Toto je první článek ze dvoudílné série. Tento článek bude nejprve diskutovat o historii a výzvách designuteplota na bázi termistoruměřicích systémů, jakož i jejich srovnání s odporovými teploměry (RTD) systémy měření teploty. Popíše také volbu termistoru, kompromisy v konfiguraci a význam sigma-delta analogově-digitálních převodníků (ADC) v této aplikační oblasti. Druhý článek podrobně popisuje, jak optimalizovat a vyhodnotit konečný systém měření na bázi termistoru.
Jak je popsáno v předchozí sérii článků, Optimalizace systémů snímačů teploty RTD, RTD je rezistor, jehož odpor se mění s teplotou. Termistory fungují podobně jako RTD. Na rozdíl od RTD, které mají pouze kladný teplotní koeficient, termistor může mít kladný nebo záporný teplotní koeficient. Termistory se záporným teplotním koeficientem (NTC) snižují svůj odpor, když teplota stoupá, zatímco termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC) zvyšují svůj odpor, když teplota stoupá. Na Obr. 1 ukazuje charakteristiky odezvy typických termistorů NTC a PTC a porovnává je s křivkami RTD.
Pokud jde o teplotní rozsah, křivka RTD je téměř lineární a snímač pokrývá mnohem širší teplotní rozsah než termistory (typicky -200 °C až +850 °C) kvůli nelineární (exponenciální) povaze termistoru. RTD jsou obvykle poskytovány v dobře známých standardizovaných křivkách, zatímco křivky termistoru se liší podle výrobce. Podrobně to probereme v části průvodce výběrem termistoru v tomto článku.
Termistory jsou vyrobeny z kompozitních materiálů, obvykle keramiky, polymerů nebo polovodičů (obvykle oxidy kovů) a čistých kovů (platina, nikl nebo měď). Termistory mohou detekovat změny teploty rychleji než RTD a poskytují rychlejší zpětnou vazbu. Termistory jsou proto běžně používány senzory v aplikacích, které vyžadují nízkou cenu, malé rozměry, rychlejší odezvu, vyšší citlivost a omezený teplotní rozsah, jako je elektronika, řízení domácností a budov, vědecké laboratoře nebo kompenzace studených spojů pro termočlánky v komerčních aplikacích. nebo průmyslové aplikace. účely. Aplikace.
Ve většině případů se pro přesné měření teploty používají termistory NTC, nikoli termistory PTC. K dispozici jsou některé termistory PTC, které lze použít v obvodech nadproudové ochrany nebo jako resetovatelné pojistky pro bezpečnostní aplikace. Křivka odporu-teplota termistoru PTC ukazuje velmi malou oblast NTC před dosažením spínacího bodu (nebo Curieho bodu), nad nímž odpor prudce stoupá o několik řádů v rozsahu několika stupňů Celsia. Za nadproudových podmínek bude PTC termistor generovat silné samozahřívání při překročení spínací teploty a jeho odpor prudce vzroste, což sníží vstupní proud do systému, čímž se zabrání poškození. Spínací bod termistorů PTC je typicky mezi 60 °C a 120 °C a není vhodný pro řízení měření teploty v široké škále aplikací. Tento článek se zaměřuje na NTC termistory, které obvykle dokážou měřit nebo monitorovat teploty v rozsahu od -80 °C do +150 °C. Termistory NTC mají jmenovitý odpor v rozmezí od několika ohmů do 10 MΩ při 25 °C. Jak je znázorněno na Obr. 1 je změna odporu na stupeň Celsia u termistorů výraznější než u odporových teploměrů. Ve srovnání s termistory vysoká citlivost termistoru a vysoká hodnota odporu zjednodušují jeho vstupní obvody, protože termistory nevyžadují žádnou speciální konfiguraci zapojení, jako je 3- nebo 4-vodič, pro kompenzaci odporu vodiče. Konstrukce termistoru využívá pouze jednoduchou 2vodičovou konfiguraci.
Vysoce přesné měření teploty na bázi termistoru vyžaduje přesné zpracování signálu, analogově-digitální konverzi, linearizaci a kompenzaci, jak je znázorněno na obr. 2.
Přestože se signálový řetězec může zdát jednoduchý, existuje několik složitostí, které ovlivňují velikost, cenu a výkon celé základní desky. Portfolio precizních ADC ADI zahrnuje několik integrovaných řešení, jako je AD7124-4/AD7124-8, která poskytují řadu výhod pro návrh tepelného systému, protože většina stavebních bloků potřebných pro aplikaci je vestavěna. Při navrhování a optimalizaci řešení měření teploty na bázi termistoru však existují různé výzvy.
Tento článek pojednává o každém z těchto problémů a poskytuje doporučení pro jejich řešení a další zjednodušení procesu návrhu takových systémů.
Existuje široká škálaNTC termistoryna dnešním trhu, takže výběr správného termistoru pro vaši aplikaci může být skličující úkol. Všimněte si, že termistory jsou uvedeny podle jejich jmenovité hodnoty, což je jejich jmenovitý odpor při 25°C. Proto má termistor 10 kΩ jmenovitý odpor 10 kΩ při 25 °C. Termistory mají jmenovité nebo základní hodnoty odporu v rozmezí od několika ohmů do 10 MΩ. Termistory s nízkým odporem (nominální odpor 10 kΩ nebo méně) obvykle podporují nižší teplotní rozsahy, jako je -50 °C až +70 °C. Termistory s vyšší odolností odolávají teplotám až 300 °C.
Termistorový prvek je vyroben z oxidu kovu. Termistory jsou k dispozici v kuličkových, radiálních a SMD tvarech. Korálky termistoru jsou potaženy epoxidem nebo jsou zapouzdřeny ve skle pro dodatečnou ochranu. Epoxidem potažené kuličkové termistory, radiální a povrchové termistory jsou vhodné pro teploty do 150°C. Skleněné termistory jsou vhodné pro měření vysokých teplot. Všechny typy nátěrů/obalů také chrání proti korozi. Některé termistory budou mít také další kryty pro dodatečnou ochranu v drsném prostředí. Korálkové termistory mají rychlejší dobu odezvy než radiální/SMD termistory. Nejsou však tak odolné. Proto typ použitého termistoru závisí na koncové aplikaci a prostředí, ve kterém se termistor nachází. Dlouhodobá stabilita termistoru závisí na jeho materiálu, obalu a designu. Například termistor NTC s epoxidovým povlakem se může změnit o 0,2 °C za rok, zatímco utěsněný termistor se změní pouze o 0,02 °C za rok.
Termistory se dodávají v různé přesnosti. Standardní termistory mají typicky přesnost 0,5 °C až 1,5 °C. Odpor termistoru a hodnota beta (poměr 25 °C až 50 °C/85 °C) mají toleranci. Všimněte si, že hodnota beta termistoru se liší podle výrobce. Například 10 kΩ NTC termistory od různých výrobců budou mít různé hodnoty beta. Pro přesnější systémy lze použít termistory, jako je řada Omega™ 44xxx. Mají přesnost 0,1 °C nebo 0,2 °C v teplotním rozsahu 0 °C až 70 °C. Proto rozsah teplot, které lze měřit, a přesnost požadovaná v tomto teplotním rozsahu určuje, zda jsou termistory vhodné pro tuto aplikaci. Upozorňujeme, že čím vyšší je přesnost řady Omega 44xxx, tím vyšší jsou náklady.
Pro převod odporu na stupně Celsia se obvykle používá hodnota beta. Hodnota beta je určena znalostmi dvou teplotních bodů a odpovídajícího odporu v každém teplotním bodě.
RT1 = Teplotní odolnost 1 RT2 = Teplotní odolnost 2 T1 = Teplota 1 (K) T2 = Teplota 2 (K)
Uživatel použije hodnotu beta nejblíže teplotnímu rozsahu použitému v projektu. Většina datových listů termistorů uvádí hodnotu beta spolu s tolerancí odporu při 25 °C a tolerancí pro hodnotu beta.
Přesnější termistory a vysoce přesná řešení zakončení, jako je řada Omega 44xxx, používají Steinhart-Hartovu rovnici k převodu odporu na stupně Celsia. Rovnice 2 vyžaduje tři konstanty A, B a C, opět poskytnuté výrobcem snímače. Protože koeficienty rovnice jsou generovány pomocí tří teplotních bodů, výsledná rovnice minimalizuje chybu vnesenou linearizací (obvykle 0,02 °C).
A, B a C jsou konstanty odvozené ze tří nastavených hodnot teploty. R = odpor termistoru v ohmech T = teplota v K stupních
Na Obr. 3 ukazuje proudové buzení snímače. Řídicí proud je přiváděn do termistoru a stejný proud je přiváděn do přesného rezistoru; jako referenční pro měření se používá přesný odpor. Hodnota referenčního odporu musí být větší nebo rovna nejvyšší hodnotě odporu termistoru (v závislosti na nejnižší naměřené teplotě v systému).
Při volbě budícího proudu je třeba opět zohlednit maximální odpor termistoru. To zajišťuje, že napětí na snímači a referenčním rezistoru je vždy na úrovni přijatelné pro elektroniku. Zdroj budicího proudu vyžaduje určitou rezervu nebo přizpůsobení výstupu. Pokud má termistor vysoký odpor při nejnižší měřitelné teplotě, bude to mít za následek velmi nízký proud měniče. Proto je napětí generované přes termistor při vysoké teplotě malé. Programovatelné stupně zesílení lze použít k optimalizaci měření těchto signálů nízké úrovně. Zesílení však musí být naprogramováno dynamicky, protože úroveň signálu z termistoru se velmi mění s teplotou.
Další možností je nastavit zesílení, ale použít dynamický proud měniče. Proto, jak se mění úroveň signálu z termistoru, hodnota proudu měniče se dynamicky mění, takže napětí vyvinuté na termistoru je ve specifikovaném vstupním rozsahu elektronického zařízení. Uživatel musí zajistit, aby napětí vyvinuté na referenčním rezistoru bylo také na úrovni přijatelné pro elektroniku. Obě možnosti vyžadují vysokou úroveň řízení, neustálé sledování napětí na termistoru, aby elektronika mohla měřit signál. Existuje snadnější možnost? Zvažte buzení napětím.
Když je na termistor přivedeno stejnosměrné napětí, proud procházející termistorem se automaticky mění podle změny odporu termistoru. Nyní, s použitím přesného měřicího odporu místo referenčního odporu, jeho účelem je vypočítat proud protékající termistorem, což umožňuje vypočítat odpor termistoru. Protože se napětí měniče používá také jako referenční signál ADC, není vyžadován žádný stupeň zesílení. Procesor nemá za úkol monitorovat napětí termistoru, určovat, zda může elektronika měřit úroveň signálu, a vypočítat, jakou hodnotu zisku/proudu měniče je třeba upravit. Toto je metoda použitá v tomto článku.
Pokud má termistor malý odpor a rozsah odporu, lze použít napěťové nebo proudové buzení. V tomto případě lze proud a zesílení měniče opravit. Obvod tedy bude takový, jak je znázorněno na obrázku 3. Tato metoda je vhodná v tom, že je možné řídit proud přes snímač a referenční rezistor, což je cenné v aplikacích s nízkým výkonem. Navíc je minimalizováno samozahřívání termistoru.
Napěťové buzení lze také použít pro termistory s nízkým odporem. Uživatel však musí vždy zajistit, aby proud procházející senzorem nebyl pro senzor nebo aplikaci příliš vysoký.
Napěťové buzení zjednodušuje implementaci při použití termistoru s velkým jmenovitým odporem a širokým teplotním rozsahem. Větší jmenovitý odpor poskytuje přijatelnou úroveň jmenovitého proudu. Konstruktéři však musí zajistit, aby proud byl na přijatelné úrovni v celém teplotním rozsahu podporovaném aplikací.
Sigma-Delta ADC nabízí několik výhod při navrhování termistorového měřicího systému. Za prvé, protože sigma-delta ADC převzorkuje analogový vstup, je externí filtrování omezeno na minimum a jediným požadavkem je jednoduchý RC filtr. Poskytují flexibilitu typu filtru a výstupní přenosové rychlosti. Vestavěné digitální filtrování lze použít k potlačení jakéhokoli rušení v zařízeních napájených ze sítě. 24bitová zařízení jako AD7124-4/AD7124-8 mají plné rozlišení až 21,7 bitů, takže poskytují vysoké rozlišení.
Použití sigma-delta ADC výrazně zjednodušuje návrh termistoru a zároveň snižuje specifikace, náklady na systém, místo na desce a dobu uvedení na trh.
Tento článek používá AD7124-4/AD7124-8 jako ADC, protože se jedná o nízkošumové, nízkoproudé, přesné ADC s vestavěným PGA, vestavěnou referencí, analogovým vstupem a referenční vyrovnávací pamětí.
Bez ohledu na to, zda používáte proud měniče nebo napětí měniče, doporučuje se poměrová konfigurace, ve které referenční napětí a napětí snímače pocházejí ze stejného zdroje měniče. To znamená, že jakákoliv změna zdroje buzení neovlivní přesnost měření.
Na Obr. 5 ukazuje konstantní budicí proud pro termistor a přesný rezistor RREF, napětí vyvinuté na RREF je referenční napětí pro měření termistoru.
Budicí proud nemusí být přesný a může být méně stabilní, protože v této konfiguraci budou eliminovány jakékoli chyby budícího proudu. Obecně je buzení proudem upřednostňováno před buzením napětím kvůli vynikajícímu řízení citlivosti a lepší odolnosti vůči šumu, když je senzor umístěn ve vzdálených místech. Tento typ metody předpětí se obvykle používá pro RTD nebo termistory s nízkými hodnotami odporu. Pro termistor s vyšší hodnotou odporu a vyšší citlivostí však bude úroveň signálu generovaná každou změnou teploty větší, proto se používá napěťové buzení. Například termistor 10 kΩ má odpor 10 kΩ při 25 °C. Při -50°C je odpor NTC termistoru 441,117 kΩ. Minimální proud měniče 50 µA poskytovaný AD7124-4/AD7124-8 generuje 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, což je příliš vysoké napětí a mimo provozní rozsah většiny dostupných ADC používaných v této aplikační oblasti. Termistory jsou také obvykle připojeny nebo umístěny v blízkosti elektroniky, takže odolnost vůči budícímu proudu není vyžadována.
Přidání snímacího rezistoru do série jako obvodu děliče napětí omezí proud procházející termistorem na jeho minimální hodnotu odporu. V této konfiguraci se hodnota snímacího rezistoru RSENSE musí rovnat hodnotě odporu termistoru při referenční teplotě 25 °C, takže výstupní napětí se bude rovnat středu referenčního napětí při jeho jmenovité teplotě 25°CC Podobně, pokud je použit 10 kΩ termistor s odporem 10 kΩ při 25°C, RSENSE by měl být 10 kΩ. Se změnou teploty se mění i odpor NTC termistoru a mění se také poměr budícího napětí na termistoru, což má za následek, že výstupní napětí je úměrné odporu NTC termistoru.
Pokud se zvolená referenční napětí použitá k napájení termistoru a/nebo RSENSE shoduje s referenčním napětím ADC použitého pro měření, systém se nastaví na poměrové měření (obrázek 7), takže jakýkoli zdroj chybného napětí souvisejícího s buzením bude vychýlen k odstranění.
Všimněte si, že buď snímací odpor (napěťový) nebo referenční odpor (proudem) by měl mít nízkou počáteční toleranci a nízký drift, protože obě proměnné mohou ovlivnit přesnost celého systému.
Při použití více termistorů lze použít jedno budicí napětí. Každý termistor však musí mít svůj vlastní přesný snímací odpor, jak je znázorněno na obr. 8. Další možností je použití externího multiplexeru nebo nízkoodporového spínače v zapnutém stavu, který umožňuje sdílet jeden přesný snímací rezistor. S touto konfigurací potřebuje každý termistor při měření určitou dobu ustálení.
Stručně řečeno, při navrhování systému měření teploty na bázi termistoru je třeba zvážit mnoho otázek: výběr snímače, zapojení snímače, kompromisy při výběru komponent, konfigurace ADC a jak tyto různé proměnné ovlivňují celkovou přesnost systému. Další článek této série vysvětluje, jak optimalizovat návrh systému a celkový rozpočet na systémové chyby, abyste dosáhli požadovaného výkonu.
Čas odeslání: 30. září 2022