Това е първата статия от поредица от две части. Тази статия първо ще обсъди историята и предизвикателствата при дизайна набазирана на термистор температурасистеми за измерване, както и сравнението им със системи за измерване на температура с резистивен термометър (RTD). Той също така ще опише избора на термистор, конфигурационните компромиси и значението на сигма-делта аналогово-цифровите преобразуватели (ADC) в тази област на приложение. Втората статия ще описва подробно как да оптимизирате и оцените крайната система за измерване, базирана на термистор.
Както е описано в предишната поредица от статии, Оптимизиране на RTD температурни сензорни системи, 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 показва характеристиките на реакция на типичните NTC и PTC термистори и ги сравнява с RTD кривите.
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 според производителя. Ще обсъдим това подробно в раздела за ръководство за избор на термистор в тази статия.
Термисторите са направени 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. Поради това 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, домашен контрол и контрол на сгради, научни лаборатории или компенсация на студен преход за термодвойки в търговски или индустриални приложения. цели. 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 във вериги за защита от претоварване или като възстановими предпазители за безопасни приложения. Кривата съпротивление-температура на PTC термистор показва много малка NTC област преди достигане на 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 неговото съпротивление ще нарасне 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 температурни измервания в широк диапазон 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 стойности на съпротивление, вариращи 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 неговата входна верига, тъй като термисторите не изискват никаква специална конфигурация на окабеляване, като 3-проводна или 4-проводна, за компенсиране на съпротивлението на проводника. Дизайнът на термистора използва само проста 2-проводна конфигурация.
Високопрецизното измерване на температурата, базирано 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 ADC на ADI включва няколко интегрирани решения, като AD7124-4/AD7124-8, които предоставят редица предимства за проектиране на термична система, тъй като повечето от необходимите за приложение градивни елементи са вградени. Съществуват обаче различни предизвикателства при проектирането и оптимизирането на базирани на термистор решения за измерване на температурата.
Тази статия обсъжда всеки от тези проблеми и предоставя препоръки за решаването им и допълнително опростяване на процеса на проектиране за 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 посочени по тяхната номинална стойност, която е тяхното номинално 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 ниско съпротивление (номинално съпротивление от 10 kΩ или по-малко) обикновено поддържат по-ниски температурни диапазони, като -50°C до +70°C. Термисторите с по-високи стойности на съпротивление могат да издържат на температури до 300°C.
Термисторният елемент е изработен от метален оксид. Термисторите се предлагат в сферична, радиална и SMD форма. Перлите на термистора са с епоксидно покритие или са стъклени за допълнителна защита. Сферичните термистори с епоксидно покритие, радиалните и повърхностните термистори са подходящи за температури до 150°C. Термисторите със стъклени перли 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 среди. Термисторите с мъниста имат по-бързо време за реакция от радиалните/SMD термисторите. Те обаче не са толкова издръжливи. Следователно видът 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 променя 0,2°C на година, докато запечатан термистор променя само 0,02°C на година.
Термисторите се предлагат с различна точност. Стандартните термистори обикновено имат точност от 0,5°C до 1,5°C. Рейтингът на съпротивление на термистора и бета стойността (съотношение от 25°C до 50°C/85°C) имат толеранс. Имайте предвид, че бета стойността на термистора варира според 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 точността, необходима в този температурен диапазон, определя дали термисторите са подходящи за това приложение. Моля, имайте предвид, 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 = Температурна устойчивост 1 RT2 = Температурна устойчивост 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Потребителят използва бета стойността, която е най-близка до температурния диапазон, използван в проекта. Повечето листове с данни за термистори изброяват бета стойност заедно с толеранс на съпротивление при 25°C и толеранс за бета стойността.
Термисторите с по-висока прецизност и решенията за прекратяване с висока точност, като серията Omega 44xxx, използват уравнението на Steinhart-Hart за преобразуване на 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 температурни зададени точки. R = съпротивление на термистора в ома T = температура в К градуса
На фиг. 3 показва текущото възбуждане на сензора. Задвижващият ток се прилага към термистора и същият ток се прилага към прецизния резистор; като еталон за измерване се използва прецизен резистор. Стойността на референтния резистор трябва да бъде по-голяма или равна на най-високата стойност на съпротивлението на термистора (в зависимост от най-ниската температура, измерена в системата).
При избора на възбудителен ток отново трябва да се вземе предвид максималното съпротивление на термистора. Това гарантира, че напрежението на сензора и референтния резистор винаги е на ниво, приемливо за електрониката. Източникът на възбуждащ ток изисква известна височина или съвпадение на изхода. Ако термисторът има високо съпротивление при най-ниската измерима температура, това ще доведе до много нисък ток на задвижване. 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 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 зададете печалбата, но да използвате динамичен ток на задвижване. Следователно, тъй като нивото на сигнала от термистора се променя, стойността на тока на задвижване се променя динамично, така че напрежението, развито през термистора, да е в рамките на определения входен диапазон на електронното устройство. Потребителят трябва да гарантира, 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 през термистора, така че електрониката да може да измерва сигнала. Има ли по-лесен вариант? Помислете за възбуждане на напрежението.
Когато към термистора се приложи постоянно напрежение, токът през термистора автоматично се мащабира при промяна на съпротивлението на термистора. Сега, използвайки резистор за прецизно измерване вместо референтен резистор, неговата цел е да изчисли тока, протичащ през термистора, като по този начин позволява да се изчисли съпротивлението на термистора. Тъй като задвижващото напрежение се използва и като референтен ADC сигнал, не е необходимо стъпало на усилване. Процесорът няма задачата да следи напрежението на термистора, да определя дали нивото на сигнала може да бъде измерено от електрониката и да изчислява какво усилване/текуща стойност трябва да се коригира. Това е методът, използван в тази статия.
Ако термисторът има малък рейтинг на съпротивление и диапазон на съпротивление, може да се използва възбуждане на напрежение или ток. В този случай токът на задвижване и печалбата могат да бъдат фиксирани. По този начин веригата ще бъде както е показано на фигура 3. Този метод е удобен с това, че е възможно да се контролира токът през сензора и референтния резистор, което е ценно при приложения с ниска мощност. В допълнение, самонагряването на термистора е сведено до минимум.
Възбуждането на напрежение 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 изпълнението при използване на термистор с голямо съпротивление и широк температурен диапазон. По-голямото номинално съпротивление осигурява приемливо ниво на номиналния ток. Дизайнерите обаче трябва да гарантират, че токът е на приемливо ниво в целия температурен диапазон, поддържан от приложението.
Сигма-делта АЦП предлагат няколко предимства при проектиране на термисторна измервателна система. Първо, тъй като сигма-делта ADC преобразува аналоговия вход, външното филтриране е сведено до минимум и единственото изискване е обикновен RC филтър. Те осигуряват гъвкавост при вида на филтъра 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 разделителна способност до 21,7 бита, така че осигуряват висока разделителна способност.
Използването на сигма-делта ADC значително опростява дизайна на термистора, като същевременно намалява спецификацията, цената на системата, пространството на платката и времето за пускане на пазара.
Тази статия използва AD7124-4/AD7124-8 като ADC, защото те са прецизни ADC с нисък шум, нисък ток с вграден PGA, вграден референтен, аналогов вход и референтен буфер.
Независимо дали използвате задвижващ ток или задвижващо напрежение, се препоръчва съотношителна конфигурация, при която референтното напрежение и напрежението на сензора идват от един и същ източник на задвижване. Това означава, че всяка промяна в източника на възбуждане няма да повлияе на точността на измерването.
На фиг. 5 показва постоянния ток на задвижване за термистора и прецизния резистор RREF, напрежението, развито през RREF, е еталонното напрежение за измерване на термистора.
Не е необходимо токът на възбуждане да е точен и може да е по-малко стабилен, тъй като всички грешки в тока на възбуждане ще бъдат елиминирани в тази конфигурация. Като цяло възбуждането с ток е за предпочитане пред възбуждането с напрежение 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 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, термистор от 10 kΩ има съпротивление от 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 в близост до електрониката, така че не се изисква устойчивост на задвижващ ток.
Добавянето на сензорен резистор последователно като верига на делител на напрежение ще ограничи тока през термистора до неговата минимална 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 бъде равно на средната точка на референтното напрежение при неговата номинална температура от 25°CC По същия начин, ако се използва термистор от 10 kΩ със съпротивление от 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 задвижващото напрежение в термистора също се променя, което води до това, че изходното напрежение е пропорционално на съпротивлението на NTC термистора.
Ако избраното еталонно напрежение, използвано за захранване на термистора и/или RSENSE, съвпада с референтното напрежение на ADC, използвано за измерване, системата е настроена на съотношително измерване (Фигура 7), така че всеки източник на напрежение, свързан с възбуждане, да бъде предубеден, за да бъде премахнат.
Обърнете внимание, че сензорният резистор (задвижван от напрежение) или референтният резистор (задвижван от ток) трябва да имат нисък първоначален толеранс и нисък дрейф, тъй като и двете променливи могат да повлияят на точността на цялата система.
Когато се използват множество термистори, може да се използва едно възбуждащо напрежение. Всеки термистор обаче трябва да има собствен прецизен сензорен резистор, както е показано на фиг. 8. Друг вариант е да използвате външен мултиплексор или превключвател с ниско съпротивление във включено състояние, което позволява споделяне на един прецизен сензорен резистор. С тази конфигурация всеки термистор се нуждае от известно време за установяване, когато се измерва.
В обобщение, когато се проектира 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 ADC и как тези различни променливи влияят върху цялостната 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