Това е първата статия от поредица от две части. В нея първо ще бъдат обсъдени историята и предизвикателствата пред дизайна натемпература, базирана на термисторизмервателни системи, както и тяхното сравнение със системи за измерване на температурата с резистентни термометри (RTD). Ще бъде описан и изборът на термистор, компромисите при конфигурацията и значението на сигма-делта аналогово-цифровите преобразуватели (ADC) в тази област на приложение. Втората статия ще разгледа подробно как да се оптимизира и оцени крайната измервателна система, базирана на термистор.
Както е описано в предишната поредица статии „Оптимизиране на системи с температурни сензори с RTD“, RTD е резистор, чието съпротивление варира в зависимост от температурата. Термисторите работят подобно на RTD. За разлика от RTD, които имат само положителен температурен коефициент, термисторът може да има положителен или отрицателен температурен коефициент. Термисторите с отрицателен температурен коефициент (NTC) намаляват съпротивлението си с повишаване на температурата, докато термисторите с положителен температурен коефициент (PTC) увеличават съпротивлението си с повишаване на температурата. На фиг. 1 са показани характеристиките на отклик на типични NTC и PTC термистори и са сравнени с RTD криви.
По отношение на температурния диапазон, кривата на RTD е почти линейна и сензорът покрива много по-широк температурен диапазон от термисторите (обикновено от -200°C до +850°C) поради нелинейния (експоненциален) характер на термистора. RTD обикновено се предоставят в добре познати стандартизирани криви, докато кривите на термистора варират в зависимост от производителя. Ще обсъдим това подробно в раздела за ръководство за избор на термистор на тази статия.
Термисторите са изработени от композитни материали, обикновено керамика, полимери или полупроводници (обикновено метални оксиди) и чисти метали (платина, никел или мед). Термисторите могат да откриват температурни промени по-бързо от RTD, осигурявайки по-бърза обратна връзка. Следователно, термисторите често се използват от сензори в приложения, които изискват ниска цена, малък размер, по-бърза реакция, по-висока чувствителност и ограничен температурен диапазон, като например управление на електроника, управление на домове и сгради, научни лаборатории или компенсация на студените съединения за термодвойки в търговски или промишлени приложения.
В повечето случаи за точно измерване на температурата се използват NTC термистори, а не PTC термистори. Предлагат се някои PTC термистори, които могат да се използват в схеми за защита от свръхток или като предпазители с възможност за нулиране за приложения за безопасност. Кривата съпротивление-температура на PTC термистор показва много малка NTC област, преди да достигне точката на превключване (или точката на Кюри), над която съпротивлението се повишава рязко с няколко порядъка в диапазона от няколко градуса по Целзий. При условия на свръхток, PTC термисторът ще генерира силно самонагряване, когато температурата на превключване бъде превишена, и съпротивлението му ще се повиши рязко, което ще намали входния ток към системата, като по този начин ще предотврати повреда. Точката на превключване на PTC термисторите обикновено е между 60°C и 120°C и не е подходяща за контролиране на измерванията на температурата в широк спектър от приложения. Тази статия се фокусира върху NTC термистори, които обикновено могат да измерват или наблюдават температури в диапазона от -80°C до +150°C. NTC термисторите имат съпротивление, вариращо от няколко ома до 10 MΩ при 25°C. Както е показано на фиг. 1, промяната в съпротивлението на градус Целзий за термисторите е по-изразена, отколкото за съпротивителните термометри. В сравнение с термисторите, високата чувствителност и високата стойност на съпротивлението на термистора опростяват входната му схема, тъй като термисторите не изискват специална конфигурация на окабеляването, като например 3-проводно или 4-проводно, за да компенсират съпротивлението на проводниците. Конструкцията на термистора използва само проста 2-проводна конфигурация.
Високопрецизното измерване на температурата с помощта на термистор изисква прецизна обработка на сигнала, аналогово-цифрово преобразуване, линеаризация и компенсация, както е показано на фиг. 2.
Въпреки че сигналната верига може да изглежда проста, има няколко сложности, които влияят върху размера, цената и производителността на цялата дънна платка. Портфолиото от прецизни аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) на ADI включва няколко интегрирани решения, като например AD7124-4/AD7124-8, които предоставят редица предимства за проектирането на термични системи, тъй като повечето от градивните елементи, необходими за дадено приложение, са вградени. Съществуват обаче различни предизвикателства при проектирането и оптимизирането на решения за измерване на температура, базирани на термистор.
Тази статия разглежда всеки един от тези проблеми и предоставя препоръки за решаването им и допълнително опростяване на процеса на проектиране на такива системи.
Има голямо разнообразие отNTC термисторина пазара днес, така че изборът на правилния термистор за вашето приложение може да бъде трудна задача. Обърнете внимание, че термисторите са изброени по номинална стойност, която е номиналното им съпротивление при 25°C. Следователно, термистор от 10 kΩ има номинално съпротивление от 10 kΩ при 25°C. Термисторите имат номинални или основни стойности на съпротивление, вариращи от няколко ома до 10 MΩ. Термисторите с ниски номинални стойности на съпротивление (номинално съпротивление от 10 kΩ или по-малко) обикновено поддържат по-ниски температурни диапазони, като например -50°C до +70°C. Термисторите с по-високи номинални стойности на съпротивление могат да издържат на температури до 300°C.
Термисторният елемент е изработен от метален оксид. Термисторите се предлагат в сферични, радиални и SMD форми. Термисторните мъниста са покрити с епоксидна смола или са капсуловани със стъкло за допълнителна защита. Епоксидно покрити сферични термистори, радиални и повърхностни термистори са подходящи за температури до 150°C. Термисторите със стъклени мъниста са подходящи за измерване на високи температури. Всички видове покрития/опаковки също предпазват от корозия. Някои термистори ще имат и допълнителни корпуси за допълнителна защита в тежки условия. Термисторите с мъниста имат по-бързо време за реакция от радиалните/SMD термистори. Те обаче не са толкова издръжливи. Следователно, типът на използвания термистор зависи от крайното приложение и средата, в която се намира термисторът. Дългосрочната стабилност на термистора зависи от неговия материал, опаковка и дизайн. Например, NTC термистор с епоксидно покритие може да се променя с 0,2°C годишно, докато запечатан термистор се променя само с 0,02°C годишно.
Термисторите се предлагат с различна точност. Стандартните термистори обикновено имат точност от 0,5°C до 1,5°C. Номиналното съпротивление на термисторите и бета стойността (съотношение от 25°C до 50°C/85°C) имат допустимо отклонение. Обърнете внимание, че бета стойността на термисторите варира в зависимост от производителя. Например, 10 kΩ NTC термистори от различни производители ще имат различни бета стойности. За по-точни системи могат да се използват термистори като серията Omega™ 44xxx. Те имат точност от 0,1°C или 0,2°C в температурен диапазон от 0°C до 70°C. Следователно, диапазонът от температури, които могат да бъдат измерени, и необходимата точност в този температурен диапазон определят дали термисторите са подходящи за това приложение. Моля, обърнете внимание, че колкото по-висока е точността на серията Omega 44xxx, толкова по-висока е цената.
За преобразуване на съпротивлението в градуси по Целзий обикновено се използва бета-стойността. Бета-стойността се определя, като се познават двете температурни точки и съответното съпротивление във всяка температурна точка.
RT1 = Температурно съпротивление 1 RT2 = Температурно съпротивление 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Потребителят използва бета стойността, най-близка до температурния диапазон, използван в проекта. Повечето информационни листове за термисторите посочват бета стойност, заедно с толеранс на съпротивлението при 25°C и толеранс за бета стойността.
Термистори с по-висока прецизност и решения за високопрецизно завършване, като например серията Omega 44xxx, използват уравнението на Щайнхарт-Харт, за да преобразуват съпротивлението в градуси по Целзий. Уравнение 2 изисква трите константи A, B и C, отново предоставени от производителя на сензора. Тъй като коефициентите на уравнението се генерират с помощта на три температурни точки, полученото уравнение минимизира грешката, въведена от линеаризацията (обикновено 0,02 °C).
A, B и C са константи, получени от три зададени температурни точки. R = съпротивление на термистора в ома T = температура в K градуси
На фиг. 3 е показано токовото възбуждане на сензора. Задвижващ ток се подава към термистора и същият ток се подава към прецизния резистор; прецизен резистор се използва като референтен резистор за измерване. Стойността на референтния резистор трябва да бъде по-голяма или равна на най-високата стойност на съпротивлението на термистора (в зависимост от най-ниската измерена температура в системата).
При избора на възбуждащ ток отново трябва да се вземе предвид максималното съпротивление на термистора. Това гарантира, че напрежението между сензора и референтния резистор винаги е на ниво, приемливо за електрониката. Източникът на възбуждащ ток изисква известен запас от мощност или съгласуване на изхода. Ако термисторът има високо съпротивление при най-ниската измерима температура, това ще доведе до много нисък ток на задвижване. Следователно, напрежението, генерирано върху термистора при висока температура, е малко. Програмируеми степени на усилване могат да се използват за оптимизиране на измерването на тези сигнали с ниско ниво. Усилването обаче трябва да се програмира динамично, тъй като нивото на сигнала от термистора варира значително в зависимост от температурата.
Друг вариант е да се зададе усилването, но да се използва динамичен ток на задвижване. Следователно, с промяната на нивото на сигнала от термистора, стойността на тока на задвижване се променя динамично, така че напрежението, развито върху термистора, да е в рамките на зададения входен диапазон на електронното устройство. Потребителят трябва да се увери, че напрежението, развито върху референтния резистор, също е на ниво, приемливо за електрониката. И двата варианта изискват високо ниво на контрол, постоянно наблюдение на напрежението върху термистора, така че електрониката да може да измери сигнала. Има ли по-лесен вариант? Помислете за възбуждане с напрежение.
Когато към термистора се приложи постоянно напрежение, токът през него автоматично се променя с промяната на съпротивлението му. Сега, използвайки прецизен измервателен резистор вместо референтен резистор, неговата цел е да изчисли тока, протичащ през термистора, като по този начин позволява изчисляването на съпротивлението на термистора. Тъй като управляващото напрежение се използва и като референтен сигнал на аналогово-цифровия преобразувател (ADC), не е необходим каскад за усилване. Процесорът няма задачата да следи напрежението на термистора, да определя дали нивото на сигнала може да бъде измерено от електрониката и да изчислява каква стойност на усилването/тока на задвижването трябва да се регулира. Това е методът, използван в тази статия.
Ако термисторът има малък номинален резистор и диапазон на съпротивлението, може да се използва възбуждане по напрежение или ток. В този случай, токът на задвижване и коефициентът на усилване могат да бъдат фиксирани. По този начин веригата ще бъде показана на Фигура 3. Този метод е удобен, тъй като е възможно да се контролира токът през сензора и референтния резистор, което е ценно в приложения с ниска мощност. Освен това, самонагряването на термистора е сведено до минимум.
Възбуждането с напрежение може да се използва и за термистори с ниско съпротивление. Потребителят обаче винаги трябва да се увери, че токът през сензора не е твърде висок за сензора или приложението.
Възбуждането с напрежение опростява реализацията при използване на термистор с голямо номинално съпротивление и широк температурен диапазон. По-голямото номинално съпротивление осигурява приемливо ниво на номинален ток. Проектантите обаче трябва да гарантират, че токът е на приемливо ниво в целия температурен диапазон, поддържан от приложението.
Сигма-делта аналогово-цифровите преобразуватели (АЦП) предлагат няколко предимства при проектирането на система за измерване на термистор. Първо, тъй като сигма-делта АЦП преосемплира аналоговия вход, външното филтриране е сведено до минимум и единственото изискване е прост RC филтър. Те осигуряват гъвкавост по отношение на типа филтър и изходната скорост на предаване. Вграденото цифрово филтриране може да се използва за потискане на всякакви смущения в устройства, захранвани от мрежата. 24-битовите устройства, като AD7124-4/AD7124-8, имат пълна резолюция до 21,7 бита, така че осигуряват висока резолюция.
Използването на сигма-делта аналогово-цифров преобразувател (ADC) значително опростява дизайна на термистора, като същевременно намалява спецификациите, системните разходи, пространството на платката и времето за пускане на пазара.
Тази статия използва AD7124-4/AD7124-8 като аналогово-цифров преобразувател (АЦП), защото те са нискошумови, нискотокови, прецизни АЦП с вграден PGA, вградена референтна стойност, аналогов вход и буфер за референтна стойност.
Независимо дали използвате задвижващ ток или задвижващо напрежение, препоръчва се ратиометрична конфигурация, при която референтното напрежение и напрежението на сензора идват от един и същ задвижващ източник. Това означава, че всяка промяна в източника на възбуждане няма да повлияе на точността на измерването.
На фиг. 5 е показан постоянният ток на задвижване за термистора и прецизния резистор RREF, като напрежението, развито върху RREF, е референтното напрежение за измерване на термистора.
Токът на полето не е необходимо да бъде точен и може да е по-малко стабилен, тъй като всички грешки в тока на полето ще бъдат елиминирани в тази конфигурация. Обикновено токовото възбуждане е за предпочитане пред напреженовото възбуждане поради превъзходния контрол на чувствителността и по-добрата устойчивост на шум, когато сензорът е разположен на отдалечени места. Този тип метод на отклонение обикновено се използва за RTD или термистори с ниски стойности на съпротивлението. Въпреки това, за термистор с по-висока стойност на съпротивлението и по-висока чувствителност, нивото на сигнала, генерирано от всяка промяна на температурата, ще бъде по-голямо, така че се използва напреженово възбуждане. Например, термистор 10 kΩ има съпротивление 10 kΩ при 25°C. При -50°C съпротивлението на NTC термистора е 441.117 kΩ. Минималният ток на задвижване от 50 µA, осигурен от AD7124-4/AD7124-8, генерира 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, което е твърде високо и извън работния диапазон на повечето налични ADC, използвани в тази област на приложение. Термисторите също обикновено са свързани или разположени близо до електрониката, така че не е необходима защита срещу задвижващ ток.
Добавянето на сензорен резистор последователно като схема на делител на напрежение ще ограничи тока през термистора до минималната му стойност на съпротивление. В тази конфигурация стойността на сензорния резистор RSENSE трябва да бъде равна на стойността на съпротивлението на термистора при референтна температура от 25°C, така че изходното напрежение да е равно на средната точка на референтното напрежение при номиналната му температура от 25°C. По подобен начин, ако се използва термистор 10 kΩ със съпротивление 10 kΩ при 25°C, RSENSE трябва да бъде 10 kΩ. С промяната на температурата се променя и съпротивлението на NTC термистора, както и съотношението на управляващото напрежение върху термистора, което води до пропорционалност на изходното напрежение на съпротивлението на NTC термистора.
Ако избраното референтно напрежение, използвано за захранване на термистора и/или RSENSE, съвпада с референтното напрежение на аналогово-цифровия преобразувател (ADC), използвано за измерване, системата се настройва на ратиометрично измерване (Фигура 7), така че всеки източник на грешка на напрежение, свързан с възбуждането, ще бъде отклонен, за да се отстрани.
Обърнете внимание, че или сензорният резистор (задвижван от напрежение), или референтният резистор (задвижван от ток) трябва да имат нисък начален толеранс и нисък дрейф, тъй като и двете променливи могат да повлияят на точността на цялата система.
Когато се използват множество термистора, може да се използва едно възбуждащо напрежение. Всеки термистор обаче трябва да има свой собствен прецизен сензорен резистор, както е показано на фиг. 8. Друг вариант е да се използва външен мултиплексор или нискосъпротивителен превключвател във включено състояние, което позволява споделянето на един прецизен сензорен резистор. При тази конфигурация всеки термистор се нуждае от известно време за установяване при измерване.
В обобщение, при проектирането на система за измерване на температура, базирана на термистор, има много въпроси, които трябва да се вземат предвид: избор на сензор, окабеляване на сензора, компромиси при избора на компоненти, конфигурация на аналогово-цифровия преобразувател (ADC) и как тези различни променливи влияят на общата точност на системата. Следващата статия от тази поредица обяснява как да оптимизирате дизайна на вашата система и общия бюджет за системни грешки, за да постигнете целевата си производителност.
Време на публикуване: 30 септември 2022 г.