Це перша стаття із серії з двох частин. У цій статті спочатку буде розглянуто історію та проблеми дизайнутемпература на основі термісторасистеми вимірювання, а також їх порівняння із системами вимірювання температури на основі термометрів опору (RTD). Також буде описано вибір термістора, компроміси в конфігурації та важливість сигма-дельта аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) у цій галузі застосування. У другій статті детально розглянемо, як оптимізувати та оцінити кінцеву систему вимірювання на основі термістора.
Як описано в попередній серії статей «Оптимізація систем температурних датчиків RTD», RTD – це резистор, опір якого змінюється залежно від температури. Термістори працюють подібно до RTD. На відміну від RTD, які мають лише позитивний температурний коефіцієнт, термістор може мати позитивний або негативний температурний коефіцієнт. Термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC) зменшують свій опір зі зростанням температури, тоді як термістори з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) збільшують свій опір зі зростанням температури. На рис. 1 показано характеристики типових термісторів NTC та PTC та порівнюється їх з кривими RTD.
Що стосується діапазону температур, крива RTD майже лінійна, і датчик охоплює набагато ширший діапазон температур, ніж термістори (зазвичай від -200°C до +850°C) через нелінійну (експоненціальну) природу термістора. RTD зазвичай постачаються у вигляді добре відомих стандартизованих кривих, тоді як криві термістора відрізняються 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 чистих металів (платини, нікелю або міді). Термістори можуть виявляти зміни температури швидше, ніж RTD, забезпечуючи швидший зворотний зв'язок. Тому термістори зазвичай використовуються датчиками в застосуваннях, які потребують низької вартості, малого розміру, швидшої реакції, вищої чутливості та обмеженого діапазону температур, таких як керування електронікою, керування будинками та будівлями, наукові лабораторії або компенсація холодного спаю для термопар у комерційних або промислових цілях. Застосування.
У більшості випадків для точного вимірювання температури використовуються термістори NTC, а не PTC. Існують деякі PTC-термістори, які можна використовувати в схемах захисту від перевантаження по струму або як самовідновлювані запобіжники для систем безпеки. Крива залежності опору від температури PTC-термістора показує дуже малу область NTC перед досягненням точки перемикання (або точки Кюрі), вище якої опір різко зростає на кілька порядків величини в діапазоні кількох градусів Цельсія. В умовах перевантаження по струму PTC-термістор буде сильно самонагріватися при перевищенні температури перемикання, і його опір різко зросте, що зменшить вхідний струм у систему, тим самим запобігаючи пошкодженням. Точка перемикання PTC-термісторів зазвичай знаходиться між 60°C і 120°C і не підходить для контролю вимірювань температури в широкому діапазоні застосувань. Ця стаття зосереджена на NTC-термісторах, які зазвичай можуть вимірювати або контролювати температури в діапазоні від -80°C до +150°C. Термістори NTC мають номінальний опір від кількох Ом до 10 МОм при 25°C. Як показано на рис. 1, зміна опору на градус Цельсія для термісторів більш виражена, ніж для термометрів опору. Порівняно з термісторами, висока чутливість термістора та високе значення опору спрощують його вхідну схему, оскільки термістори не потребують жодної спеціальної конфігурації підключення, такої як 3- або 4-провідна, для компенсації опору виводів. У конструкції термістора використовується лише проста 2-провідна конфігурація.
Високоточне вимірювання температури на основі термістора вимагає точної обробки сигналу, аналого-цифрового перетворення, лінеаризації та компенсації, як показано на рис. 2.
Хоча сигнальний ланцюжок може здаватися простим, існує кілька складнощів, які впливають на розмір, вартість та продуктивність усієї материнської плати. Портфоліо прецизійних АЦП ADI включає кілька інтегрованих рішень, таких як AD7124-4/AD7124-8, які забезпечують низку переваг для проектування теплових систем, оскільки більшість будівельних блоків, необхідних для застосування, вбудовані. Однак існують різні проблеми в проектуванні та оптимізації рішень для вимірювання температури на основі термісторів.
У цій статті розглядається кожна з цих проблем і надаються рекомендації щодо їх вирішення та подальшого спрощення процесу проектування таких систем.
Існує широкий вибірТермістори NTCна ринку сьогодні, тому вибір правильного термістора для вашого застосування може бути складним завданням. Зверніть увагу, що термістори перераховуються за їхнім номінальним значенням, яке дорівнює їхньому номінальному опору при 25°C. Таким чином, термістор 10 кОм має номінальний опір 10 кОм при 25°C. Термістори мають номінальні або базові значення опору від кількох Ом до 10 МОм. Термістори з низькими номінальними опорами (номінальний опір 10 кОм або менше) зазвичай підтримують нижчі діапазони температур, такі як від -50°C до +70°C. Термістори з вищими номінальними опорами можуть витримувати температури до 300°C.
Термістори виготовлені з оксиду металу. Термістори доступні у кульовій, радіальній та поверхневій формі. Термістори мають епоксидне покриття або скляну інкапсуляцію для додаткового захисту. Кулькові термістори з епоксидним покриттям, радіальні та поверхневі термістори підходять для температур до 150°C. Термістори зі скляними кульками 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 кульками мають швидший час відгуку, ніж радіальні/SMD термістори. Однак вони не такі довговічні. Тому тип використовуваного термістора залежить від кінцевого застосування та середовища, в якому знаходиться термістор. Довгострокова стабільність термістора залежить від його матеріалу, упаковки та конструкції. Наприклад, термістор NTC з епоксидним покриттям може змінюватися на 0,2°C на рік, тоді як герметичний термістор змінюється лише на 0,02°C на рік.
Термістори бувають різної точності. Стандартні термістори зазвичай мають точність від 0,5°C до 1,5°C. Номінальний опір термістора та бета-значення (співвідношення 25°C до 50°C/85°C) мають допуск. Зверніть увагу, що бета-значення термістора залежить від виробника. Наприклад, термістори NTC 10 кОм від різних виробників матимуть різні бета-значення. Для більш точних систем можна використовувати термістори, такі як серія Omega™ 44xxx. Вони мають точність 0,1°C або 0,2°C у діапазоні температур від 0°C до 70°C. Тому діапазон температур, які можна виміряти, та необхідна точність у цьому діапазоні температур визначають, чи підходять термістори для цього застосування. Зверніть увагу, що чим вища точність серії Omega 44xxx, тим вища їхня вартість.
Для перетворення опору в градуси Цельсія зазвичай використовується значення бета. Значення бета визначається, знаючи дві температурні точки та відповідний опір у кожній температурній точці.
RT1 = Термостійкість 1 RT2 = Термостійкість 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Користувач використовує значення бета-коефіцієнта, найближче до діапазону температур, що використовується в проекті. У більшості технічних описів термісторів зазначено значення бета разом із допустимим відхиленням опору при 25°C та допустимим відхиленням для значення бета-коефіцієнта.
Термістори вищої точності та високоточні рішення для оконечного підключення, такі як серія Omega 44xxx, використовують рівняння Штейнхарта-Харта для перетворення опору в градуси Цельсія. Рівняння 2 вимагає трьох констант A, B та C, які знову надаються виробником датчика. Оскільки коефіцієнти рівняння генеруються з використанням трьох температурних точок, отримане рівняння мінімізує похибку, внесену лінеаризацією (зазвичай 0,02 °C).
A, B та C – це константи, отримані з трьох заданих значень температури. R = опір термістора в Омах; T = температура в градусах К.
На рис. 3 показано струм збудження датчика. Струм керування подається на термістор, і такий самий струм подається на прецизійний резистор; прецизійний резистор використовується як опорний для вимірювання. Значення опорного резистора має бути більше або дорівнювати найбільшому значенню опору термістора (залежно від найнижчої виміряної температури в системі).
Вибираючи струм збудження, знову ж таки необхідно враховувати максимальний опір термістора. Це гарантує, що напруга на датчику та опорному резисторі завжди буде на рівні, прийнятному для електроніки. Джерело струму збудження вимагає певного запасу по потужності або узгодження виходу. Якщо термістор має високий опір при найнижчій вимірюваній температурі, це призведе до дуже низького струму збудження. Тому напруга, що генерується на термісторі при високій температурі, є малою. Програмовані каскади посилення можна використовувати для оптимізації вимірювання цих сигналів низького рівня. Однак коефіцієнт посилення необхідно програмувати динамічно, оскільки рівень сигналу від термістора значно змінюється залежно від температури.
Інший варіант — встановити коефіцієнт підсилення, але використовувати динамічний струм керування. Тому, зі зміною рівня сигналу від термістора, значення струму керування змінюється динамічно, щоб напруга, що виникає на термісторі, знаходилася в межах заданого вхідного діапазону електронного пристрою. Користувач повинен переконатися, що напруга, що виникає на опорному резисторі, також знаходиться на рівні, прийнятному для електроніки. Обидва варіанти вимагають високого рівня контролю, постійного моніторингу напруги на термісторі, щоб електроніка могла вимірювати сигнал. Чи є простіший варіант? Розгляньте збудження напругою.
Коли до термістора подається постійна напруга, струм через термістор автоматично масштабується зі зміною його опору. Тепер, використовуючи прецизійний вимірювальний резистор замість опорного, його метою є обчислення струму, що протікає через термістор, що дозволяє розрахувати опір термістора. Оскільки напруга керування також використовується як опорний сигнал АЦП, каскад посилення не потрібен. Процесор не має завдання контролювати напругу термістора, визначати, чи може електроніка виміряти рівень сигналу, та обчислювати, яке значення коефіцієнта посилення/струму керування потрібно скоригувати. Саме цей метод використовується в цій статті.
Якщо термістор має невеликий номінальний опір та діапазон опору, можна використовувати збудження напругою або струмом. У цьому випадку струм збудження та коефіцієнт посилення можна фіксувати. Таким чином, схема буде виглядати так, як показано на рисунку 3. Цей метод зручний тим, що можна контролювати струм через датчик та опорний резистор, що є цінним у низькопотужних пристроях. Крім того, мінімізується самонагрівання термістора.
Збудження напругою також може використовуватися для термісторів з низьким опором. Однак користувач повинен завжди переконатися, що струм через датчик не є занадто високим для датчика або застосування.
Збудження напругою спрощує реалізацію при використанні термістора з великим номінальним опором та широким діапазоном температур. Більший номінальний опір забезпечує прийнятний рівень номінального струму. Однак розробникам необхідно забезпечити, щоб струм був на прийнятному рівні в усьому діапазоні температур, що підтримується застосуванням.
Сигма-дельта АЦП пропонують кілька переваг при проектуванні систем вимірювання на основі термісторів. По-перше, оскільки сигма-дельта АЦП повторно дискретизує аналоговий вхід, зовнішня фільтрація зводиться до мінімуму, і єдиною вимогою є простий RC-фільтр. Вони забезпечують гнучкість у виборі типу фільтра та швидкості передачі даних на виході. Вбудована цифрова фільтрація може бути використана для придушення будь-яких перешкод у пристроях, що живляться від мережі. 24-бітні пристрої, такі як AD7124-4/AD7124-8, мають повну роздільну здатність до 21,7 біта, тому вони забезпечують високу роздільну здатність.
Використання сигма-дельта АЦП значно спрощує конструкцію термістора, одночасно зменшуючи специфікації, вартість системи, розмір плати та час виходу на ринок.
У цій статті як АЦП використовується AD7124-4/AD7124-8, оскільки це малошумні, малострумові, прецизійні АЦП із вбудованим PGA, вбудованим джерелом опорного сигналу, аналоговим входом та буфером опорного сигналу.
Незалежно від того, чи використовується струм керування, чи напруга керування, рекомендується використовувати ратіометричну конфігурацію, в якій опорна напруга та напруга датчика надходять від одного джерела керування. Це означає, що будь-яка зміна джерела збудження не вплине на точність вимірювання.
На рис. 5 показано постійний струм керування для термістора та прецизійного резистора RREF, напруга, що виникає на RREF, є опорною напругою для вимірювання термістора.
Струм збудження не обов'язково має бути точним і може бути менш стабільним, оскільки будь-які похибки в струмі збудження будуть усунені в цій конфігурації. Як правило, збудження струмом є кращим за збудження напругою через кращий контроль чутливості та кращу завадостійкість, коли датчик розташований у віддалених місцях. Цей тип методу зміщення зазвичай використовується для RTD або термісторів з низькими значеннями опору. Однак для термістора з вищим значенням опору та вищою чутливістю рівень сигналу, що генерується кожною зміною температури, буде більшим, тому використовується збудження напругою. Наприклад, термістор 10 кОм має опір 10 кОм при 25°C. При -50°C опір термістора NTC становить 441,117 кОм. Мінімальний струм керування 50 мкА, що забезпечується AD7124-4/AD7124-8, генерує 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, що є занадто високим і виходить за межі робочого діапазону більшості доступних АЦП, що використовуються в цій області застосування. Термістори також зазвичай підключені або розташовані поблизу електроніки, тому стійкість до струму керування не потрібна.
Додавання чутливого резистора послідовно як схеми дільника напруги обмежить струм через термістор до його мінімального значення опору. У цій конфігурації значення чутливого резистора RSENSE має дорівнювати значенню опору термістора за опорної температури 25°C, щоб вихідна напруга дорівнювала середній точці опорної напруги за його номінальної температури 25°C. Аналогічно, якщо використовується термістор 10 кОм з опором 10 кОм за 25°C, RSENSE має дорівнювати 10 кОм. Зі зміною температури опір термістора NTC також змінюється, і також змінюється відношення напруги керування на термісторі, в результаті чого вихідна напруга пропорційна опору термістора NTC.
Якщо вибрана опорна напруга, що використовується для живлення термістора та/або RSENSE, збігається з опорною напругою АЦП, що використовується для вимірювання, система налаштовується на ратіометричне вимірювання (Рисунок 7), щоб усунути будь-яку помилку джерела напруги збудження.
Зверніть увагу, що або чутливий резистор (керований напругою), або опорний резистор (керований струмом) повинні мати низький початковий допуск і низький дрейф, оскільки обидві змінні можуть впливати на точність усієї системи.
При використанні кількох термісторів можна використовувати одну напругу збудження. Однак кожен термістор повинен мати свій власний прецизійний резистор, як показано на рис. 8. Іншим варіантом є використання зовнішнього мультиплексора або низькоомного перемикача у ввімкненому стані, що дозволяє спільно використовувати один прецизійний резистор. За такої конфігурації кожному термістору потрібен певний час встановлення під час вимірювання.
Підсумовуючи, під час проектування системи вимірювання температури на основі термістора слід враховувати багато питань: вибір датчика, підключення датчика, компроміси у виборі компонентів, конфігурація АЦП та те, як ці різні змінні впливають на загальну точність системи. У наступній статті цієї серії пояснюється, як оптимізувати конструкцію вашої системи та загальний бюджет системних помилок для досягнення цільової продуктивності.
Час публікації: 30 вересня 2022 р.