Това е първата статия от серия от две части. Тази статия първо ще обсъди предизвикателствата пред историята и дизайна наТемпература на базата на термисторСистеми за измерване, както и тяхното сравнение със системите за измерване на температурата на термометъра за съпротивление (RTD). Той също така ще опише избора на термистор, компромиси с конфигурация и значението на Sigma-Delta аналогови-дигитални преобразуватели (ADC) в тази област на приложение. Втората статия ще опише подробно как да оптимизира и оцени крайната система за измерване на базата на термистор.
Както е описано в предишната серия на статията, оптимизирайки сензорните системи за температура на RTD, RTD е резистор, чието съпротивление варира в зависимост от температурата. Термисторите работят подобно на RTD. За разлика от RTD, които имат само положителен коефициент на температура, термисторът може да има положителен или отрицателен температурен коефициент. Отрицателните температурни коефициенти (NTC) термисторите намаляват тяхното съпротивление с повишаване на температурата, докато термисторите с положителна температура (PTC) увеличават тяхното съпротивление с повишаване на температурата. На фиг. 1 показва характеристиките на отговора на типичните NTC и PTC термистори и ги сравнява с RTD криви.
По отношение на температурния диапазон кривата на RTD е почти линейна, а сензорът покрива много по -широк температурен диапазон от термисторите (обикновено -200 ° C до +850 ° C) поради нелинейния (експоненциален) характер на термистора. RTD обикновено се предоставят в добре известни стандартизирани криви, докато термисторните криви варират в зависимост от производителя. Ще обсъдим това подробно в раздела за подбор 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 открият температурните промени по -бързо от RTD, осигурявайки по -бърза обратна връзка. Следователно, термисторите обикновено се използват от сензори в приложения, които изискват ниска цена, малък размер, по -бърза реакция, по -висока чувствителност и ограничен температурен диапазон, като контрол на електрониката, контрол на дома и строителството, научни лаборатории или компенсация на студения възел за термодвойки в търговските търговски или индустриални приложения. цели. Приложения.
В повечето случаи NTC термисторите се използват за точно измерване на температурата, а не за PTC термистори. Предлагат се някои PTC термистори, които могат да се използват в вериги за защита от свръхток или като презаседаеми предпазители за приложения за безопасност. Кривата на съпротивление-температура на PTC термистор показва много малък NTC регион, преди да достигне точката на превключване (или точката на Кюри), над която съпротивлението се повишава рязко с няколко порядъка в обхвата на няколко градуса по Целзий. При условия на свръхток, термисторът на PTC ще генерира силно самогрощане, когато температурата на превключване е надвишена и съпротивлението му ще се повиши рязко, което ще намали входния ток на системата, като по този начин ще предотврати повреди. Точката на превключване на PTC термисторите обикновено е между 60 ° C и 120 ° C и не е подходяща за контрол на измерванията на температурата в широк диапазон от приложения. Тази статия се фокусира върху термисторите на NTC, които обикновено могат да измерват или наблюдават температурите, вариращи от -80 ° C до +150 ° C. NTC термисторите имат оценки на съпротивлението, вариращи от няколко ома до 10 MΩ при 25 ° C. Както е показано на фиг. 1, промяната в съпротивлението на градус по Целзий за термистори е по -изразена, отколкото при термометри за съпротивление. В сравнение с термисторите, високата чувствителност на термистора и стойността на високата съпротивление опростяват входната му схема, тъй като термисторите не изискват специална конфигурация на окабеляване, като 3-жила или 4-проводник, за да компенсират съпротивлението на оловото. Термисторният дизайн използва само проста 2-проводница.
Високото прецизно измерване на температурата на базата на термистор изисква прецизна обработка на сигнала, аналогово-цифрова конверсия, линеаризация и компенсация, както е показано на фиг. 2.
Въпреки че сигналната верига може да изглежда проста, има няколко сложности, които влияят на размера, разходите и производителността на цялата дънна платка. Precision ADC портфолиото на ADI включва няколко интегрирани решения, като AD7124-4/AD7124-8, които осигуряват редица предимства за дизайна на термичната система, тъй като повечето от строителните блокове, необходими за приложение, са вградени. Съществуват обаче различни предизвикателства при проектирането и оптимизирането на решения за измерване на температурата на базата на термистор.
Тази статия обсъжда всеки 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 обезсърчаваща задача. Обърнете внимание, че термисторите са изброени по номиналната им стойност, която е тяхната номинална съпротивление при 25 ° C. Следователно, 10 kΩ термистор има номинална съпротивление от 10 kΩ при 25 ° C. Термисторите имат номинални или основни стойности на съпротивление, вариращи от няколко ома до 10 MΩ. Термисторите с ниско съпротивление (номинална съпротивление от 10 kΩ или по -малко) обикновено поддържат по -ниски температурни диапазони, като -50 ° C до +70 ° C. Термисторите с по -високи оценки на съпротивление могат да издържат на температури до 300 ° C.
Термисторният елемент е изработен от метален оксид. Термисторите се предлагат в топка, радиални и SMD форми. Термисторните мъниста са епоксидно покритие или стъкло, капсулирани за допълнителна защита. Термисторите с епоксидно покритие, радиалните и повърхностните термистори са подходящи за температури до 150 ° C. Стъклените термистори са подходящи за измерване на високи температури. Всички видове покрития/опаковки също предпазват от корозия. Някои термистори също ще имат допълнителни корпуси за допълнителна защита в тежки среди. Термисторите на мъниста имат по -бързо време за реакция от радиалните/SMD термистори. Те обаче не са толкова трайни. 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, термистор с епоксидно покритие NTC може да се променя 0,2 ° C годишно, докато запечатаният термистор променя само 0,02 ° C годишно.
Термисторите идват с различна точност. Стандартните термистори обикновено имат точност от 0,5 ° C до 1,5 ° C. Оценката на съпротивлението на термистора и бета стойност (съотношение 25 ° C до 50 ° C/85 ° C) имат толеранс. Обърнете внимание, че бета стойността на термистора 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 ° С или 0,2 ° С в температурен диапазон от 0 ° С до 70 ° С. Следователно диапазонът на температурите, които могат да бъдат измерени, и необходимата точност в този температурен диапазон определя 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 чрез познаване на 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 стойност, най -близък до температурния диапазон, използван в проекта. Повечето таблици с данни за термистор изброяват бета стойност заедно с толеранс на съпротивление при 25 ° C и толеранс към бета стойността.
Термистори с по-висока прецизност и разтвори с висока прецизна прекратяване като серията Omega 44xxx използват уравнението на Steinhart-Hart за преобразуване на устойчивост в градуси по Целзий. Уравнение 2 изисква трите константа A, B и C, отново предоставени от производителя на сензора. Тъй като коефициентите на уравнение се генерират с помощта на три температурни точки, полученото уравнение свежда до минимум грешката, въведена чрез линеаризация (обикновено 0,02 ° C).
A, B и C са константи, получени от три температурни настройки. R = Термисторно съпротивление в ома T = температура в k градуси
На фиг. 3 показва текущото възбуждане на сензора. Задвижващият ток се прилага към термистора и същият ток се прилага към прецизния резистор; Прецизен резистор се използва като ориентир за измерване. Стойността на референтния резистор трябва да бъде по -голяма или равна на най -високата стойност на термисторното съпротивление (в зависимост от най -ниската температура, измерена в системата).
Когато избирате тока на възбуждане, трябва да се вземе предвид максималното съпротивление на термистора. Това гарантира, че напрежението през сензора и референтния резистор винаги е на ниво, приемливо за електрониката. Източникът на тока на полето изисква малко място за глава или изход. Ако термисторът има високо съпротивление при най -ниската измерима температура, това ще доведе до много нисък задвижващ ток. Следователно напрежението, генерирано през термистора при висока температура, е малко. Програмируемите етапи на усилване могат да се използват за оптимизиране на измерването на тези сигнали на ниско ниво. Обаче усилването трябва да се програмира динамично, тъй като нивото на сигнала от термистора варира значително в зависимост от температурата.
Друг вариант е да зададете печалбата, но използвайте динамичен ток на задвижването. Следователно, тъй като нивото на сигнала от термистора се променя, стойността на тока на задвижването се променя динамично, така че напрежението, разработено в термистора, да е в рамките на определения входен диапазон на електронното устройство. Потребителят трябва да гарантира, че напрежението, разработено през референтния резистор, също е на ниво, приемливо за електрониката. И двете опции изискват високо ниво на контрол, постоянен мониторинг на напрежението през термистора, така че електрониката да може да измерва сигнала. Има ли по -лесен вариант? Помислете за възбуждане на напрежението.
Когато DC напрежението се прилага към термистора, токът през термистора автоматично се мащабира, тъй като съпротивлението на термистора се променя. Сега, използвайки прецизно измерване на резистор вместо референтен резистор, целта му е да се изчисли токът, преминаващ през термистора, като по този начин позволява да се изчисли термисторното съпротивление. Тъй като напрежението на задвижването се използва и като референтен сигнал на ADC, не се изисква етап на усилване. Процесорът няма задача да наблюдава напрежението на термистора, определяйки дали нивото на сигнала може да бъде измерено чрез електрониката и да се изчисли каква стойност на усилване/ток трябва да бъде коригирана. Това е методът, използван в тази статия.
Ако термисторът има малък диапазон на съпротивление и съпротивление, може да се използва възбуждане на напрежение или ток. В този случай токът на задвижването и усилването могат да бъдат фиксирани. По този начин веригата ще бъде както е показано на фигура 3. Този метод е удобен, тъй като е възможно да се контролира токът през сензора и референтния резистор, който е ценна при приложения с ниска мощност. В допълнение, самонаглъчването на термистора е сведено до минимум.
Включването на напрежението може да се използва и за термистори с ниско съпротивление. Потребителят обаче винаги трябва да гарантира, че токът през сензора не е твърде висок за сензора или приложението.
Възбуждането на напрежението опростява прилагането при използване на термистор с голяма оценка на съпротивлението и широк температурен диапазон. По -голямата номинална устойчивост осигурява приемливо ниво на номиналния ток. Дизайнерите обаче трябва да гарантират, че токът е на приемливо ниво в целия температурен диапазон, поддържан от приложението.
Sigma-Delta ADC предлагат няколко предимства при проектирането на система за измерване на термистор. Първо, тъй като Sigma-Delta ADC препродава аналоговия вход, външното филтриране се свежда до минимум и единственото изискване е прост RC филтър. Те осигуряват гъвкавост в типа на филтъра и скоростта на предаване на изхода. Вграденото цифрово филтриране може да се използва за потискане на всякакви смущения в захранващите устройства. 24-битовите устройства като AD7124-4/AD7124-8 имат пълна резолюция до 21,7 бита, така че те осигуряват висока разделителна способност.
Използването на Sigma-Delta ADC значително опростява дизайна на термистора, като същевременно намалява спецификацията, цената на системата, пространството на дъската и времето за пазара.
Тази статия използва AD7124-4/AD7124-8 като ADC, тъй като те са с нисък шум, нисък ток, прецизен ADC с вграден PGA, вграден референтен, аналогов вход и референтен буфер.
Независимо дали използвате задвижващия ток или напрежението на задвижването, се препоръчва съотношение конфигурация, при която референтното напрежение и напрежението на сензора идват от същия източник на задвижване. Това означава, че всяка промяна в източника на възбуждане няма да повлияе на точността на измерването.
На фиг. 5 показва постоянния задвижващ ток за термистора и прецизния резистор RREF, напрежението, разработено през RREF, е референтното напрежение за измерване на термистора.
Токът на полето не е необходимо да е точен и може да бъде по -малко стабилен, тъй като всички грешки в полевия ток ще бъдат елиминирани в тази конфигурация. Като цяло, възбуждането на тока се предпочита при възбуждане на напрежението поради превъзходно управление на чувствителността и по -добър имунитет на шума, когато сензорът е разположен на отдалечени места. Този тип метод на отклонение обикновено се използва за RTD или термистори с ниско съпротивление. Въпреки това, за термистор с по -висока стойност на съпротивление и по -висока чувствителност, нивото на сигнала, генерирано от всяка промяна на температурата, ще бъде по -голямо, така че се използва възбуждане на напрежението. Например, 10 kΩ термистор има съпротивление 10 kΩ при 25 ° C. При -50 ° C, съпротивлението на NTC термистора е 441.117 kΩ. Минималният задвижващ ток от 50 µA, осигурен от AD7124-4/AD7124-8, генерира 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, което е твърде висок и извън работния обхват на повечето налични ADC, използвани в тази зона на приложение. Термисторите също обикновено са свързани или разположени в близост до електрониката, така че имунитетът за задвижване на тока не се изисква.
Добавянето на серия резистор в серия като верига за разделител на напрежението ще ограничи тока през термистора до стойността на минималната му съпротивление. В тази конфигурация стойността на сензорния резистор трябва да бъде равна на стойността на термисторното съпротивление при референтна температура 25 ° C, така че изходното напрежение ще бъде равно на средната точка на референтното напрежение при номиналната му температура на 25 ° CC По същия начин, ако се използва термистор от 10 kΩ със съпротивление 10 kΩ при 25 ° C, Rsense трябва да бъде 10 kΩ. Тъй като температурата се променя, съпротивлението на NTC термистора също се променя и съотношението на напрежението на задвижването през термистора също се променя, което води до пропорционално напрежението на изхода е пропорционално на съпротивлението на термистора NTC.
Ако избраната референция на напрежението, използвана за захранване на термистора и/или RSENSE, съвпада с референтното напрежение на ADC, използвано за измерване, системата е настроена на съотношение измерване (Фигура 7), така че всеки източник на напрежение, свързано с възбуждане, да бъде пристрастен да се отстрани.
Обърнете внимание, че или сензорният резистор (задвижван на напрежението), или референтният резистор (задвижван от тока) трябва да има нисък първоначален толеранс и нисък дрейф, тъй като и двете променливи могат да повлияят на точността на цялата система.
При използване на множество термистори може да се използва едно напрежение на възбуждане. Въпреки това, всеки термистор трябва да има свой собствен резистор за прецизен сензор, както е показано на фиг. 8. Друг вариант е да използвате външен мултиплексор или превключвател с ниска устойчивост в състояние ON, което позволява споделяне на един точен сензор резистор. С тази конфигурация всеки термистор се нуждае от време за уреждане, когато се измерва.
В обобщение, когато проектирате система за измерване на температурата, базирана на термистор, има много въпроси, които трябва да се вземат предвид: Избор на сензор, окабеляване на сензора, компоненти за избор на компоненти, конфигурация на ADC и как тези различни променливи влияят на общата точност на системата. Следващата статия от тази серия обяснява как да оптимизирате дизайна на системата си и цялостния бюджет за грешки в системата, за да постигнете целевата си производителност.
Време за публикация: Септември-30-2022