstandstolerance ved 25°C og en tolerance for betaværdien.
Termistorer med højere præcision 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.Fordi ligningskoefficienterne genereres ved hjælp af tre temperaturpunkter, minimerer den resulterende ligning fejlen introduceret 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.Drivstrøm 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 målt i systemet).
Ved valg af magnetiseringsstrømmen 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.Feltstrømkilden kræver en vis frihøjde eller udgangstilpasning.Hvis termistoren har en høj modstand ved den lavest målbare temperatur, vil dette resultere i en meget lav drivstrøm.Derfor er spændingen, 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 ændres, ændres drivstrømværdien derfor dynamisk, så spændingen udviklet over termistoren er inden for det specificerede indgangsområde for den elektroniske enhed.Brugeren skal sikre, at spændingen udviklet over referencemodstanden også er på et niveau, der er acceptabelt for elektronikken.Begge muligheder kræver et højt niveau af kontrol, konstant overvågning af spændingen over termistoren, så elektronikken kan måle signalet.Er der en nemmere mulighed?Overvej spændingsexcitation.
Når der tilføres jævnspænding til termistoren, skaleres strømmen gennem termistoren automatisk, når termistorens modstand ændres.Nu, ved at bruge en præcisionsmålemodstand i stedet for en referencemodstand, er dens formål at beregne strømmen, der flyder gennem termistoren, hvilket gør det muligt at beregne termistormodstanden.Da drevspændingen også bruges som ADC-referencesignal, kræves der ikke noget forstærkningstrin.Processoren har ikke til opgave at overvåge termistorspændingen, afgøre, om signalniveauet kan måles af elektronikken, og beregne, hvilken drevforstærkning/strømværdi, der skal justeres.Dette er den metode, der bruges i denne artikel.
Hvis termistoren har en lille modstandsværdi og modstandsområde, kan spændings- eller strømexcitering anvendes.I dette tilfælde kan drevstrømmen og forstærkningen fastsættes.Kredsløbet vil således være som vist i figur 3. Denne metode er praktisk, idet det er muligt at styre strømmen gennem sensoren og referencemodstanden, hvilket er værdifuldt i laveffektapplikationer.Derudover minimeres selvopvarmning af termistoren.
Spændingsexcitering kan også bruges til termistorer med lav modstandsværdi.Brugeren skal dog altid sikre, at strømmen gennem sensoren ikke er for høj til sensoren eller applikationen.
Spændingsexcitering forenkler implementeringen, når der bruges en termistor med en stor modstandsværdi og et bredt temperaturområde.Større nominel modstand giver et acceptabelt niveau af mærkestrøm.Designere skal dog sikre, at strømmen er på et acceptabelt niveau over hele det temperaturområde, der understøttes af applikationen.
Sigma-Delta ADC'er tilbyder flere fordele, når man designer 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 netforsynede enheder.24-bit enheder såsom 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 specifikationer, systemomkostninger, kortplads og time-to-market reduceres.
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 reference buffer.
Uanset om du bruger drevstrøm eller drevspænding, anbefales en ratiometrisk konfiguration, hvor referencespændingen og sensorspændingen kommer fra den samme drevkilde.Det betyder, at enhver ændring i excitationskilden ikke vil påvirke målingens nøjagtighed.
På fig.5 viser den konstante drivstrøm for termistoren og præcisionsmodstanden RREF, spændingen udviklet 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 strømexcitering frem for spændingsexcitering på grund af overlegen følsomhedskontrol og bedre støjimmunitet, når sensoren er placeret fjerntliggende steder.Denne type forspændingsmetode bruges typisk til RTD'er eller termistorer med lave modstandsværdier.Men for en termistor med en højere modstandsværdi og højere følsomhed vil signalniveauet, der genereres af hver temperaturændring, være større, så spændingsexcitering bruges.For eksempel har en 10 kΩ termistor en modstand på 10 kΩ ved 25°C.Ved -50°C er modstanden af NTC termistoren 441,117 kΩ.Den mindste 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 tilsluttet eller placeret i nærheden af elektronikken, så immunitet mod 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 termistormodstanden ved en referencetemperatur på 25°C, således at udgangsspændingen bliver lig med referencespændingens midtpunkt ved dens nominelle temperatur på 25°CC På samme måde, hvis der anvendes en 10 kΩ termistor med en modstand på 10 kΩ ved 25°C, skal RSENSE være 10 kΩ.Efterhånden som temperaturen ændres, ændres modstanden af NTC termistoren også, og forholdet mellem drivspændingen over termistoren ændres også, hvilket resulterer i, at udgangsspændingen er proportional med modstanden af NTC termistoren.
Hvis den valgte spændingsreference, der bruges til at forsyne termistoren og/eller RSENSE, matcher ADC-referencespændingen, der bruges til måling, indstilles systemet til ratiometrisk måling (Figur 7), så enhver excitationsrelateret fejlspændingskilde vil være forspændt til at fjerne.
Bemærk, at enten sensormodstanden (spændingsdrevet) eller referencemodstanden (strømdrevet) skal have en lav indledende tolerance og lav drift, da begge variabler kan påvirke nøjagtigheden af hele systemet.
Ved brug af flere termistorer kan én excitationsspænding bruges.Hver termistor skal dog have sin egen præcisionsfølende modstand, som vist i fig.8. En anden mulighed er at bruge en ekstern multiplekser eller lav-modstand switch i tændt tilstand, som tillader deling af en præcisionsfølende modstand.Med denne konfiguration har hver termistor brug for en vis indstillingstid, når den måles.
Sammenfattende, når man designer et termistorbaseret temperaturmålingssystem, er der mange spørgsmål at overveje: sensorvalg, sensorledninger, komponentvalgs-afvejninger, ADC-konfiguration og hvordan disse forskellige variable påvirker systemets overordnede nøjagtighed.Den næste artikel i denne serie forklarer, hvordan du optimerer dit systemdesign og det overordnede systemfejlbudget for at opnå din målydelse.
Indlægstid: 30. september 2022