Це перша стаття серії з двох частин.У цій статті спочатку буде обговорено історію та проблеми дизайнутемпература на основі термісторасистеми вимірювання, а також їх порівняння з системами вимірювання температури термометром опору (RTD).Також буде описано вибір термістора, компроміси конфігурації та важливість сигма-дельта аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) у цій області застосування.У другій статті детально описано, як оптимізувати та оцінити кінцеву систему вимірювання на основі термістора.
Як описано в попередній серії статей, Оптимізація систем датчиків температури RTD, RTD – це резистор, опір якого змінюється залежно від температури.Термістори працюють подібно до терморезистора.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 із підвищенням температури, тоді як термістори з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) збільшують свій опір із підвищенням температури.На рис.1 показує характеристики відгуку типових термісторів NTC і PTC і порівнює їх із кривими RTD.
З точки зору температурного діапазону, крива RTD є майже лінійною, і датчик охоплює набагато ширший діапазон температур, ніж термістори (зазвичай від -200°C до +850°C) через нелінійну (експоненціальну) природу термістора.RTD зазвичай надаються у вигляді добре відомих стандартизованих кривих, тоді як криві термісторів відрізняються залежно від виробника.Ми обговоримо це детально в розділі посібника з вибору термістора цієї статті.
Термістори виготовляються з композиційних матеріалів, як правило, кераміки, полімерів або напівпровідників (як правило, оксидів металів) і чистих металів (платини, нікелю або міді).Термістори можуть виявляти зміни температури швидше, ніж RTD, забезпечуючи швидший зворотний зв’язок.Таким чином, термістори зазвичай використовуються датчиками в програмах, які вимагають низької вартості, невеликого розміру, швидшої реакції, вищої чутливості та обмеженого діапазону температур, таких як контроль електроніки, управління будинками та будівлями, наукові лабораторії або компенсація холодного спаю для термопар у комерційних цілях. або промислове застосування.цілей.Додатки.
У більшості випадків для точного вимірювання температури використовуються NTC-термістори, а не PTC-термістори.Доступні деякі PTC-термістори, які можна використовувати в ланцюгах захисту від надточного струму або як запобіжники, що перезапускаються, для забезпечення безпеки.Крива опору-температури термістора PTC показує дуже маленьку область NTC перед досягненням точки перемикання (або точки Кюрі), вище якої опір різко зростає на кілька порядків у діапазоні кількох градусів Цельсія.За умов перевищення струму терморезистор PTC генеруватиме сильне самонагрівання, коли температура перемикання буде перевищена, і його опір різко зросте, що зменшить вхідний струм у систему, тим самим запобігаючи пошкодженню.Точка перемикання термісторів PTC зазвичай становить від 60°C до 120°C і не підходить для контролю вимірювань температури в широкому діапазоні застосувань.Ця стаття присвячена термісторам NTC, 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 і високе значення опору термістора спрощують його вхідну схему, оскільки для термісторів не потрібна спеціальна конфігурація проводки, наприклад 3- або 4-провідна, для компенсації опору проводу.Конструкція термістора використовує лише просту 2-провідну конфігурацію.
Високоточне вимірювання температури за допомогою термістора вимагає точної обробки сигналу, аналого-цифрового перетворення, лінеаризації та компенсації, як показано на рис.2.
Хоча сигнальний ланцюг може здатися простим, існує кілька складнощів, які впливають на розмір, вартість і продуктивність усієї материнської плати.Портфоліо прецизійних АЦП 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, є вбудованими.Однак існують різні проблеми при розробці 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 велика різноманітністьNTC термісторина ринку сьогодні, тому вибір правильного термістора для вашого застосування може бути складним завданням.Зауважте, що термістори вказано за номінальним значенням, яке є їхнім номінальним опором при 25°C.Отже, номінальний опір термістора 10 кОм при 25°C становить 10 кОм.Термістори мають номінальне або базове значення опору в діапазоні від кількох Ом до 10 МОм.Термистори з низьким опором (номінальний опір 10 кОм або менше) зазвичай підтримують нижчі діапазони температур, наприклад від -50°C до +70°C.Термистори з більш високим показником опору можуть витримувати температуру до 300°C.
Елемент терморезистора виготовлений з оксиду металу.Термістори доступні в кулькових, радіальних і SMD формах.Намистини термістора мають епоксидне покриття або скляні капсули для додаткового захисту.Кулькові термістори з епоксидним покриттям, радіальні та поверхневі термістори підходять для температур до 150°C.Для вимірювання високих температур підходять терморезистори зі скляних кульок.Усі типи покриттів/упаковок також захищають від корозії.Деякі термістори також матимуть додаткові корпуси для додаткового захисту в суворих умовах.Намистинкові термістори мають швидший час відгуку, ніж радіальні/SMD термістори.Однак вони не такі довговічні.Таким чином, тип використовуваного термістора залежить від кінцевого застосування та середовища, в якому розташований термістор.Довгострокова стабільність термістора залежить від його матеріалу, упаковки та конструкції.Наприклад, NTC термістор 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 значення бета (співвідношення від 25°C до 50°C/85°C) мають допуск.Зауважте, що значення бета термістора залежить від виробника.Наприклад, термістори NTC на 10 кОм різних виробників матимуть різні значення бета.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.Таким чином, діапазон температур, які можна виміряти, і необхідна точність у цьому температурному діапазоні визначають, чи придатні термістори для цього застосування.Зверніть увагу, що чим вища точність серії Omega 44xxx, тим вища 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 бета-значення, найближче до температурного діапазону, який використовується в проекті.Більшість описів термісторів містять значення бета разом із допустимим відхиленням опору при 25°C і допуском для значення бета.
Термістори з високою точністю та високоточні кінцеві рішення, такі як серія Omega 44xxx, використовують рівняння Стейнхарта-Харта для перетворення опору в градуси Цельсія.Рівняння 2 потребує трьох констант A, B і C, знову наданих виробником датчика.Оскільки коефіцієнти рівняння генеруються з використанням трьох температурних точок, отримане рівняння мінімізує похибку, внесену лінеаризацією (зазвичай 0,02 °C).
A, B і C є константами, отриманими з трьох заданих температур.R = опір термістора в Омах T = температура в K градусах
На рис.3 показано поточне збудження датчика.Струм приводу подається на термістор і той самий струм подається на прецизійний резистор;прецизійний резистор використовується як еталон для вимірювання.Значення еталонного резистора має бути більше або дорівнювати найбільшому значенню опору термістора (залежно від найнижчої температури, виміряної в системі).
При виборі струму збудження знову ж таки необхідно враховувати максимальний опір терморезистора.Це гарантує, що напруга на датчику та опорному резисторі завжди буде на рівні, прийнятному для електроніки.Джерело струму поля вимагає певного запасу або відповідності вихідного сигналу.Якщо термістор має високий опір при найнижчій вимірюваній температурі, це призведе до дуже низького струму приводу.Тому напруга, що створюється на термісторі при високій температурі, невелика.Програмовані каскади підсилення можна використовувати для оптимізації вимірювання цих сигналів низького рівня.Однак коефіцієнт підсилення необхідно програмувати динамічно, оскільки рівень сигналу від термістора сильно змінюється залежно від температури.
Інший варіант - встановити посилення, але використовувати динамічний струм приводу.Тому, коли рівень сигналу від термістора змінюється, значення струму приводу змінюється динамічно, так що напруга, що розвивається на термісторі, знаходиться в межах заданого вхідного діапазону електронного пристрою.Користувач повинен переконатися, що напруга, створена на еталонному 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?Розглянемо збудження напруги.
Коли до термістора подається напруга постійного струму, струм через термістор автоматично змінюється зі зміною опору термістора.Тепер, використовуючи прецизійний вимірювальний резистор замість еталонного резистора, його мета полягає в тому, щоб обчислити струм, що протікає через термістор, таким чином дозволяючи обчислити опір термістора.Оскільки напруга приводу також використовується як опорний сигнал АЦП, каскад посилення не потрібен.Процесор не має завдання відстежувати напругу термістора, визначати, чи може електроніка виміряти рівень сигналу, і обчислювати, яке значення підсилення приводу/струму потрібно відрегулювати.Це метод, використаний у цій статті.
Якщо термістор має малий номінальний опір і діапазон опору, можна використовувати збудження напругою або струмом.У цьому випадку струм і посилення приводу можуть бути фіксованими.Таким чином, схема буде такою, як показано на малюнку 3. Цей метод зручний тим, що можна контролювати струм через датчик і опорний резистор, що є цінним у додатках із малою потужністю.Крім того, мінімізується самонагрівання термістора.
Збудження напругою також можна використовувати для термісторів з низьким опором.Однак користувач завжди повинен переконатися, що струм через датчик не є надто високим для датчика або програми.
Збудження напругою спрощує реалізацію при використанні термістора з великим опором і широким діапазоном температур.Більший номінальний опір забезпечує прийнятний рівень номінального струму.Однак розробники повинні переконатися, що струм знаходиться на прийнятному рівні в усьому температурному діапазоні, який підтримується програмою.
Сигма-дельта АЦП пропонують кілька переваг при розробці термісторної вимірювальної системи.По-перше, оскільки сигма-дельта АЦП повторно дискретизує аналоговий вхід, зовнішня фільтрація зведена до мінімуму, і єдиною вимогою є простий RC-фільтр.Вони забезпечують гнучкість типу фільтра та вихідної швидкості передачі даних.Вбудовану цифрову фільтрацію можна використовувати для придушення будь-яких перешкод у пристроях, що живляться від мережі.24-розрядні 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 технічні характеристики, вартість системи, площу плати та час виходу на ринок.
У цій статті AD7124-4/AD7124-8 використовується як АЦП, оскільки вони є прецизійними АЦП із низьким рівнем шуму, малим струмом і вбудованим PGA, вбудованим опорним модулем, аналоговим входом і опорним буфером.
Незалежно від того, чи використовуєте ви струм приводу чи напругу приводу, рекомендована раціометрична конфігурація, у якій опорна напруга та напруга датчика надходять від одного джерела приводу.Це означає, що будь-яка зміна джерела збудження не вплине на точність вимірювання.
На рис.5 показує постійний струм керування для термістора та прецизійного резистора RREF, напруга, що розвивається на RREF, є еталонною напругою для вимірювання термістора.
Струм поля не обов’язково повинен бути точним і може бути менш стабільним, оскільки будь-які помилки в струмі поля будуть усунені в цій конфігурації.Як правило, збудження струмом є кращим перед збудженням напругою через чудовий 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 вищим, тому використовується збудження напруги.Наприклад, термістор 10 кОм має опір 10 кОм при 25°C.При -50°C опір термістора NTC становить 441,117 кОм.Мінімальний струм приводу 50 мкА, який забезпечує AD7124-4/AD7124-8, генерує 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, що є занадто високим показником і виходить за межі робочого діапазону більшості доступних АЦП, які використовуються в цій області застосування.Термістори також зазвичай підключаються або розташовуються поблизу електроніки, тому стійкість до струму керування не потрібна.
Послідовне додавання чутливого резистора 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 при еталонній температурі 25°C, щоб вихідна напруга дорівнювала середині еталонної напруги при його номінальній температурі 25°CC Аналогічно, якщо використовується термістор 10 кОм із опором 10 кОм при 25°C, RSENSE має становити 10 кОм.У міру зміни температури опір термістора NTC також змінюється, а також змінюється співвідношення напруги приводу на термісторі, в результаті чого вихідна напруга пропорційна опору термістора NTC.
Якщо обрана еталонна напруга, яка використовується для живлення термістора та/або RSENSE, збігається з еталонною напругою АЦП, що використовується для вимірювання, система налаштована на співвідношенняметричне вимірювання (Малюнок 7), щоб будь-яке джерело напруги, пов’язане зі збудженням, було зміщено.
Зауважте, що резистор вимірювання (керований напругою) або опорний резистор (керований струмом) повинні мати низький початковий допуск і малий дрейф, оскільки обидві змінні можуть впливати на точність усієї системи.
При використанні декількох термісторів можна використовувати одну напругу збудження.Проте кожен термістор повинен мати власний прецизійний сенсорний резистор, як показано на рис.8. Іншим варіантом є використання зовнішнього мультиплексора або перемикача з низьким опором у включеному стані, що дозволяє використовувати один прецизійний сенсорний резистор.У такій конфігурації кожен термістор потребує певного часу встановлення під час вимірювання.
Підсумовуючи, при розробці системи вимірювання температури на основі термістора необхідно розглянути багато питань: вибір датчика, підключення датчика, компроміси при виборі компонентів, конфігурацію АЦП і те, як ці різні змінні впливають на загальну точність системи.У наступній статті цієї серії пояснюється, як оптимізувати конструкцію системи та загальний бюджет помилок системи для досягнення цільової продуктивності.
Час публікації: 30 вересня 2022 р