Toto je první článek ze dvoudílné série. V tomto článku se nejprve budeme zabývat historií a designovými výzvamiteplota na bázi termistoruměřicí systémy, jakož i jejich srovnání se systémy měření teploty pomocí odporových teploměrů (RTD). Bude také popsána volba 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 měřicí systém založený na termistoru.
Jak je popsáno v předchozí sérii článků s názvem Optimalizace systémů teplotních senzorů s odporovými teploměry (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, může mít termistor kladný nebo záporný teplotní koeficient. Termistory s negativním teplotním koeficientem (NTC) snižují svůj odpor s rostoucí teplotou, zatímco termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC) svůj odpor s rostoucí teplotou zvyšují. Na obr. 1 jsou znázorněny charakteristiky odezvy typických termistorů NTC a PTC a porovnány s křivkami RTD.
Co se týče teplotního rozsahu, křivka RTD je téměř lineární a senzor pokrývá mnohem širší teplotní rozsah než termistory (obvykle -200 °C až +850 °C) kvůli nelineární (exponenciální) povaze termistoru. RTD se obvykle dodávají ve známých standardizovaných křivkách, zatímco křivky termistorů se liší podle výrobce. Podrobněji o tom pojednáme v části věnované výběru termistoru v tomto článku.
Termistory se vyrábějí z kompozitních materiálů, obvykle keramiky, polymerů nebo polovodičů (obvykle oxidů kovů) a čistých kovů (platiny, niklu nebo mědi). Termistory dokáží detekovat změny teploty rychleji než odporové teploměry (RTD), což poskytuje rychlejší zpětnou vazbu. Proto se termistory běžně používají v senzorech v aplikacích, které vyžadují nízké náklady, malé rozměry, rychlejší odezvu, vyšší citlivost a omezený teplotní rozsah, jako je řízení elektroniky, řízení domácností a budov, vědecké laboratoře nebo kompenzace studených spojů pro termočlánky v komerčních nebo průmyslových aplikacích.
Ve většině případů se pro přesné měření teploty používají NTC termistory, nikoli PTC termistory. K dispozici jsou některé PTC termistory, které lze použít v obvodech proti nadproudu nebo jako resetovatelné pojistky pro bezpečnostní aplikace. Křivka závislosti odporu na teplotě PTC termistoru vykazuje velmi malou oblast NTC před dosažením bodu přepnutí (nebo Curieova bodu), nad kterým odpor prudce stoupá o několik řádů v rozsahu několika stupňů Celsia. Za podmínek nadproudu PTC termistor při překročení spínací teploty silně samoohřívá a jeho odpor prudce stoupá, což sníží vstupní proud do systému, čímž zabrání poškození. Spínací bod PTC termistorů je obvykle 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 dokáží 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, změna odporu na stupeň Celsia u termistorů je výraznější než u odporových teploměrů. Ve srovnání s termistory zjednodušuje vysoká citlivost a vysoká hodnota odporu termistoru jeho vstupní obvody, protože termistory nevyžadují žádnou speciální konfiguraci zapojení, například 3vodičové nebo 4vodičové, pro kompenzaci odporu vodičů. Konstrukce termistoru používá pouze jednoduchou 2vodičovou konfiguraci.
Vysoce přesné měření teploty pomocí termistoru vyžaduje přesné zpracování signálu, analogově-digitální převod, linearizaci a kompenzaci, jak je znázorněno na obr. 2.
Ačkoli se signálový řetězec může zdát jednoduchý, existuje několik složitostí, které ovlivňují velikost, cenu a výkon celé základní desky. Portfolio přesných ADC převodníků ADI zahrnuje několik integrovaných řešení, jako například AD7124-4/AD7124-8, která poskytují řadu výhod pro návrh tepelných systémů, protože většina stavebních bloků potřebných pro aplikaci je integrována. Při navrhování a optimalizaci řešení pro měření teploty založených na termistorech 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 je k dispozici mnoho termistorů, takže výběr správného termistoru pro vaši aplikaci může být náročný úkol. Upozorňujeme, že termistory jsou uváděny podle své nominální hodnoty, což je jejich nominální odpor při 25 °C. Termistor s odporem 10 kΩ má tedy při 25 °C jmenovitý odpor 10 kΩ. Termistory mají nominální nebo základní hodnoty odporu v rozmezí od několika ohmů do 10 MΩ. Termistory s nízkým jmenovitým odporem (jmenovitý odpor 10 kΩ nebo méně) obvykle podporují nižší teplotní rozsahy, například -50 °C až +70 °C. Termistory s vyšším jmenovitým odporem odolávají teplotám až 300 °C.
Termistorový prvek je vyroben z oxidu kovu. Termistory jsou k dispozici v kulovém, radiálním a SMD tvaru. Termistory jsou pro větší ochranu potaženy epoxidem nebo zality sklem. Kuličkové termistory s epoxidovým povlakem, radiální a povrchové termistory jsou vhodné pro teploty až do 150 °C. Skleněné termistory jsou vhodné pro měření vysokých teplot. Všechny typy povlaků/obalů také chrání před korozí. Některé termistory mají také další pouzdra pro větší ochranu v náročných podmínkách. Perličkové 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 je termistor umístěn. Dlouhodobá stabilita termistoru závisí na jeho materiálu, balení a konstrukci. Například epoxidem potažený NTC termistor se může měnit o 0,2 °C za rok, zatímco utěsněný termistor se mění pouze o 0,02 °C za rok.
Termistory se dodávají v různé přesnosti. Standardní termistory mají obvykle přesnost 0,5 °C až 1,5 °C. Jmenovitý odpor termistoru a hodnota beta (poměr 25 °C až 50 °C/85 °C) mají toleranci. Upozorňujeme, že hodnota beta termistoru se liší v závislosti na výrobci. 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. Rozsah teplot, které lze měřit, a požadovaná přesnost v tomto teplotním rozsahu proto určují, zda jsou termistory pro tuto aplikaci vhodné. Upozorňujeme, že čím vyšší je přesnost řady Omega 44xxx, tím vyšší je cena.
Pro převod odporu na stupně Celsia se obvykle používá hodnota beta. Hodnota beta se určí na základě znalosti 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, která je 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.
Vyšší přesnost termistorů a vysoce přesných zakončovacích řešení, jako je řada Omega 44xxx, používá Steinhartovu-Hartovu rovnici k převodu odporu na stupně Celsia. Rovnice 2 vyžaduje tři konstanty A, B a C, které opět poskytuje výrobce senzoru. Protože koeficienty rovnice jsou generovány pomocí tří teplotních bodů, výsledná rovnice minimalizuje chybu způsobenou linearizací (obvykle 0,02 °C).
A, B a C jsou konstanty odvozené ze tří nastavených teplot. R = odpor termistoru v ohmech T = teplota v K stupních
Na obr. 3 je znázorněno buzení proudu senzoru. Budicí proud je přiveden na termistor a stejný proud je přiveden na přesný rezistor; přesný rezistor slouží jako reference pro měření. Hodnota referenčního rezistoru musí být větší nebo rovna nejvyšší hodnotě odporu termistoru (v závislosti na nejnižší naměřené teplotě v systému).
Při volbě budicího proudu je třeba opět zohlednit maximální odpor termistoru. Tím je zajištěno, že napětí na senzoru 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 budicí proud. Napětí generované na termistoru při vysoké teplotě je proto malé. Pro optimalizaci měření těchto signálů s nízkou úrovní lze použít programovatelné stupně zesílení. Zesílení však musí být programováno dynamicky, protože úroveň signálu z termistoru se s teplotou značně mění.
Další možností je nastavit zesílení, ale použít dynamický budicí proud. Proto se s měnící se úrovní signálu z termistoru dynamicky mění i hodnota budicího proudu, takže napětí vyvíjené na termistoru je v rámci specifikovaného vstupního rozsahu elektronického zařízení. Uživatel musí zajistit, aby napětí vyvíjené na referenčním rezistoru bylo také na úrovni přijatelné pro elektroniku. Obě možnosti vyžadují vysokou úroveň řízení a neustálé monitorování napětí na termistoru, aby elektronika mohla signál měřit. Existuje jednodušší možnost? Zvažte napěťové buzení.
Když je na termistor přivedeno stejnosměrné napětí, proud protékající termistorem se automaticky mění se změnou jeho odporu. Nyní se místo referenčního odporu používá přesný měřicí rezistor, jehož účelem je vypočítat proud protékající termistorem, a tím vypočítat odpor termistoru. Protože budicí napětí se používá také jako referenční signál ADC, není potřeba žádný zesilovací stupeň. Procesor nemá za úkol monitorovat napětí termistoru, určovat, zda lze úroveň signálu měřit elektronikou, a vypočítávat, jakou hodnotu zesílení/proudu je třeba upravit. Tato metoda je použita v tomto článku.
Pokud má termistor malý jmenovitý odpor a rozsah odporu, lze použít buzení napětím nebo proudem. V tomto případě lze nastavit budicí proud a zesílení. Obvod bude tedy vypadat, jak je znázorněno na obrázku 3. Tato metoda je výhodná v tom, že je možné řídit proud přes senzor a referenční rezistor, což je cenné v aplikacích s nízkým příkonem. Kromě toho je minimalizováno samoohřívání termistoru.
Napěťové buzení lze použít i pro termistory s nízkým odporem. Uživatel se však musí vždy ujistit, že proud procházející senzorem není pro daný 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 nabízejí při návrhu termistorového měřicího systému několik výhod. Zaprvé, protože sigma-Delta ADC převzorkovává analogový vstup, je externí filtrování minimalizováno a jediným požadavkem je jednoduchý RC filtr. Poskytují flexibilitu v typu filtru a výstupní přenosové rychlosti. Vestavěné digitální filtrování lze použít k potlačení jakéhokoli rušení v zařízeních napájených ze sítě. 24bitová zařízení, jako jsou 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 specifikaci, náklady na systém, prostor na desce plošných spojů a dobu uvedení na trh.
Tento článek používá jako ADC AD7124-4/AD7124-8, protože se jedná o nízkošumové, nízkoproudové, přesné ADC s vestavěným PGA, vestavěnou referencí, analogovým vstupem a referenční vyrovnávací pamětí.
Bez ohledu na to, zda používáte budicí proud nebo budicí napětí, doporučuje se poměrová konfigurace, ve které referenční napětí a napětí senzoru pocházejí ze stejného budicího zdroje. To znamená, že jakákoli změna budicího zdroje neovlivní přesnost měření.
Na obr. 5 je znázorněn 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 v budicím proudu. Obecně se upřednostňuje proudové buzení před napěťovým buzením kvůli lepší regulaci citlivosti a lepší odolnosti proti šumu, pokud je senzor umístěn ve vzdálených místech. Tento typ metody předpětí se obvykle používá pro RTD nebo termistory s nízkými hodnotami odporu. U termistoru 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 termistoru NTC 441,117 kΩ. Minimální budicí proud 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 imunita vůči budicímu proudu není vyžadována.
Přidání snímacího rezistoru do série jako obvod děliče napětí omezí proud procházející termistorem na jeho minimální hodnotu odporu. V této konfiguraci musí být hodnota snímacího rezistoru RSENSE rovna hodnotě odporu termistoru při referenční teplotě 25 °C, aby výstupní napětí bylo rovno středu referenčního napětí při jeho nominální teplotě 25 °C. Podobně, pokud je použit termistor 10 kΩ s odporem 10 kΩ při 25 °C, měla by být RSENSE 10 kΩ. Se změnou teploty se mění také odpor termistoru NTC a mění se také poměr budicího napětí na termistoru, což má za následek, že výstupní napětí je úměrné odporu termistoru NTC.
Pokud zvolené referenční napětí použité k napájení termistoru a/nebo RSENSE odpovídá referenčnímu napětí ADC použitému pro měření, systém se nastaví na poměrové měření (obrázek 7), takže jakýkoli zdroj chybového napětí související s budením bude předpjat, aby se odstranily.
Všimněte si, že buď snímací rezistor (řízený napětím), nebo referenční rezistor (řízený 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 rezistor, jak je znázorněno na obr. 8. Další možností je použití externího multiplexoru nebo nízkoodporového spínače v zapnutém stavu, což umožňuje sdílení jednoho přesného snímacího rezistoru. V této konfiguraci potřebuje každý termistor při měření určitou dobu ustálení.
Stručně řečeno, při návrhu systému pro měření teploty založeného na termistoru je třeba zvážit mnoho otázek: výběr senzoru, zapojení senzoru, kompromisy při výběru součástek, konfigurace ADC a jak tyto různé proměnné ovlivňují celkovou přesnost systému. Další článek v této sérii vysvětluje, jak optimalizovat návrh systému a celkový rozpočet na chyby systému, abyste dosáhli cílového výkonu.
Čas zveřejnění: 30. září 2022