Šis ir pirmais raksts divdaļīgā sērijā. Šajā rakstā vispirms tiks aplūkota vēsture un dizaina izaicinājumi.termistora temperatūramērīšanas sistēmas, kā arī to salīdzinājums ar pretestības termometra (RTD) temperatūras mērīšanas sistēmām. Tajā tiks aprakstīta arī termistora izvēle, konfigurācijas kompromisi un sigma-delta analogciparu pārveidotāju (ADC) nozīme šajā pielietojuma jomā. Otrajā rakstā tiks detalizēti aprakstīts, kā optimizēt un novērtēt galīgo termistora mērīšanas sistēmu.
Kā aprakstīts iepriekšējā rakstu sērijā “RTD temperatūras sensoru sistēmu optimizēšana”, RTD ir rezistors, kura pretestība mainās atkarībā no temperatūras. Termistori darbojas līdzīgi RTD. Atšķirībā no RTD, kuriem ir tikai pozitīvs temperatūras koeficients, termistoram var būt pozitīvs vai negatīvs temperatūras koeficients. Negatīvā temperatūras koeficienta (NTC) termistori samazina savu pretestību, paaugstinoties temperatūrai, savukārt pozitīvā temperatūras koeficienta (PTC) termistori palielina savu pretestību, paaugstinoties temperatūrai. 1. attēlā parādītas tipisku NTC un PTC termistoru reakcijas raksturlielumi un to salīdzinājums ar RTD līknēm.
Runājot par temperatūras diapazonu, RTD līkne ir gandrīz lineāra, un sensors aptver daudz plašāku temperatūras diapazonu nekā termistori (parasti no -200 °C līdz +850 °C) termistora nelineārā (eksponenciālā) rakstura dēļ. RTD parasti tiek nodrošināti labi zināmu standartizētu līkņu veidā, savukārt termistoru līknes atšķiras atkarībā no ražotāja. Mēs to detalizēti apspriedīsim šī raksta termistoru izvēles ceļveža sadaļā.
Termistori ir izgatavoti no kompozītmateriāliem, parasti keramikas, polimēriem vai pusvadītājiem (parasti metālu oksīdiem) un tīriem metāliem (platīna, niķeļa vai vara). Termistori var noteikt temperatūras izmaiņas ātrāk nekā RTD, nodrošinot ātrāku atgriezenisko saiti. Tāpēc termistorus parasti izmanto sensori lietojumos, kuriem nepieciešamas zemas izmaksas, mazs izmērs, ātrāka reakcija, augstāka jutība un ierobežots temperatūras diapazons, piemēram, elektronikas vadībā, māju un ēku kontrolē, zinātniskajās laboratorijās vai aukstā savienojuma kompensācijai termopāriem komerciālos vai rūpnieciskos lietojumos. Lietojumi.
Vairumā gadījumu precīzai temperatūras mērīšanai tiek izmantoti NTC termistori, nevis PTC termistori. Ir pieejami daži PTC termistori, kurus var izmantot pārslodzes aizsardzības ķēdēs vai kā atiestatāmus drošinātājus drošības lietojumprogrammās. PTC termistora pretestības un temperatūras līkne parāda ļoti nelielu NTC apgabalu pirms pārslēgšanās punkta (vai Kirī punkta) sasniegšanas, virs kura pretestība strauji palielinās par vairākām lieluma kārtām vairāku Celsija grādu diapazonā. Pārslodzes apstākļos PTC termistors radīs spēcīgu pašsilšanu, kad tiek pārsniegta pārslēgšanās temperatūra, un tā pretestība strauji palielināsies, kas samazinās sistēmas ieejas strāvu, tādējādi novēršot bojājumus. PTC termistoru pārslēgšanās punkts parasti ir no 60°C līdz 120°C, un tas nav piemērots temperatūras mērījumu kontrolei plašā pielietojumu klāstā. Šajā rakstā uzmanība pievērsta NTC termistoriem, kas parasti var mērīt vai uzraudzīt temperatūru no -80°C līdz +150°C. NTC termistoru pretestības vērtības svārstās no dažiem omiem līdz 10 MΩ pie 25°C. Kā parādīts 1. attēlā, termistoru pretestības izmaiņas uz katru Celsija grādu ir izteiktākas nekā pretestības termometriem. Salīdzinot ar termistoriem, termistora augstā jutība un augstā pretestības vērtība vienkāršo tā ieejas shēmu, jo termistoriem nav nepieciešama īpaša vadu konfigurācija, piemēram, 3 vadu vai 4 vadu, lai kompensētu vadu pretestību. Termistora konstrukcijā tiek izmantota tikai vienkārša 2 vadu konfigurācija.
Augstas precizitātes termistora temperatūras mērīšanai ir nepieciešama precīza signāla apstrāde, analogciparu pārveidošana, linearizācija un kompensācija, kā parādīts 2. attēlā.
Lai gan signāla ķēde var šķist vienkārša, pastāv vairākas sarežģītības, kas ietekmē visas mātesplates izmēru, izmaksas un veiktspēju. ADI precīzijas ADC portfelī ir iekļauti vairāki integrēti risinājumi, piemēram, AD7124-4/AD7124-8, kas sniedz vairākas priekšrocības termisko sistēmu projektēšanā, jo lielākā daļa lietojumprogrammai nepieciešamo pamatelementu ir iebūvēti. Tomēr termistoru balstītu temperatūras mērīšanas risinājumu projektēšanā un optimizēšanā pastāv dažādas problēmas.
Šajā rakstā ir aplūkota katra no šīm problēmām un sniegti ieteikumi to risināšanai un šādu sistēmu projektēšanas procesa vienkāršošanai.
Ir pieejams plašsNTC termistoritirgū, tāpēc pareizā termistora izvēle jūsu vajadzībām var būt sarežģīts uzdevums. Ņemiet vērā, ka termistori ir uzskaitīti pēc to nominālās vērtības, kas ir to nominālā pretestība 25°C temperatūrā. Tāpēc 10 kΩ termistora nominālā pretestība ir 10 kΩ 25°C temperatūrā. Termistoriem ir nominālā vai pamata pretestības vērtības no dažiem omiem līdz 10 MΩ. Termistori ar zemu pretestības vērtējumu (nominālā pretestība 10 kΩ vai mazāk) parasti atbalsta zemākus temperatūras diapazonus, piemēram, no -50°C līdz +70°C. Termistori ar augstāku pretestības vērtējumu var izturēt temperatūru līdz 300°C.
Termistora elements ir izgatavots no metāla oksīda. Termistori ir pieejami lodīšu, radiālos un SMD formās. Termistoru lodītes ir pārklātas ar epoksīda sveķiem vai iekapsulētas stiklā papildu aizsardzībai. Ar epoksīda sveķiem pārklāti lodīšu termistori, radiālie un virsmas termistori ir piemēroti temperatūrai līdz 150 °C. Stikla lodīšu termistori ir piemēroti augstas temperatūras mērīšanai. Visu veidu pārklājumi/iepakojums aizsargā arī pret koroziju. Dažiem termistoriem būs arī papildu korpusi papildu aizsardzībai skarbos apstākļos. Lodīšu termistoriem ir ātrāks reakcijas laiks nekā radiālajiem/SMD termistoriem. Tomēr tie nav tik izturīgi. Tāpēc izmantotā termistora tips ir atkarīgs no gala pielietojuma un vides, kurā termistors atrodas. Termistora ilgtermiņa stabilitāte ir atkarīga no tā materiāla, iepakojuma un konstrukcijas. Piemēram, ar epoksīda sveķiem pārklāts NTC termistors var mainīties par 0,2 °C gadā, savukārt noslēgts termistors mainās tikai par 0,02 °C gadā.
Termistori ir pieejami ar dažādu precizitāti. Standarta termistoru precizitāte parasti ir no 0,5 °C līdz 1,5 °C. Termistora pretestības vērtējumam un beta vērtībai (attiecība no 25 °C līdz 50 °C/85 °C) ir pielaide. Ņemiet vērā, ka termistora beta vērtība atšķiras atkarībā no ražotāja. Piemēram, dažādu ražotāju 10 kΩ NTC termistoriem būs atšķirīgas beta vērtības. Precīzākām sistēmām var izmantot tādus termistorus kā Omega™ 44xxx sērija. To precizitāte ir 0,1 °C vai 0,2 °C temperatūras diapazonā no 0 °C līdz 70 °C. Tāpēc temperatūru diapazons, ko var izmērīt, un nepieciešamā precizitāte šajā temperatūras diapazonā nosaka, vai termistori ir piemēroti šim pielietojumam. Lūdzu, ņemiet vērā, ka jo augstāka ir Omega 44xxx sērijas precizitāte, jo augstākas ir izmaksas.
Lai pārvērstu pretestību Celsija grādos, parasti izmanto beta vērtību. Beta vērtību nosaka, zinot divus temperatūras punktus un atbilstošo pretestību katrā temperatūras punktā.
RT1 = Temperatūras pretestība 1 RT2 = Temperatūras pretestība 2 T1 = Temperatūra 1 (K) T2 = Temperatūra 2 (K)
Lietotājs izmanto beta vērtību, kas ir vistuvākā projektā izmantotajam temperatūras diapazonam. Lielākajā daļā termistoru datu lapu ir norādīta beta vērtība kopā ar pretestības pielaidi 25 °C temperatūrā un beta vērtības pielaidi.
Augstākas precizitātes termistori un augstas precizitātes terminācijas risinājumi, piemēram, Omega 44xxx sērija, izmanto Steinhart-Hart vienādojumu, lai konvertētu pretestību Celsija grādos. 2. vienādojumam ir nepieciešamas trīs konstantes A, B un C, ko atkal nodrošina sensoru ražotājs. Tā kā vienādojuma koeficienti tiek ģenerēti, izmantojot trīs temperatūras punktus, iegūtais vienādojums samazina linearizācijas radīto kļūdu (parasti 0,02 °C).
A, B un C ir konstantes, kas atvasinātas no trim temperatūras iestatījumiem. R = termistora pretestība omos, T = temperatūra kelvinos grādos.
3. attēlā parādīta sensora ierosmes strāva. Termistoram tiek pievadīta piedziņas strāva, un tāda pati strāva tiek pievadīta precīzijas rezistoram; precīzijas rezistors tiek izmantots kā atskaites punkts mērījumiem. Atskaites rezistora vērtībai jābūt lielākai vai vienādai ar termistora pretestības augstāko vērtību (atkarībā no zemākās sistēmā izmērītās temperatūras).
Izvēloties ierosmes strāvu, atkal jāņem vērā termistora maksimālā pretestība. Tas nodrošina, ka spriegums starp sensoru un atskaites rezistoru vienmēr ir elektronikai pieņemamā līmenī. Lauka strāvas avotam ir nepieciešama zināma rezerve vai izejas saskaņošana. Ja termistoram ir augsta pretestība zemākajā izmērāmajā temperatūrā, tas radīs ļoti zemu piedziņas strāvu. Tāpēc spriegums, kas ģenerēts pāri termistoram augstā temperatūrā, ir mazs. Programmējamas pastiprināšanas pakāpes var izmantot, lai optimizētu šo zemā līmeņa signālu mērīšanu. Tomēr pastiprinājums ir jāprogrammē dinamiski, jo signāla līmenis no termistora ievērojami mainās atkarībā no temperatūras.
Vēl viena iespēja ir iestatīt pastiprinājumu, bet izmantot dinamisko piedziņas strāvu. Tādēļ, mainoties termistora signāla līmenim, piedziņas strāvas vērtība mainās dinamiski, lai spriegums, kas rodas termistorā, atrastos elektroniskās ierīces norādītajā ieejas diapazonā. Lietotājam ir jānodrošina, lai spriegums, kas rodas atsauces rezistorā, būtu arī elektronikai pieņemamā līmenī. Abām iespējām ir nepieciešams augsts kontroles līmenis, pastāvīga sprieguma uzraudzība termistorā, lai elektronika varētu izmērīt signālu. Vai ir vienkāršāka iespēja? Apsveriet sprieguma ierosmi.
Kad termistoram tiek pievadīts līdzstrāvas spriegums, strāva caur termistoru automātiski mērogo līdz ar termistora pretestības izmaiņām. Tagad, izmantojot precīzijas mērīšanas rezistoru atsauces rezistora vietā, tā mērķis ir aprēķināt strāvu, kas plūst caur termistoru, tādējādi ļaujot aprēķināt termistora pretestību. Tā kā piedziņas spriegums tiek izmantots arī kā ADC atsauces signāls, pastiprinājuma pakāpe nav nepieciešama. Procesoram nav jāuzrauga termistora spriegums, jānosaka, vai elektronika var izmērīt signāla līmeni, un jāaprēķina, kāda piedziņas pastiprinājuma/strāvas vērtība ir jāpielāgo. Šī ir šajā rakstā izmantotā metode.
Ja termistoram ir maza pretestības vērtība un pretestības diapazons, var izmantot sprieguma vai strāvas ierosmi. Šajā gadījumā piedziņas strāvu un pastiprinājumu var fiksēt. Tādējādi ķēde būs tāda, kā parādīta 3. attēlā. Šī metode ir ērta, jo ir iespējams kontrolēt strāvu caur sensoru un atskaites rezistoru, kas ir vērtīgi mazjaudas lietojumprogrammās. Turklāt tiek samazināta termistora pašsilšana.
Sprieguma ierosmi var izmantot arī termistoriem ar zemu pretestības vērtējumu. Tomēr lietotājam vienmēr jānodrošina, lai strāva caur sensoru nebūtu pārāk liela sensoram vai lietojumam.
Sprieguma ierosme vienkāršo ieviešanu, izmantojot termistoru ar lielu pretestības vērtējumu un plašu temperatūras diapazonu. Lielāka nominālā pretestība nodrošina pieņemamu nominālās strāvas līmeni. Tomēr projektētājiem ir jānodrošina, lai strāva būtu pieņemamā līmenī visā lietojumprogrammas atbalstītajā temperatūras diapazonā.
Sigma-Delta ADC piedāvā vairākas priekšrocības termistora mērīšanas sistēmas projektēšanā. Pirmkārt, tā kā sigma-Delta ADC atkārtoti atlasa analogo ieeju, ārējā filtrēšana ir minimāla, un vienīgā prasība ir vienkāršs RC filtrs. Tie nodrošina filtra tipa un izejas datu pārraides ātruma elastību. Iebūvēto digitālo filtrēšanu var izmantot, lai nomāktu jebkādus traucējumus ierīcēs, kas darbojas ar elektrotīklu. 24 bitu ierīcēm, piemēram, AD7124-4/AD7124-8, ir pilna izšķirtspēja līdz 21,7 bitiem, tāpēc tās nodrošina augstu izšķirtspēju.
Sigma-delta ADC izmantošana ievērojami vienkāršo termistora konstrukciju, vienlaikus samazinot specifikāciju, sistēmas izmaksas, plates vietu un laiku līdz nonākšanai tirgū.
Šajā rakstā kā ADC tiek izmantots AD7124-4/AD7124-8, jo tie ir zema trokšņa, zema strāvas, precīzi ADC ar iebūvētu PGA, iebūvētu atsauci, analogo ieeju un atsauces buferi.
Neatkarīgi no tā, vai izmantojat piedziņas strāvu vai piedziņas spriegumu, ieteicama ratiometriska konfigurācija, kurā atsauces spriegums un sensora spriegums nāk no viena un tā paša piedziņas avota. Tas nozīmē, ka jebkādas izmaiņas ierosmes avotā neietekmēs mērījuma precizitāti.
5. attēlā redzama termistora un precīzijas rezistora RREF konstantā piedziņas strāva, spriegums, kas rodas uz RREF, ir termistora mērīšanas atskaites spriegums.
Lauka strāvai nav jābūt precīzai, un tā var būt mazāk stabila, jo šajā konfigurācijā tiks novērstas jebkādas lauka strāvas kļūdas. Parasti strāvas ierosme ir labāka nekā sprieguma ierosme, pateicoties labākai jutības kontrolei un labākai trokšņu imunitātei, ja sensors atrodas attālās vietās. Šāda veida nobīdes metode parasti tiek izmantota RTD vai termistoriem ar zemu pretestības vērtību. Tomēr termistoram ar augstāku pretestības vērtību un augstāku jutību katras temperatūras izmaiņas ģenerētais signāla līmenis būs lielāks, tāpēc tiek izmantota sprieguma ierosme. Piemēram, 10 kΩ termistora pretestība ir 10 kΩ pie 25 °C. Pie -50 °C NTC termistora pretestība ir 441,117 kΩ. AD7124-4/AD7124-8 nodrošinātā minimālā piedziņas strāva 50 µA ģenerē 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, kas ir pārāk augsta un ārpus vairuma pieejamo ADC, ko izmanto šajā pielietojuma jomā, darbības diapazona. Termistori parasti ir pievienoti vai novietoti elektronikas tuvumā, tāpēc imunitāte pret piedziņas strāvu nav nepieciešama.
Pievienojot sensora rezistoru virknē kā sprieguma dalītāja ķēdi, strāva caur termistoru tiks ierobežota līdz tā minimālajai pretestības vērtībai. Šajā konfigurācijā sensora rezistora RSENSE vērtībai jābūt vienādai ar termistora pretestības vērtību pie atsauces temperatūras 25 °C, lai izejas spriegums būtu vienāds ar atsauces sprieguma viduspunktu pie tā nominālās temperatūras 25 °C. Līdzīgi, ja tiek izmantots 10 kΩ termistors ar pretestību 10 kΩ pie 25 °C, RSENSE jābūt 10 kΩ. Mainoties temperatūrai, mainās arī NTC termistora pretestība, un mainās arī termistora piedziņas sprieguma attiecība, kā rezultātā izejas spriegums ir proporcionāls NTC termistora pretestībai.
Ja izvēlētais sprieguma atsauces spriegums, ko izmanto termistora un/vai RSENSE barošanai, atbilst ADC atsauces spriegumam, ko izmanto mērīšanai, sistēma tiek iestatīta uz ratiometrisko mērījumu (7. attēls), lai jebkurš ar ierosmi saistītais kļūdas sprieguma avots tiktu novirzīts, lai to novērstu.
Ņemiet vērā, ka vai nu sensora rezistoram (sprieguma vadītam), vai atsauces rezistoram (strāvas vadītam) jābūt ar zemu sākotnējo pielaidi un zemu nobīdi, jo abi mainīgie var ietekmēt visas sistēmas precizitāti.
Izmantojot vairākus termistorus, var izmantot vienu ierosmes spriegumu. Tomēr katram termistoram ir jābūt savam precīzijas noteikšanas rezistoram, kā parādīts 8. attēlā. Vēl viena iespēja ir izmantot ārēju multipleksoru vai zemas pretestības slēdzi ieslēgtā stāvoklī, kas ļauj koplietot vienu precīzijas noteikšanas rezistoru. Izmantojot šo konfigurāciju, katram termistoram mērīšanas laikā ir nepieciešams zināms nostabilizēšanās laiks.
Rezumējot, projektējot termistora temperatūras mērīšanas sistēmu, ir jāņem vērā daudzi jautājumi: sensoru izvēle, sensoru elektroinstalācija, komponentu izvēles kompromisi, ADC konfigurācija un tas, kā šie dažādie mainīgie ietekmē sistēmas kopējo precizitāti. Nākamajā šīs sērijas rakstā ir paskaidrots, kā optimizēt sistēmas dizainu un kopējo sistēmas kļūdu budžetu, lai sasniegtu mērķa veiktspēju.
Publicēšanas laiks: 2022. gada 30. septembris