Šis ir pirmais raksts divdaļīgā sērijā. Šajā rakstā vispirms tiks apspriesti vēstures un dizaina izaicinājumiTermistoru bāzes temperatūraMērīšanas sistēmas, kā arī to salīdzinājums ar pretestības termometra (RTD) temperatūras mērīšanas sistēmām. Tas arī aprakstīs termistora izvēli, konfigurācijas kompromisus un Sigma-Delta analogo-digitālo pārveidotāju (ADC) nozīmi šajā lietojumprogrammas apgabalā. Otrajā rakstā tiks sīki aprakstīts, kā optimizēt un novērtēt galīgo termistoru balstīto mērīšanas sistēmu.
Kā aprakstīts iepriekšējā rakstu sērijā, optimizējot RTD temperatūras sensoru sistēmas, RTD ir rezistors, kura izturība mainās atkarībā no temperatūras. Termistori darbojas līdzīgi kā RTD. Atšķirībā no RTD, kuriem ir tikai pozitīva temperatūras koeficients, termistoram var būt pozitīva vai negatīva temperatūras koeficients. Negatīvās temperatūras koeficienta (NTC) termistori samazina to pretestību, paaugstinoties temperatūrai, bet pozitīvā temperatūras koeficienta (PTC) termistori palielina to pretestību, paaugstinoties temperatūrai. Uz att. 1 parāda tipisko NTC un PTC termistoru reakcijas īpašības un salīdzina tos ar RTD līknēm.
Temperatūras diapazona izteiksmē RTD līkne ir gandrīz lineāra, un sensors aptver daudz platāku temperatūras diapazonu nekā termistori (parasti -200 ° C līdz +850 ° C) termistora nelineārā (eksponenciālā) rakstura dēļ. RTD parasti tiek nodrošināti labi zināmās standartizētās līknēs, savukārt termistoru līknes atšķiras atkarībā no ražotāja. Mēs to sīki apspriedīsim šī raksta termistoru atlases rokasgrāmatas sadaļā.
Termistori ir izgatavoti no kompozītmateriāliem, parasti keramikas, polimēriem vai pusvadītājiem (parasti metāla oksīdiem) un tīriem metāliem (platīns, niķelis vai varš). Termistori var noteikt temperatūras izmaiņas ātrāk nekā RTD, nodrošinot ātrāku atgriezenisko saiti. Tāpēc sensori parasti izmanto termistorus lietojumos, kuriem nepieciešami zemas izmaksas, mazs izmērs, ātrāka reakcija, augstāka jutība un ierobežots temperatūras diapazons, piemēram, elektronikas kontrole, mājas un ēku kontrole, zinātniskās laboratorijas vai aukstā krustojuma kompensācija termopāriem komerciālās vai rūpnieciskos lietojumos. mērķi. Pieteikumi.
Vairumā gadījumu NTC termistorus izmanto precīzam temperatūras mērīšanai, nevis PTC termistoriem. Ir pieejami daži PTC termistori, kurus var izmantot pārmērīgas aizsardzības ķēdēs vai kā atjaunojamus drošinātājus drošības lietojumiem. PTC termistora pretestības un temperatūras līkne parāda ļoti mazu NTC reģionu, pirms sasniedz slēdža punktu (vai kurija punktu), virs kura pretestība strauji palielinās par vairākām lieluma kārtām vairāku grādu Celsija diapazonā. Pārmērīga stāvokļa apstākļos PTC termistors radīs spēcīgu pašsaiti, kad pārslēgšanās temperatūra tiks pārsniegta, un tā pretestība strauji paaugstināsies, kas samazinās sistēmas ievades strāvu, tādējādi novēršot bojājumus. PTC termistoru komutācijas punkts parasti ir no 60 ° C līdz 120 ° C, un tas nav piemērots temperatūras mērījumu kontrolei plašā lietojumprogrammu diapazonā. Šis raksts ir vērsts uz NTC termistoriem, kas parasti var izmērīt vai uzraudzīt temperatūru no -80 ° C līdz +150 ° C. NTC termistoriem ir pretestības vērtējumi, sākot no dažiem omiem līdz 10 MΩ 25 ° C temperatūrā. Kā parādīts attēlā. 1, Termistoru pretestības izmaiņas uz Celsija pakāpi ir izteiktākas nekā pretestības termometru gadījumā. 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 svina pretestību. Termistora dizainā tiek izmantota tikai vienkārša 2 vadu konfigurācija.
Augstas precizitātes uz termistoriem balstīta temperatūras mērīšana prasa precīzu signāla apstrādi, analogo-digitālo pārveidošanu, linearizāciju un kompensāciju, kā parādīts attēlā. 2.
Lai arī signāla ķēde var šķist vienkārša, ir vairākas sarežģītības, kas ietekmē visas mātesplates lielumu, izmaksas un veiktspēju. ADI Precision ADC portfelī ir iekļauti vairāki integrēti risinājumi, piemēram, AD7124-4/AD7124-8, kas nodrošina vairākas priekšrocības termiskās sistēmas projektēšanai, jo lielākā daļa lietojumprogrammas būvprogrammu bloku ir iebūvētas. Tomēr termistoru bāzes temperatūras mērīšanas risinājumu izstrādē un optimizēšanā ir dažādas problēmas.
Šajā rakstā ir apskatīts katrs no šiem jautājumiem un sniedz ieteikumus to risināšanai un šādu sistēmu projektēšanas procesa vienkāršošanai.
Ir ļoti dažādasNTC termistoriMūsdienās tirgū, tāpēc pareizā termistora izvēle jūsu lietojumprogrammai var būt biedējošs uzdevums. Ņemiet vērā, ka termistori ir uzskaitīti pēc to nominālās vērtības, kas ir viņu nominālā pretestība 25 ° C temperatūrā. Tāpēc 10 kΩ termistora nominālā pretestība ir 10 kΩ 25 ° C temperatūrā. Termistoriem ir nominālās vai pamata pretestības vērtības, sākot no dažiem omiem līdz 10 MΩ. Termistori ar zemu pretestības vērtējumu (nominālā pretestība 10 kΩ vai mazāk) parasti atbalsta zemāku temperatūras diapazonu, piemēram, -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 bumbiņu, radiālā un SMD formā. Termistoru lodītes ir pārklāta ar epoksīdu vai stikls ir iekapsulēts papildu aizsardzībai. Epoksīda pārklātie bumbiņas 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 apvalki, lai pievienotu aizsardzību skarbā vidē. Lodīšu termistoriem ir ātrāks reakcijas laiks nekā radiālajam/SMD termistoriem. Tomēr tie nav tik izturīgi. Tāpēc izmantotais termistora tips ir atkarīgs no gala pielietojuma un vides, kurā atrodas termistors. Termistora ilgtermiņa stabilitāte ir atkarīga no tā materiāla, iesaiņojuma un dizaina. Piemēram, ar epoksīdu pārklāts NTC termistors var mainīt 0,2 ° C gadā, savukārt aizzīmogots termistors maina tikai 0,02 ° C gadā.
Termistoriem ir atšķirīga precizitāte. Standarta termistoru precizitāte parasti ir no 0,5 ° C līdz 1,5 ° C. Termistora pretestības vērtībai un beta vērtībai (attiecībai no 25 ° C līdz 50 ° C/85 ° C) ir tolerance. Ņemiet vērā, ka termistora beta vērtība mainās atkarībā no ražotāja. Piemēram, 10 kΩ NTC termistoriem no dažādiem ražotājiem būs atšķirīgas beta vērtības. Precīzākām sistēmām var izmantot tādus termistorus kā Omega ™ 44XXX sērijas. To precizitāte ir 0,1 ° C vai 0,2 ° C temperatūras diapazonā no 0 ° C līdz 70 ° C. Tāpēc temperatūras diapazons, ko var izmērīt, un precizitāte, kas nepieciešama šajā temperatūras diapazonā, nosaka, vai termistori ir piemēroti šai lietojumprogrammai. Lūdzu, ņemiet vērā, ka, jo augstāka ir Omega 44XXX sērijas precizitāte, jo augstākas ir izmaksas.
Lai pārveidotu pretestību grādiem pēc Celsija, parasti tiek izmantota beta vērtība. Beta vērtību nosaka, zinot abus 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 vistuvāk projektā izmantotajam temperatūras diapazonam. Lielākajā daļā termistoru datu lapu ir uzskaitīta beta vērtība, kā arī pretestības tolerance 25 ° C temperatūrā un tolerance pret beta vērtību.
Augstāki precizitātes termistori un augstas precizitātes pārtraukšanas šķīdumi, piemēram, Omega 44XXX sērija, izmanto Šteinharta-Harta vienādojumu, lai pārveidotu pretestību Celsija grādiem. 2. vienādojumam ir vajadzīgas trīs konstantes A, B un C, ko atkal nodrošina sensoru ražotājs. Tā kā vienādojuma koeficienti tiek ģenerēti, izmantojot trīs temperatūras punktus, iegūtais vienādojums samazina kļūdu, kas ieviesta ar linearizāciju (parasti 0,02 ° C).
A, B un C ir konstantes, kas iegūtas no trim temperatūras uzdotajiem punktiem. R = termistoru pretestība omi t = temperatūra k grādos
Uz att. 3 parāda pašreizējo sensora ierosmi. Piedziņas strāva tiek pielietota termistoram, un to pašu strāvu pieliek precizitātes rezistoram; Kā atsauci mērīšanai tiek izmantots precizitātes rezistors. Atsauces rezistora vērtībai jābūt lielākai vai vienādai ar termistora pretestības augstāko vērtību (atkarībā no zemākās temperatūras, kas izmērīta sistēmā).
Izvēloties ierosmes strāvu, atkal jāņem vērā termistora maksimālā pretestība. Tas nodrošina, ka spriegums visā sensorā un atsauces rezistors vienmēr ir elektronikai pieņemams līmenī. Lauka strāvas avotam ir nepieciešama neliela augstuma vai izvades atbilstība. Ja termistoram ir augsta pretestība zemākajā izmērāmā temperatūrā, tas radīs ļoti zemu piedziņas strāvu. Tāpēc spriegums, kas ģenerēts visā termistorā augstā temperatūrā, ir mazs. Lai optimizētu šo zemā līmeņa signālu mērīšanu, var izmantot programmējamus pastiprināšanas posmus. 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. Tāpēc, mainoties signāla līmenim no termistora, piedziņas strāvas vērtība mainās dinamiski tā, lai visā termistorā izstrādātais spriegums būtu elektroniskās ierīces norādītajā ieejas diapazonā. Lietotājam jāpārliecinās, ka spriegums, kas izstrādāts visā atsauces rezistorā, ir arī elektronikai pieņemams līmenī. Abām iespējām ir nepieciešams augsts kontroles līmenis, pastāvīga sprieguma uzraudzība visā termistorā, lai elektronika varētu izmērīt signālu. Vai ir kāds vieglāks variants? Apsveriet sprieguma ierosmi.
Kad termistoram tiek pielietots līdzstrāvas spriegums, strāva caur termistoru automātiski palielinās, mainoties termistora pretestībai. Tagad, izmantojot precīzu mērīšanas rezistoru, nevis 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, pastiprināšanas posms nav nepieciešams. Procesoram nav termistora sprieguma uzraudzības, nosakot, vai signāla līmeni var izmērīt ar elektroniku, un aprēķinot, kāda piedziņas pastiprinājuma/strāvas vērtība ir jāpielāgo. Šī ir šajā rakstā izmantotā metode.
Ja termistoram ir neliels pretestības vērtējums un pretestības diapazons, var izmantot spriegumu vai strāvas ierosmi. Šajā gadījumā piedziņas strāvu un pastiprinājumu var novērst. Tādējādi ķēde būs tāda, kā parādīts 3. attēlā. Šī metode ir ērta, jo ir iespējams kontrolēt strāvu caur sensoru un atsauces rezistoru, kas ir vērtīgs zemas jaudas lietojumprogrammās. Turklāt termistora pašsildīšana tiek samazināta līdz minimumam.
Sprieguma ierosmi var izmantot arī termistoriem ar zemu pretestības vērtējumu. Tomēr lietotājam vienmēr ir jānodrošina, ka strāva caur sensoru nav pārāk augsta sensoram vai lietojumprogrammai.
Sprieguma ierosme vienkāršo ieviešanu, izmantojot termistoru ar lielu pretestības vērtējumu un plašu temperatūras diapazonu. Lielāka nominālā pretestība nodrošina pieņemamu novērtētās strāvas līmeni. Tomēr dizaineriem ir jāpārliecinās, ka strāva ir pieņemamā līmenī visā temperatūras diapazonā, ko atbalsta lietojumprogramma.
Sigma-Delta ADC piedāvā vairākas priekšrocības, izstrādājot termistoru mērīšanas sistēmu. Pirmkārt, tāpēc, ka Sigma-Delta ADC atkārto analogo ieeju, ārējā filtrēšana tiek samazināta līdz minimumam, un vienīgā prasība ir vienkāršs RC filtrs. Tie nodrošina elastību filtra tipā un izvades baudā līmenī. Iebūvēto digitālo filtrēšanu var izmantot, lai nomāktu jebkādu traucējumu ierīcēs, kas darbināmas ar tīklu. 24 bitu ierīcēm, piemēram, AD7124-4/AD7124-8, pilnīga izšķirtspēja ir līdz 21,7 bitiem, tāpēc tās nodrošina augstu izšķirtspēju.
Sigma-Delta ADC izmantošana ievērojami vienkāršo termistoru dizainu, vienlaikus samazinot specifikāciju, sistēmas izmaksas, dēļa telpu un laiku tirgū.
Šajā rakstā kā ADC tiek izmantots AD7124-4/AD7124-8, jo tie ir zems troksnis, zema strāva, precīzi ADC ar iebūvētu PGA, iebūvētu atsauci, analogo ieeju un atsauces buferi.
Neatkarīgi no tā, vai izmantojat piedziņas strāvas vai piedziņas spriegumu, ieteicama koeficienta konfigurācija, kurā atsauces spriegums un sensora spriegums ir no tā paša piedziņas avota. Tas nozīmē, ka jebkādas ierosināšanas avota izmaiņas neietekmēs mērījuma precizitāti.
Uz att. 5 parāda nemainīgu piedziņas strāvu termistoram un precīzas rezistoram RREF, spriegums, kas izstrādāts visā RREF, ir atsauces spriegums termistora mērīšanai.
Lauka strāvai nav jābūt precīzai, un tā var būt mazāk stabila, jo šajā konfigurācijā tiks novērstas visas kļūdas lauka strāvā. Parasti tiek dota priekšroka strāvas ierosmei salīdzinājumā ar sprieguma ierosmi augstākas jutības kontroles un labākas trokšņa imunitātes dēļ, kad sensors atrodas attālās vietās. Šāda veida novirzes metodi parasti izmanto RTD vai termistoriem ar zemu pretestības vērtībām. Tomēr termistoram ar augstāku pretestības vērtību un augstāku jutīgumu signāla līmenis, ko rada katras temperatūras izmaiņas, būs lielāks, tāpēc tiek izmantots sprieguma ierosme. Piemēram, 10 kΩ termistora pretestība ir 10 kΩ 25 ° C temperatūrā. Pie -50 ° C NTC termistora pretestība ir 441,117 kΩ. Minimālā piedziņas strāva 50 µA, ko nodrošina AD7124-4/AD7124-8, ģenerē 441,117 kΩ × 50 µa = 22 V, kas ir pārāk augsts un ārpus tā pieejamāko ADC, ko izmanto šajā lietojumprogrammas apgabalā. Termistori parasti ir arī savienoti vai atrodas netālu no elektronikas, tāpēc nav nepieciešama imunitāte pret piedziņas strāvu.
Pievienojot sajūtas rezistoru virknē kā sprieguma dalītāja ķēdi, strāva caur termistoru ierobežos līdz tā minimālajai pretestības vērtībai. Šajā konfigurācijā izpratnes rezistora vērtībai jābūt vienādai ar termistora pretestības vērtību 5 ° C atskaites temperatūrā, lai izejas spriegums būtu vienāds ar atsauces sprieguma vidējo punktu tā nominālajā temperatūrā 25 ° CC līdzīgi, ja 10 kΩ termistoram ar 10 k -rezervātu ir jāizmanto 10 kΩ. Mainoties temperatūrai, mainās arī NTC termistora izturība, kā arī mainās piedziņas sprieguma attiecība visā termistorā, kā rezultātā izejas spriegums ir proporcionāls NTC termistora izturībai.
Ja atlasītā sprieguma atsauce, ko izmanto termistora un/vai rsense, atbilst mērīšanai izmantoto ADC atsauces spriegumu, sistēma ir iestatīta uz attiecību mērījumu (7. attēls), lai jebkurš ar ierosmi saistītais kļūdas sprieguma avots būtu neobjektīvs, lai noņemtu.
Ņemiet vērā, ka vai nu sajūtas rezistoram (uz spriegumu balstītu), vai atsauces rezistoram (strāvai balstītam) jābūt zemai sākotnējai tolerancei un zemai novirzei, jo abi mainīgie var ietekmēt visas sistēmas precizitāti.
Izmantojot vairākus termistorus, var izmantot vienu ierosmes spriegumu. Tomēr katram termistoram jābūt savai precizitātes izjūtas rezistoram, kā parādīts 1. attēlā. 8. Vēl viena iespēja ir izmantot ārēju multipleksoru vai zemas pretestības slēdzi ON stāvoklī, kas ļauj dalīties ar vienu precizitātes izjūtas rezistoru. Izmantojot šo konfigurāciju, katram termistoram ir nepieciešams kāds nosēdēšanas laiks, kad tas tiek izmērīts.
Rezumējot, izstrādājot uz termistoru balstītu temperatūras mērīšanas sistēmu, ir daudz jautājumu, kas jāņem vērā: sensoru izvēle, sensora vadi, komponentu atlases kompromisi, ADC konfigurācija un kā šie dažādie mainīgie ietekmē sistēmas vispārējo precizitāti. Nākamais šīs sērijas raksts izskaidro, kā optimizēt sistēmas dizainu un vispārējo sistēmas kļūdu budžetu, lai sasniegtu mērķa veiktspēju.
Pasta laiks: 2010. gada 30. septembris