Šis ir pirmais raksts divu daļu sērijā.Šajā rakstā vispirms tiks apspriesta vēsture un dizaina izaicinājumiuz termistoru balstīta temperatūramērīšanas sistēmas, kā arī to salīdzināšana ar pretestības termometra (RTD) temperatūras mērīšanas sistēmām.Tajā tiks aprakstīta arī termistora izvēle, konfigurācijas kompromisi un sigma-delta analogo-digitālo pārveidotāju (ADC) nozīme šajā lietojuma jomā.Otrajā rakstā tiks detalizēti aprakstīts, kā optimizēt un novērtēt galīgo termistoru mērīšanas sistēmu.
Kā aprakstīts iepriekšējā rakstu sērijā RTD temperatūras sensoru sistēmu optimizēšana, RTD ir rezistors, kura pretestība mainās atkarībā no temperatūras.Termistori darbojas līdzīgi kā RTD.Atšķirībā no RTD, kam ir tikai pozitīvs temperatūras koeficients, termistoram var būt pozitīvs vai negatīvs temperatūras koeficients.Negatīvā temperatūras koeficienta (NTC) termistori samazina savu pretestību, temperatūrai paaugstinoties, savukārt pozitīvā temperatūras koeficienta (PTC) termistori palielina savu pretestību, temperatūrai paaugstinoties.Uz att.1 parāda tipisku NTC un PTC termistoru reakcijas raksturlielumus un salīdzina tos ar RTD līknēm.
Temperatūras diapazona ziņā RTD līkne ir gandrīz lineāra, un sensors aptver daudz plašāku temperatūras diapazonu nekā termistori (parasti no -200 °C līdz +850 °C), jo termistoram ir nelineāra (eksponenciāla) būtība.RTD parasti tiek nodrošinātas labi zināmās standartizētās līknēs, savukārt termistoru līknes atšķiras atkarībā no ražotāja.Mēs to detalizēti apspriedīsim šī raksta termistora izvēles rokasgrāmatas 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 lietojumprogrammās, kurās nepieciešama zema cena, mazs izmērs, ātrāka reakcija, lielāka jutība un ierobežots temperatūras diapazons, piemēram, elektronikas vadība, mājas un ēku kontrole, zinātniskās laboratorijas vai aukstā savienojuma kompensācija termopāriem komerciālos nolūkos. vai rūpnieciskiem lietojumiem.mērķiem.Lietojumprogrammas.
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 lietojumiem.PTC termistora pretestības-temperatūras līkne parāda ļoti mazu NTC reģionu pirms pārslēgšanās punkta (vai Kirī punkta) sasniegšanas, virs kura pretestība strauji palielinās par vairākām kārtām vairāku grādu diapazonā pēc Celsija.Pārstrāvas apstākļos PTC termistors radīs spēcīgu pašsildīšanu, kad tiek pārsniegta pārslēgšanas temperatūra, un tā pretestība strauji palielināsies, kas samazinās ievades strāvu sistēmā, tādējādi novēršot bojājumus.PTC termistoru pārslēgšanas punkts parasti ir no 60°C līdz 120°C, un tas nav piemērots temperatūras mērījumu kontrolei plašā lietojumu diapazonā.Šajā rakstā galvenā uzmanība ir pievērsta NTC termistoriem, ar kuriem parasti var izmērīt vai uzraudzīt temperatūru diapazonā no -80°C līdz +150°C.NTC termistoru pretestības rādītāji svārstās no dažiem omiem līdz 10 MΩ pie 25 °C.Kā parādīts attēlā.1, pretestības izmaiņas uz grādu pēc Celsija termistoriem ir izteiktākas nekā pretestības termometriem.Salīdzinot ar termistoriem, termistora augstā jutība un augstā pretestības vērtība vienkāršo tā ievades shēmu, jo termistoriem nav nepieciešama īpaša vadu konfigurācija, piemēram, 3 vai 4 vadu, lai kompensētu svina pretestību.Termistora dizains izmanto tikai vienkāršu 2 vadu konfigurāciju.
Augstas precizitātes temperatūras mērīšanai uz termistora bāzes ir nepieciešama precīza signāla apstrāde, analogā-digitālā pārveidošana, linearizācija un kompensācija, kā parādīts attēlā.2.
Lai gan signāla ķēde var šķist vienkārša, ir vairākas sarežģītības, kas ietekmē visas mātesplates izmēru, izmaksas un veiktspēju.ADI precīzajā ADC portfelī ir iekļauti vairāki integrēti risinājumi, piemēram, AD7124-4/AD7124-8, kas nodrošina vairākas priekšrocības siltuma sistēmu projektēšanā, jo lielākā daļa lietojumprogrammai nepieciešamo celtniecības bloku ir iebūvēti.Tomēr pastāv dažādi izaicinājumi, izstrādājot un optimizējot uz termistoru balstītus temperatūras mērīšanas risinājumus.
Šajā rakstā ir apskatīta katra no šīm problēmām un sniegti ieteikumi to risināšanai un turpmākai šādu sistēmu projektēšanas procesa vienkāršošanai.
Ir daudz dažāduNTC termistorišodien tirgū, tāpēc piemērota termistora izvēle savam lietojumam var būt grūts uzdevums.Ņemiet vērā, ka termistori ir norādīti pēc to nominālās vērtības, kas ir to nominālā pretestība 25°C temperatūrā.Tāpēc 10 kΩ termistora nominālā pretestība 25 ° C temperatūrā ir 10 kΩ.Termistoru nominālās vai pamata pretestības vērtības svārstās no dažiem omiem līdz 10 MΩ.Termistori ar zemu pretestību (nominālā pretestība 10 kΩ vai mazāk) parasti atbalsta zemākus temperatūras diapazonus, piemēram, no -50°C līdz +70°C.Termistori ar augstākiem pretestības rādītājiem var izturēt temperatūru līdz 300°C.
Termistora elements ir izgatavots no metāla oksīda.Termistori ir pieejami lodveida, radiālās un SMD formās.Termistora lodītes ir pārklātas ar epoksīda pārklājumu vai stikla kapsulu papildu aizsardzībai.Epoksīda pārklājuma lodīšu termistori, radiālie un virsmas termistori ir piemēroti temperatūrai līdz 150°C.Stikla lodīšu termistori ir piemēroti augstas temperatūras mērīšanai.Visu veidu pārklājumi/iepakojums arī aizsargā 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 veids ir atkarīgs no gala pielietojuma un vides, kurā termistors atrodas.Termistora ilgtermiņa stabilitāte ir atkarīga no tā materiāla, iepakojuma un dizaina.Piemēram, ar epoksīda pārklājumu pārklāts NTC termistors var mainīties par 0,2°C gadā, savukārt noslēgts termistors maina tikai par 0,02°C gadā.
Termistori ir ar dažādu precizitāti.Standarta termistoru precizitāte parasti ir no 0,5°C līdz 1,5°C.Termistora pretestības reitingam 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 termistorus, piemēram, Omega™ 44xxx sēriju.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 šajā temperatūras diapazonā nepieciešamā precizitāte nosaka, vai termistori ir piemēroti šim lietojumam.Lūdzu, ņemiet vērā, ka jo augstāka ir Omega 44xxx sērijas precizitāte, jo augstākas ir izmaksas.
Lai pretestību pārvērstu par Celsija grādiem, parasti tiek izmantota beta vērtība.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, kā arī pretestības pielaide 25 °C temperatūrā un beta vērtības pielaide.
Augstākas precizitātes termistori un augstas precizitātes beigu risinājumi, piemēram, Omega 44xxx sērija, izmanto Steinhart-Hart vienādojumu, lai pretestību pārvērstu par Celsija grādiem.2. vienādojumam ir vajadzīgas trīs konstantes A, B un C, ko atkal nodrošina sensora 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 iegūtas no trim temperatūras iestatījumiem.R = termistora pretestība omos T = temperatūra K grādos
Uz att.3 parāda sensora pašreizējo ierosmi.Piedziņas strāva tiek pievadīta termistoram, un tāda pati strāva tiek pievadīta precīzās rezistoram;precizitātes rezistors tiek izmantots kā atsauces mērīšanai.Atsauces 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 pāri sensoram un atsauces rezistoram vienmēr ir elektronikai pieņemamā līmenī.Lauka strāvas avotam ir nepieciešama neliela augstuma 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.Programmējamās pastiprinājuma pakāpes var izmantot, lai optimizētu šo zemā līmeņa signālu mērīšanu.Tomēr pastiprinājums ir jāprogrammē dinamiski, jo signāla līmenis no termistora ļoti atšķiras atkarībā no temperatūras.
Vēl viena iespēja ir iestatīt pastiprinājumu, bet izmantot dinamisko piedziņas strāvu.Tāpēc, mainoties signāla līmenim no termistora, piedziņas strāvas vērtība dinamiski mainās tā, ka spriegums, kas veidojas pāri termistoram, ir norādītajā elektroniskās ierīces ievades diapazonā.Lietotājam ir jānodrošina, lai spriegums, kas veidojas pāri atsauces rezistoram, būtu arī elektronikai pieņemamā līmenī.Abām opcijām nepieciešama augsta līmeņa kontrole, pastāvīga termistora sprieguma uzraudzība, lai elektronika varētu izmērīt signālu.Vai ir kāds vieglāks variants?Apsveriet sprieguma ierosmi.
Kad termistoram tiek pieslēgts līdzstrāvas spriegums, strāva caur termistoru automātiski mērogojas, mainoties termistora pretestībai.Tagad, izmantojot precīzas mērīšanas rezistoru, nevis atsauces rezistoru, 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.Procesora uzdevums nav uzraudzīt termistora spriegumu, noteikt, vai signāla līmeni var izmērīt ar elektroniku, un aprēķināt, kāda piedziņas pastiprinājuma/strāvas vērtība ir jāpielāgo.Šī ir šajā rakstā izmantotā metode.
Ja termistoram ir mazs pretestības rādītājs un pretestības diapazons, var izmantot sprieguma vai strāvas ierosmi.Šajā gadījumā piedziņas strāvu un pastiprinājumu var fiksēt.Tādējādi ķēde būs tāda, kā parādīts 3. attēlā. Šī metode ir ērta ar to, ka ir iespējams kontrolēt strāvu caur sensoru un atsauces rezistoru, kas ir vērtīgs mazjaudas lietojumos.Turklāt termistora pašsildīšanās tiek samazināta līdz minimumam.
Sprieguma ierosmi var izmantot arī termistoriem ar zemu pretestību.Tomēr lietotājam vienmēr ir jānodrošina, lai strāva caur sensoru nebūtu pārāk augsta sensoram vai lietojumprogrammai.
Sprieguma ierosme vienkāršo ieviešanu, izmantojot termistoru ar lielu pretestību un plašu temperatūras diapazonu.Lielāka nominālā pretestība nodrošina pieņemamu nominālās strāvas līmeni.Tomēr dizaineriem ir jānodrošina, lai strāva būtu pieņemamā līmenī visā lietojumprogrammas atbalstītajā temperatūras diapazonā.
Sigma-Delta ADC piedāvā vairākas priekšrocības, izstrādājot termistora mērīšanas sistēmu.Pirmkārt, tā kā sigma-delta ADC resamplē analogo ieeju, ārējā filtrēšana tiek samazināta līdz minimumam, un vienīgā prasība ir vienkāršs RC filtrs.Tie nodrošina elastību attiecībā uz filtra veidu un izvades datu pārraides ātrumu.Iebūvēto digitālo filtrēšanu var izmantot, lai novērstu jebkādus traucējumus ar elektrotīklu darbināmās ierīcēs.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 specifikācijas, sistēmas izmaksas, plates vietu un laiku, lai nonāktu tirgū.
Šajā rakstā kā ADC tiek izmantots AD7124-4/AD7124-8, jo tie ir zema trokšņa līmeņa, zemas strāvas, precīzijas ADC ar iebūvētu PGA, iebūvētu atsauci, analogo ievadi un atsauces buferi.
Neatkarīgi no tā, vai izmantojat piedziņas strāvu vai piedziņas spriegumu, ir ieteicama ratiometriskā konfigurācija, kurā atsauces spriegums un sensora spriegums nāk no viena piedziņas avota.Tas nozīmē, ka jebkuras izmaiņas ierosmes avotā neietekmēs mērījuma precizitāti.
Uz att.5. attēlā parādīta termistora un precizitātes rezistora RREF pastāvīgā piedziņas strāva, spriegums, kas izveidots pāri RREF, ir atsauces spriegums termistora mērīšanai.
Lauka strāvai nav jābūt precīzai, un tā var būt mazāk stabila, jo šajā konfigurācijā visas lauka strāvas kļūdas tiks novērstas.Ja sensors atrodas attālās vietās, parasti priekšroka tiek dota strāvas ierosināšanai, nevis sprieguma ierosmei, jo ir labāka jutības kontrole un labāka trokšņu noturība.Šāda veida novirzes metodi parasti izmanto RTD vai termistoriem ar zemām pretestības vērtībām.Tomēr termistoram ar lielāku pretestības vērtību un lielāku jutību signāla līmenis, ko rada katra temperatūras maiņa, būs lielāks, tāpēc tiek izmantota sprieguma ierosme.Piemēram, 10 kΩ termistoram ir 10 kΩ pretestība 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 lielākās daļas pieejamo ADC darbības diapazona, ko izmanto šajā lietojuma jomā.Arī termistori parasti ir savienoti vai atrodas netālu no elektronikas, tāpēc nav nepieciešama imunitāte pret piedziņas strāvu.
Pievienojot sensoru rezistoru virknē kā sprieguma dalītāja ķēdi, strāva caur termistoru tiks ierobežota līdz 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 tā nominālajā temperatūrā. 25°CC Tāpat, ja tiek izmantots 10 kΩ termistors ar 10 kΩ pretestību 25°C temperatūrā, RSENSE jābūt 10 kΩ.Mainoties temperatūrai, mainās arī NTC termistora pretestība, kā arī mainās piedziņas sprieguma attiecība starp termistoru, kā rezultātā izejas spriegums ir proporcionāls NTC termistora pretestībai.
Ja izvēlētais atsauces spriegums, ko izmanto termistora un/vai RSENSE barošanai, atbilst mērījumiem izmantotajam ADC atsauces spriegumam, sistēma tiek iestatīta uz ratiometrisku mērījumu (7. attēls), lai jebkurš ar ierosmi saistīts kļūdas sprieguma avots tiktu novirzīts, lai to noņemtu.
Ņemiet vērā, ka sensora rezistoram (ar sprieguma piedziņu) vai atsauces rezistoram (ar strāvas piedziņu) jābūt ar zemu sākotnējo pielaidi un zemu novirzi, jo abi mainīgie var ietekmēt visas sistēmas precizitāti.
Izmantojot vairākus termistorus, var izmantot vienu ierosmes spriegumu.Tomēr katram termistoram ir jābūt savam precizitātes sensora rezistoram, kā parādīts attēlā.8. Vēl viena iespēja ir ieslēgtā stāvoklī izmantot ārēju multipleksoru vai zemas pretestības slēdzi, kas ļauj koplietot vienu precizitātes sajūtu rezistoru.Izmantojot šo konfigurāciju, katram termistoram, mērot, ir nepieciešams noteikts nostādināšanas laiks.
Rezumējot, projektējot uz termistoru balstītu temperatūras mērīšanas sistēmu, ir jāņem vērā daudzi jautājumi: sensora izvēle, sensoru vadi, 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.
Izlikšanas laiks: 30. septembris 2022