Це перша стаття в двоскладовій серії. Ця стаття спочатку обговорить історію та дизайнерські проблемиТемпература на основі термістораСистеми вимірювання, а також їх порівняння з системами вимірювання температури термометра опору (RTD). Він також описує вибір термістора, компромісів конфігурації та важливість аналого-цифрових перетворювачів Sigma-Delta (АЦП) у цій області застосування. У другій статті детально розповідається, як оптимізувати та оцінити остаточну систему вимірювання на основі термістора.
Як описано в попередній серії статей, оптимізація систем датчика температури RTD, RTD - це резистор, опір якого змінюється залежно від температури. Термістори працюють аналогічно RTD. На відміну від RTD, які мають лише позитивний коефіцієнт температури, термістор може мати позитивний або негативний коефіцієнт температури. Термістори негативного температури (NTC) знижують свою опір у міру підвищення температури, тоді як термістори позитивного температури (PTC) збільшують свою опір у міру підвищення температури. На рис. 1 показує характеристики відповідей типових термісторів NTC та PTC та порівнюють їх з кривими RTD.
З точки зору температурного діапазону, крива RTD майже лінійна, а датчик охоплює набагато ширший температурний діапазон, ніж термістори (як правило, -200 ° C до +850 ° C) через нелінійний (експоненціальний) характер термістора. RTD зазвичай надаються у добре відомих стандартизованих кривих, тоді як криві термістора змінюються залежно від виробника. Ми детально обговоримо це в розділі посібника з вибору термістора цієї статті.
Термістори виготовляються з композитних матеріалів, зазвичай кераміки, полімерів або напівпровідників (зазвичай оксидів металів) та чисті метали (платина, нікель або мідь). Термістори можуть виявляти зміни температури швидше, ніж RTD, забезпечуючи більш швидкі відгуки. Тому термістори зазвичай використовуються датчиками в додатках, які потребують низької вартості, невеликих розмірів, більшої реакції, більш високої чутливості та обмеженого температурного діапазону, таких як контроль електроніки, контроль будинку та будівництва, наукові лабораторії або компенсація холодного переходу для термопарків у комерційних або промислових програмах. цілі. Заявки.
У більшості випадків термістори NTC використовуються для точного вимірювання температури, а не термісорів PTC. Доступні деякі термістори PTC, які можуть бути використані в ланцюгах захисту від поточного струму або як перекидання запобіжників для застосувань безпеки. Крива стійкості до температури термістора PTC показує дуже малу область NTC перед тим, як досягти точки перемикання (або точки кюрі), над якою опір різко піднімається на кілька порядків у діапазоні декількох градусів Цельсія. У умовах надмірного струму, термістор PTC генерує сильне самогрівання, коли температура перемикання буде перевищена, а його опір різко зросте, що зменшить вхідний струм до системи, тим самим запобігаючи пошкодженню. Точка комутації термісторів PTC, як правило, становить від 60 ° С і 120 ° С і не підходить для контролю вимірювання температури в широкому діапазоні застосувань. Ця стаття зосереджена на TTC Thermistors, які, як правило, можуть вимірювати або контролювати температуру від -80 ° C до +150 ° C. Термістори NTC мають рейтинги опору від кількох Ом до 10 МОм при 25 ° C. Як показано на фіг. 1, зміна резистентності на ступінь Цельсія для термісорів більш виражена, ніж для термометрів резистентності. Порівняно з термісторами, висока чутливість до термістора та значення високої опору спрощують його вхідну схему, оскільки термістори не потребують спеціальної конфігурації проводки, наприклад, 3-провідної або 4-провідної, для компенсації опору свинцю. Дизайн Thermistor використовує лише просту конфігурацію 2-провідної конфігурації.
Вимірювання температури на основі високоточного термістора вимагає точної обробки сигналів, аналого-цифрової конверсії, лінеаризації та компенсації, як показано на фіг. 2.
Хоча ланцюг сигналу може здатися простим, є кілька складностей, які впливають на розмір, вартість та продуктивність усієї материнської плати. Точний портфоліо ADC ADI включає кілька інтегрованих рішень, таких як AD7124-4/AD7124-8, які забезпечують ряд переваг для проектування теплової системи, оскільки більшість будівельних блоків, необхідних для програми, вбудовуються. Однак існують різні проблеми в розробці та оптимізації рішень для вимірювання температури на основі термістора.
У цій статті обговорюється кожне з цих питань та дає рекомендації щодо їх вирішення та подальше спрощення процесу проектування таких систем.
Є широкий спектрNTC ThermistorsНа ринку сьогодні, тому вибір правильного термістора для вашої програми може бути непростим завданням. Зауважте, що термістори перераховані за їх номінальною цінністю, яка є їх номінальною стійкістю при 25 ° С. Тому термістор 10 кОм має номінальний опір 10 кОм при 25 ° С. Термістори мають номінальні або основні значення опору, починаючи від кількох Ом до 10 МОм. Термістори з низьким рівнем опору (номінальний опір 10 кОм або менше), як правило, підтримують нижчі діапазони температури, такі як від -50 ° С до +70 ° С. Термістори з більш високими показниками опору можуть протистояти температурі до 300 ° C.
Термісторний елемент виготовлений з оксиду металу. Термістори доступні у формах кульових, радіальних та SMD. Термісторні намистини - це епоксидне покриття або скло, інкапсульоване для додаткового захисту. Термістори з епоксидним покриттям, променеві та поверхневі термістори підходять для температури до 150 ° С. Термістори зі скляної бісеру підходять для вимірювання високих температур. Усі типи покриттів/упаковки також захищають від корозії. Деякі термістори також матимуть додаткові корпуси для додаткового захисту в суворих умовах. Термістори з бісеру мають швидший час реакції, ніж радіальні/SMD -термістори. Однак вони не такі довговічні. Тому тип термістора, що використовується, залежить від кінцевого застосування та середовища, в якому знаходиться термістор. Довгострокова стабільність термістора залежить від його матеріалу, упаковки та дизайну. Наприклад, термістор NTC з покриттям епоксиду може змінювати 0,2 ° C на рік, тоді як герметичний термістор змінюється лише 0,02 ° C на рік.
Термістори поставляються в різній точності. Стандартні термістори зазвичай мають точність від 0,5 ° С до 1,5 ° С. Рейтинг термістора та значення бета (співвідношення від 25 ° С до 50 ° С/85 ° С) мають толерантність. Зауважте, що значення бета -вермістора змінюється залежно від виробника. Наприклад, термістори 10 кОм NTC від різних виробників матимуть різні значення бета -версії. Для більш точних систем можна використовувати термістори, такі як серія Omega ™ 44xxx. Вони мають точність 0,1 ° С або 0,2 ° С протягом температурного діапазону від 0 ° С до 70 ° С. Тому діапазон температур, які можна виміряти, і точність, необхідна в цьому діапазоні температури, визначає, чи придатні термістори для цього застосування. Зверніть увагу, що чим вище точність серії Omega 44xxx, тим вище вартість.
Для перетворення стійкості до градусів Цельсія зазвичай використовується значення бета -версії. Бета -значення визначається шляхом знання двох температурних точок та відповідного опору в кожній температурі.
RT1 = Температурна опір 1 RT2 = Температурна стійкість 2 T1 = температура 1 (k) T2 = температура 2 (k)
Користувач використовує значення бета -версії, найближче до діапазону температури, що використовується в проекті. Більшість таблиць даних Thermistor перераховують значення бета -версії разом із толерантністю до опору при 25 ° С та толерантності до значення бета -версії.
Більш високі точні термістори та розчини з високою точністю припинення, такі як серія Omega 44xxx, використовують рівняння Штейнхарт-Харт для перетворення стійкості до градусів Цельсія. Рівняння 2 вимагає трьох константів A, B і C, знову надаючи виробник датчиків. Оскільки коефіцієнти рівняння генеруються за допомогою трьох температурних точок, отримане рівняння мінімізує помилку, введену лінеаризацією (як правило, 0,02 ° C).
A, B і C - константи, отримані з трьох температурних встановлених точок. R = термістор стійкість в Ом t = температура в k градусах
На рис. 3 показує поточне збудження датчика. Струм приводу застосовується до термістора, і той самий струм застосовується до точного резистора; Точний резистор використовується як еталон для вимірювання. Значення референтного резистора повинно бути більшим або дорівнює найвищому значенню опору термістора (залежно від найменшої температури, виміряної в системі).
Вибираючи струм збудження, максимальний опір термістора знову слід враховувати. Це гарантує, що напруга через датчик та референтний резистор завжди на рівні, прийнятна для електроніки. Джерело поля потоку вимагає певної кімнати для заголовка або відповідності виходу. Якщо термістор має високу опір при найменшій вимірюваній температурі, це призведе до дуже низького струму приводу. Тому напруга, що утворюється в термісторі при високій температурі, невелика. Програмовані етапи посилення можуть бути використані для оптимізації вимірювання цих сигналів низького рівня. Однак посилення повинен бути запрограмований динамічно, оскільки рівень сигналу від термістора сильно змінюється з температурою.
Інший варіант - встановити посилення, але використовувати динамічний струм приводу. Тому в міру зміни рівня сигналу від термістора динамічно змінюється значення струму приводу, так що напруга, що розвивається по всьому термістору, знаходиться в межах визначеного вхідного діапазону електронного пристрою. Користувач повинен переконатися, що напруга, розроблена через референтний резистор, також є на рівні, прийнятним для електроніки. Обидва варіанти потребують високого рівня контролю, постійного моніторингу напруги через термістор, щоб електроніка могла виміряти сигнал. Чи є простіший варіант? Розглянемо збудження напруги.
Коли напруга постійного струму застосовується до термістора, струм через термістор автоматично масштабується в міру зміни опору термістора. Тепер, використовуючи точний вимірюючий резистор замість референтного резистора, його мета - обчислити струм, що протікає через термістор, тим самим дозволяючи обчислити стійкість термістора. Оскільки напруга приводу також використовується як опорний сигнал АЦП, стадія посилення не потрібна. Процесор не має роботи з моніторингу напруги термістора, визначення того, чи можна виміряти рівень сигналу за допомогою електроніки, та обчислення того, яке значення посилення/струму необхідно регулювати. Це метод, що використовується в цій статті.
Якщо термістор має невеликий діапазон оцінки опору та діапазон опору, може використовуватися напруга або збудження струму. У цьому випадку струм приводу та посилення можна виправити. Таким чином, схема буде як показано на малюнку 3. Цей метод зручний тим, що можна контролювати струм через датчик та референтний резистор, який є цінним у застосуванні з низькою потужністю. Крім того, самогрівання термістора мінімізується.
Збудження напруги також може використовуватися для термісторів з низьким рівнем опору. Однак користувач завжди повинен гарантувати, що струм через датчик не надто високий для датчика чи програми.
Збудження напруги спрощує реалізацію при використанні термістора з великим рейтингом опору та широким діапазоном температури. Більший номінальний опір забезпечує прийнятний рівень номінального струму. Однак дизайнери повинні забезпечити, щоб струм був на прийнятному рівні у всьому діапазоні температури, що підтримується додатком.
Sigma-Delta ADC пропонує кілька переваг при розробці системи вимірювання термістора. По-перше, оскільки АЦП Sigma-Delta відновлює аналоговий вхід, зовнішня фільтрація зв’язується до мінімуму, і єдиною вимогою є простий фільтр RC. Вони забезпечують гнучкість у типі фільтра та виводу швидкості передачі даних. Вбудована цифрова фільтрація може бути використана для придушення будь-яких перешкод у пристроях, що працюють на мережі. 24-бітні пристрої, такі як AD7124-4/AD7124-8, мають повну роздільну здатність до 21,7 біт, тому вони забезпечують високу роздільну здатність.
Використання ADC Sigma-Delta значно спрощує конструкцію термістора, зменшуючи специфікацію, вартість системи, простір та час на ринок.
У цій статті використовується AD7124-4/AD7124-8 як АЦП, оскільки вони є низьким шумом, низьким струмом, точними АЦП із вбудованою PGA, вбудованим еталонним, аналоговим входом та опорним буфером.
Незалежно від того, використовуєте ви струм приводу або напругу приводу, рекомендується ретріометрична конфігурація, в якій напруга еталонної напруги та датчика надходить з того ж джерела приводу. Це означає, що будь -яка зміна джерела збудження не вплине на точність вимірювання.
На рис. 5 показує постійний струм приводу для термістора та точного резистора RREF, напруга, розроблена по всій RREF, - це опорна напруга для вимірювання термістора.
Польовий струм не повинен бути точним і може бути менш стабільним, оскільки будь -які помилки в польовому струмі будуть усунені в цій конфігурації. Як правило, збудження струму є кращим при збудженні напруги через високий контроль чутливості та кращий імунітет шуму, коли датчик розташований у віддалених місцях. Цей тип методу зміщення зазвичай використовується для RTD або термісторів із значеннями низької опору. Однак для термістора з більш високим значенням опору та більшою чутливістю рівень сигналу, що утворюється при кожній зміні температури, буде більшим, тому використовується збудження напруги. Наприклад, термістор 10 кОм має опір 10 кОм при 25 ° С. При -50 ° С опір термістора NTC становить 441,117 кОм. Мінімальний струм приводу 50 мкА, що забезпечується AD7124-4/AD7124-8, генерує 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, що занадто високий і поза робочим діапазоном найбільш доступних АЦП, що використовуються в цій зоні програми. Термістори також зазвичай з'єднані або розташовані поблизу електроніки, тому імунітет для керування струмом не потрібен.
Додавання сенсорного резистора в якості схеми роздільника напруги обмежить струм через термістор його мінімальним значенням опору. У цій конфігурації значення RSense Resense має бути дорівнює значенням термістового опору при опорній температурі 25 ° С, так що вихідна напруга буде дорівнює середній точці опорної напруги при номінальній температурі 25 ° CC при 15 ° C, використовується Rsensor 10 км. У міру зміни температури також змінюється опір термістора NTC, і відношення напруги приводу через термістор також змінюється, внаслідок чого вихідна напруга пропорційна опору термістора NTC.
Якщо вибрана еталон напруги, що використовується для живлення термістора та/або rsense, відповідає еталонній напрузі АЦП, що використовується для вимірювання, система встановлюється на ратіометричне вимірювання (рис. 7), щоб будь-яке джерело напруги помилки, пов'язане з збудженням, було упереджене.
Зауважимо, що або резистор Sense (керований напругою), або опорний резистор (керований струмом), повинні мати низьку початкову толерантність і низький дрейф, оскільки обидві змінні можуть впливати на точність всієї системи.
При використанні декількох термісторів можна використовувати одну напругу збудження. Однак кожен термістор повинен мати свій резистор Precision Sense, як показано на фіг. 8. За допомогою цієї конфігурації кожен термістор потребує певного часу врегулювання при вимірюванні.
Підсумовуючи, під час проектування системи вимірювання температури на основі термістора слід враховувати багато питань: вибір датчиків, проводка датчиків, компроміси вибору компонентів, конфігурація АЦП та те, як ці різні змінні впливають на загальну точність системи. Наступна стаття в цій серії пояснює, як оптимізувати дизайн системи та загальний бюджет помилок системи для досягнення цільових продуктивності.
Час посади: вересень-30-2022