Toto je první článek ve dvoudílné řadě. Tento článek bude nejprve diskutovat o historických a designových výzváchteplota na bázi termistorůměřicí systémy, jakož i jejich srovnání s teploměrem teploměru rezistence (RTD). Popsá také výběr termistoru, kompromisů konfigurace a důležitost analogových převodníků Analog-digity Sigma-Delta (ADC) v této oblasti aplikace. Druhý článek podrobně popisuje, jak optimalizovat a vyhodnotit konečný systém měření založeného na termistoru.
Jak je popsáno v předchozí řadě článků, optimalizace systémů senzoru teploty RTD, RTD je rezistor, jehož odpor se mění s teplotou. Termistory pracují podobně jako RTD. Na rozdíl od RTD, které mají pouze pozitivní koeficient teploty, může mít termistor pozitivní nebo negativní teplotní koeficient. Termistory záporné teploty (NTC) snižují jejich rezistenci, jak se teplota zvyšuje, zatímco termistory pozitivního teplotního koeficientu (PTC) zvyšují jejich rezistenci, jak teplota stoupá. Na obr. 1 ukazuje charakteristiky odezvy typických NTC a PTC termistorů a porovnává je s RTD křivkami.
Pokud jde o teplotní rozsah, křivka RTD je téměř lineární a senzor pokrývá mnohem širší teplotní rozsah než termistory (obvykle -200 ° C až +850 ° C) v důsledku nelineární (exponenciální) povahy termistoru. RTD jsou obvykle poskytovány ve známých standardizovaných křivkách, zatímco termistorové křivky se liší podle výrobce. O tom budeme podrobně diskutovat v části průvodce výběrem termistorů v tomto článku.
Termistory jsou vyrobeny z kompozitních materiálů, obvykle keramiky, polymerů nebo polovodičů (obvykle oxidů kovů) a čistých kovů (platina, nikl nebo měď). Termistory mohou detekovat změny teploty rychleji než RTD, což poskytuje rychlejší zpětnou vazbu. Termistory jsou proto běžně používány senzory v aplikacích, které vyžadují nízké náklady, malou velikost, rychlejší odezvu, vyšší citlivost a omezený teplotní rozsah, jako je kontrola elektroniky, kontrola domova a budovy, vědecké laboratoře nebo kompenzace studených spojů za termočlánky v reklamě nebo průmyslové aplikace. účely. Aplikace.
Ve většině případů se termistory NTC používají pro přesné měření teploty, nikoli PTC termistory. K dispozici jsou některé termistory PTC, které mohou být použity v obvodech s nadproudým ochranou nebo jako reetuální pojistky pro bezpečnostní aplikace. Křivka rezistence templetury termistoru PTC ukazuje velmi malou oblast NTC před dosažením bodu spínače (nebo Curieho bodu), nad níž odpor ostře stoupá o několik řádů v rozmezí několika stupňů Celsia. Za nadprůměrných podmínek bude termistor PTC generovat silné sebehrytí, když je překročení přepínání překročení, a jeho odpor prudce vzroste, což sníží vstupní proud do systému, čímž se zabrání poškození. Přepínací bod termistorů PTC je obvykle mezi 60 ° C a 120 ° C a není vhodný pro kontrolu měření teploty v širokém rozsahu aplikací. Tento článek se zaměřuje na termistory NTC, které mohou obvykle měřit nebo monitorovat teploty v rozmezí od -80 ° C do +150 ° C. Termistory NTC mají hodnocení odporu od několika ohmů do 10 MΩ při 25 ° C. Jak je znázorněno na obr. 1, změna odporu na stupeň Celsia pro termistory je výraznější než pro teploměry odporu. Ve srovnání s termistory vysoká citlivost termistoru a vysoká hodnota odolnosti zjednodušují jeho vstupní obvody, protože termistory nevyžadují žádnou speciální konfiguraci zapojení, jako je 3vodičový nebo 4vodičový, aby se kompenzoval odolnost proti olovu. Návrh termistoru používá pouze jednoduchou 2vodičovou konfiguraci.
Měření teploty založené na termistoru s vysokou přesností vyžaduje přesné zpracování signálu, přeměnu analog-digitální, linearizaci a kompenzaci, jak je znázorněno na obr. 2.
Přestože se signální řetězec může zdát jednoduchý, existuje několik složitostí, které ovlivňují velikost, náklady a výkon celé základní desky. Precizní portfolio ADC ADI zahrnuje několik integrovaných řešení, jako je AD7124-4-4/AD7124-8, které poskytují řadu výhod pro návrh tepelného systému, protože většina stavebních bloků potřebných pro aplikaci je zabudována. Při navrhování a optimalizaci roztoků měření teploty na bázi termistorů však existují různé výzvy.
Tento článek pojednává o každém z těchto problémů a poskytuje doporučení pro jejich řešení a další zjednodušení procesu navrhování pro tyto systémy.
Existuje celá řadaTermistory NTCNa dnešním trhu může být výběr správného termistoru pro vaši aplikaci skličujícím úkolem. Všimněte si, že termistory jsou uvedeny podle jejich nominální hodnoty, což je jejich nominální odpor při 25 ° C. Proto má termistor 10 kΩ nominální odpor 10 kΩ při 25 ° C. Termistory mají nominální nebo základní hodnoty odporu od několika ohmů do 10 MΩ. Termistory s nízkým hodnocením odporu (nominální odolnost 10 kΩ nebo méně) obvykle podporují nižší teplotní rozsahy, jako je -50 ° C až +70 ° C. Termistory s vyššími hodnoceními odporu mohou odolávat teplotám až do 300 ° C.
Termistorový prvek je vyroben z oxidu kovu. Termistory jsou k dispozici ve tvarech míče, radiálních a SMD. Termistorové kuličky jsou potažené epoxidem nebo sklo zapouzdřené pro přidanou ochranu. Epoxidové potažené kulové termistory, radiální a povrchové termistory jsou vhodné pro teploty až do 150 ° C. Skleněné korálkové termistory jsou vhodné pro měření vysokých teplot. Všechny typy povlaků/obalu také chrání před korozí. Některé termistory budou mít také další pouzdra pro další 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 je termistor umístěn. Dlouhodobá stabilita termistoru závisí na jeho materiálu, balení a designu. Například termistor NTC potažený epoxidem se může měnit 0,2 ° C ročně, zatímco utěsněný termistor se mění pouze o 0,02 ° C ročně.
Termistory přicházejí v jiné přesnosti. Standardní termistory mají obvykle přesnost 0,5 ° C až 1,5 ° C. Hodnocení odporu 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 z 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 rozmezí 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. Vezměte prosím na vědomí, že čím vyšší je přesnost řady Omega 44xxx, tím vyšší jsou náklady.
K přeměně odolnosti na stupně Celsia se obvykle používá hodnota beta. Hodnota beta je stanovena známým dvěma teplotními body a odpovídajícím odporem v každém teplotním bodě.
RT1 = Odolnost proti teplotě 1 RT2 = Odolnost proti teplotě 2 T1 = teplota 1 (k) T2 = teplota 2 (k)
Uživatel používá hodnotu beta nejblíže k teplotnímu rozsahu použitému v projektu. Většina termistorových datových listů uvádí hodnotu beta spolu s tolerancí odporu při 25 ° C a tolerancí pro hodnotu beta.
Termistory s vyšší přesností a roztoky zakončení s vysokou přesností, jako je řada omega 44xxx, používají Steinhart-Hart rovnici k přeměně odporu na stupně Celsia. Rovnice 2 vyžaduje tři konstanty A, B a C, opět poskytované výrobcem senzoru. Protože koeficienty rovnice jsou generovány pomocí tří teplotních bodů, výsledná rovnice minimalizuje chybu zavedenou linearizací (obvykle 0,02 ° C).
A, B a C jsou konstanty odvozené ze tří žádaných bodů. R = Odolnost proti termistoru v ohmech t = teplota ve stupních k
Na obr. 3 ukazuje aktuální excitaci senzoru. Hnací proud je aplikován na termistor a stejný proud se aplikuje na přesný odpor; Jako reference pro měření se používá přesný rezistor. Hodnota referenčního rezistoru musí být větší nebo rovná nejvyšší hodnotě odolnosti termistoru (v závislosti na nejnižší teplotě měřené v systému).
Při výběru excitačního proudu je třeba znovu vzít v úvahu maximální odpor termistoru. Tím je zajištěno, že napětí přes senzor a referenční rezistor je vždy na úrovni přijatelné pro elektroniku. Zdroj aktuálního pole vyžaduje určité porovnávání s výstupem nebo výkonem. Pokud má termistor vysoký odpor při nejnižší měřitelné teplotě, bude to mít za následek velmi nízký hnací proud. Proto je napětí generované přes termistor při vysoké teplotě malé. Pro optimalizaci měření těchto nízkoúrovňových signálů lze použít programovatelné fáze zisku. Zisk však musí být programován dynamicky, protože hladina signálu od termistoru se velmi liší s teplotou.
Další možností je nastavit zisk, ale použít dynamický proud. Proto, jak se mění hladina signálu z termistoru, hodnota proudu pohonného proudu se mění dynamicky tak, aby se napětí vyvinuté přes termistor nachází v zadaném vstupním rozsahu elektronického zařízení. Uživatel musí zajistit, aby napětí vyvinuté napříč referenčním odporem bylo také na úrovni přijatelné pro elektroniku. Obě možnosti vyžadují vysokou úroveň kontroly, konstantní monitorování napětí přes termistor, aby elektronika mohla signál měřit. Existuje snazší možnost? Zvažte excitaci napětí.
Když je napětí stejnosměrného napětí na napětí na termistor, proud přes termistor se automaticky změní, jak se mění odpor termistoru. Nyní, s použitím přesného měřicího rezistoru místo referenčního rezistoru, je jeho účelem vypočítat proud protékající termistorem, což umožňuje vypočítat odolnost proti termistoru. Protože se jako referenční signál ADC používá také hnací napětí, není vyžadována žádná fáze zisku. Procesor nemá úlohu monitorování napětí termistoru, určení, zda úroveň signálu může být měřena elektronikou, a výpočet toho, co je třeba upravit hodnota zisku/aktuální hodnoty pohonu. Toto je metoda použitá v tomto článku.
Pokud má termistor malý rozsah odolnosti a odporu, lze použít excitace napětí nebo proudu. V tomto případě lze opravit proud a zisk pohonu. Obvod bude tedy znázorněn na obrázku 3. Tato metoda je vhodná v tom, že je možné ovládat proud prostřednictvím senzoru a referenčního odporu, který je cenný v aplikacích s nízkým výkonem. Kromě toho je minimalizováno samohryj termistoru.
Excitace napětí lze také použít pro termistory s nízkým hodnocením odporu. Uživatel však musí vždy zajistit, aby proud prostřednictvím senzoru nebyl pro senzor nebo aplikaci příliš vysoký.
Excitace napětí zjednodušuje implementaci při použití termistoru s velkým hodnocením odporu a širokým teplotním rozsahem. Větší nominální odpor poskytuje přijatelnou úroveň jmenovitého proudu. Návrháři však musí zajistit, aby proud byl na přijatelné úrovni v celém teplotním rozsahu podporovaném aplikací.
ADC Sigma-Delta nabízí při navrhování systému měření termistoru několik výhod. Za prvé, protože ADC Sigma-Delta přesahuje analogový vstup, externí filtrování je udržováno na minimu a jediným požadavkem je jednoduchý RC filtr. Poskytují flexibilitu při typu filtru a rychlosti výstupu. Vestavěné digitální filtrování lze použít k potlačení jakéhokoli rušení do síťových zařízení. 24bitová zařízení, jako je AD7124-4/AD7124-8, mají úplné rozlišení až 21,7 bitů, takže poskytují vysoké rozlišení.
Použití ADC Sigma-Delta výrazně zjednodušuje návrh termistoru a zároveň snižuje specifikaci, náklady na systémy, prostor desky a čas na trh.
Tento článek používá AD7124-4/AD7124-8 jako ADC, protože se jedná o nízký šum, nízký proud, přesný ADC s vestavěnou PGA, vestavěnou referencí, analogovým vstupním a referenčním vyrovnávací pamětí.
Bez ohledu na to, zda používáte proud hnacího proudu nebo hnacího napětí, se doporučuje ratiometrická konfigurace, ve které referenční napětí a napětí senzoru pocházejí ze stejného zdroje pohonu. To znamená, že jakákoli změna zdroje excitace neovlivní přesnost měření.
Na obr. 5 ukazuje konstantní hnací proud pro termistor a přesný rezistor RREF, napětí vyvinuté přes RREF je referenčním napětím pro měření termistoru.
Polní proud nemusí být přesný a může být méně stabilní, protože v této konfiguraci budou odstraněny jakékoli chyby v proudu pole. Obecně platí, že excitace proudu je upřednostňována před excitací napětí v důsledku kontroly nadřazenosti citlivosti a lepší imunity šumu, když je senzor umístěn na odlehlých místech. Tento typ metody zkreslení se obvykle používá pro RTD nebo termistory s nízkými hodnotami odporu. Avšak pro termistor s vyšší hodnotou odporu a vyšší citlivostí bude hladina signálu generovaná každou změnou teploty větší, takže se používá buzení napětí. Například termistor 10 KΩ má odpor 10 kΩ při 25 ° C. Při -50 ° C je odpor termistoru NTC 441,117 kΩ. Minimální hnací proud 50 µA poskytovaný AD7124-4/AD7124-8 generuje 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, což je příliš vysoké a mimo provozní rozsah nejvíce dostupných ADC používaných v této oblasti aplikace. Termistory jsou také obvykle spojeny nebo umístěny v blízkosti elektroniky, takže imunita pro řízení proudu není vyžadována.
Přidání smyslového rezistoru v sérii jako obvodu děliče napětí omezí proud termistorem na jeho minimální hodnotu odporu. V této konfiguraci musí být hodnota rezistoru smyslového rezistoru stejná jako hodnota odporu termistoru při referenční teplotě 25 ° C, takže výstupní napětí bude rovné středu referenčního napětí při jeho nominální teplotě po jeho nominální teplotě Podobně, 25 ° CC, pokud se používá termistor 10 kΩ s odporem 10 kΩ při 25 ° C, měl by být RSENSENS 10 kΩ. Jak se teplota mění, změní se také odolnost teperoristoru NTC a mění se také poměr hnacího napětí přes termistor, což má za následek, že výstupní napětí je úměrné odporu termistoru NTC.
Pokud se vybraná referencí napětí použitá k napájení termistoru a/nebo rsense odpovídá referenčnímu napětí ADC použitému pro měření, je systém nastaven na ratiometrické měření (obrázek 7), takže jakýkoli zdroj chybového napětí souvisejícího s excitací bude odstraněn.
Všimněte si, že buď smyslový rezistor (řízený napětí) nebo referenční rezistor (řízený proud) by měl mít nízkou počáteční toleranci a nízký drift, protože obě proměnné mohou ovlivnit přesnost celého systému.
Při použití více termistorů lze použít jedno excitační napětí. Každý termistor však musí mít svůj vlastní přesný smyslový rezistor, jak je znázorněno na obr. 8. S touto konfigurací potřebuje každý termistor, když je měřen.
Stručně řečeno, při navrhování systému měření teploty založený na termistoru existuje mnoho otázek, které je třeba zvážit: výběr senzoru, zapojení senzoru, kompromisy s výběrem komponent, 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 chybu systému k dosažení cílového výkonu.
Čas příspěvku: září-30-2022