Dette er den første artikkelen i en serie på to deler. Artikkelen vil først diskutere historien og designutfordringene tiltermistorbasert temperaturmålesystemer, samt deres sammenligning med temperaturmålingssystemer med motstandstermometer (RTD). Den vil også beskrive valg av termistor, konfigurasjonsavveininger og viktigheten av sigma-delta analog-til-digital-omformere (ADC-er) i dette applikasjonsområdet. Den andre artikkelen vil detaljere hvordan man optimaliserer og evaluerer det endelige termistorbaserte målesystemet.
Som beskrevet i den forrige artikkelserien, Optimalisering av RTD-temperatursensorsystemer, er en RTD en motstand hvis motstand varierer med temperaturen. Termistorer fungerer på samme måte som RTD-er. I motsetning til RTD-er, som bare har en positiv temperaturkoeffisient, kan en termistor ha en positiv eller negativ temperaturkoeffisient. Termistorer med negativ temperaturkoeffisient (NTC) reduserer motstanden når temperaturen stiger, mens termistorer med positiv temperaturkoeffisient (PTC) øker motstanden når temperaturen stiger. Fig. 1 viser responsegenskapene til typiske NTC- og PTC-termistorer og sammenligner dem med RTD-kurver.
Når det gjelder temperaturområde, er RTD-kurven nesten lineær, og sensoren dekker et mye bredere temperaturområde enn termistorer (vanligvis -200 °C til +850 °C) på grunn av termistorens ikke-lineære (eksponentielle) natur. RTD-er leveres vanligvis i kjente standardiserte kurver, mens termistorkurver varierer fra produsent til produsent. Vi vil diskutere dette i detalj i avsnittet om valg av termistor i denne artikkelen.
Termistorer er laget av komposittmaterialer, vanligvis keramikk, polymerer eller halvledere (vanligvis metalloksider) og rene metaller (platina, nikkel eller kobber). Termistorer kan oppdage temperaturendringer raskere enn RTD-er, noe som gir raskere tilbakemelding. Derfor brukes termistorer ofte av sensorer i applikasjoner som krever lave kostnader, liten størrelse, raskere respons, høyere følsomhet og begrenset temperaturområde, for eksempel elektronikkkontroll, bolig- og bygningskontroll, vitenskapelige laboratorier eller kaldkrysskompensasjon for termoelementer i kommersielle eller industrielle applikasjoner. Bruksområder.
I de fleste tilfeller brukes NTC-termistorer til nøyaktig temperaturmåling, ikke PTC-termistorer. Noen PTC-termistorer er tilgjengelige som kan brukes i overstrømsbeskyttelseskretser eller som tilbakestillbare sikringer for sikkerhetsapplikasjoner. Motstands-temperaturkurven til en PTC-termistor viser et veldig lite NTC-område før den når koblingspunktet (eller Curie-punktet), over hvilket motstanden stiger kraftig med flere størrelsesordener i området flere grader Celsius. Under overstrømsforhold vil PTC-termistoren generere sterk selvoppvarming når koblingstemperaturen overskrides, og motstanden vil stige kraftig, noe som vil redusere inngangsstrømmen til systemet og dermed forhindre skade. Koblingspunktet for PTC-termistorer er vanligvis mellom 60 °C og 120 °C og er ikke egnet for å kontrollere temperaturmålinger i et bredt spekter av applikasjoner. Denne artikkelen fokuserer på NTC-termistorer, som vanligvis kan måle eller overvåke temperaturer fra -80 °C til +150 °C. NTC-termistorer har motstandsverdier fra noen få ohm til 10 MΩ ved 25 °C. Som vist i figur 1, er endringen i motstand per grad Celsius for termistorer mer uttalt enn for motstandstermometre. Sammenlignet med termistorer forenkler termistorens høye følsomhet og høye motstandsverdi inngangskretsene, siden termistorer ikke krever noen spesiell ledningskonfigurasjon, for eksempel 3-leder eller 4-leder, for å kompensere for ledningsmotstand. Termistordesignet bruker bare en enkel 2-lederkonfigurasjon.
Høypresisjons temperaturmåling basert på termistorer krever presis signalbehandling, analog-til-digital-konvertering, linearisering og kompensasjon, som vist i figur 2.
Selv om signalkjeden kan virke enkel, er det flere kompleksiteter som påvirker størrelsen, kostnaden og ytelsen til hele hovedkortet. ADIs presisjons-ADC-portefølje inkluderer flere integrerte løsninger, som AD7124-4/AD7124-8, som gir en rekke fordeler for termisk systemdesign ettersom de fleste byggesteinene som trengs for en applikasjon er innebygde. Det er imidlertid ulike utfordringer med å designe og optimalisere termistorbaserte temperaturmålingsløsninger.
Denne artikkelen drøfter hvert av disse problemene og gir anbefalinger for å løse dem og ytterligere forenkle designprosessen for slike systemer.
Det finnes et bredt utvalg avNTC-termistorerpå markedet i dag, så det kan være en krevende oppgave å velge riktig termistor for applikasjonen din. Merk at termistorer er oppført etter nominell verdi, som er deres nominelle motstand ved 25 °C. Derfor har en 10 kΩ termistor en nominell motstand på 10 kΩ ved 25 °C. Termistorer har nominelle eller grunnleggende motstandsverdier fra noen få ohm til 10 MΩ. Termistorer med lave motstandsverdier (nominell motstand på 10 kΩ eller mindre) støtter vanligvis lavere temperaturområder, for eksempel -50 °C til +70 °C. Termistorer med høyere motstandsverdier tåler temperaturer opptil 300 °C.
Termistorelementet er laget av metalloksid. Termistorer er tilgjengelige i kule-, radial- og SMD-former. Termistorkuler er epoksybelagte eller glassinnkapslede for ekstra beskyttelse. Epoksybelagte kuletermistorer, radial- og overflatetermistorer er egnet for temperaturer opptil 150 °C. Glasskuletermistorer er egnet for måling av høye temperaturer. Alle typer belegg/emballasje beskytter også mot korrosjon. Noen termistorer vil også ha ekstra hus for ekstra beskyttelse i tøffe miljøer. Glasskuletermistorer har en raskere responstid enn radial-/SMD-termistorer. De er imidlertid ikke like holdbare. Derfor avhenger typen termistor som brukes av sluttapplikasjonen og miljøet der termistoren er plassert. Den langsiktige stabiliteten til en termistor avhenger av materialet, emballasjen og designen. For eksempel kan en epoksybelagt NTC-termistor endre seg 0,2 °C per år, mens en forseglet termistor bare endres 0,02 °C per år.
Termistorer finnes med ulik nøyaktighet. Standardtermistorer har vanligvis en nøyaktighet på 0,5 °C til 1,5 °C. Termistormotstanden og betaverdien (forholdet 25 °C til 50 °C/85 °C) har en toleranse. Merk at betaverdien til termistoren varierer fra produsent til produsent. For eksempel vil 10 kΩ NTC-termistorer fra forskjellige produsenter ha forskjellige betaverdier. For mer nøyaktige systemer kan termistorer som Omega™ 44xxx-serien brukes. De har en nøyaktighet på 0,1 °C eller 0,2 °C over et temperaturområde fra 0 °C til 70 °C. Derfor avgjør temperaturområdet som kan måles og nøyaktigheten som kreves over dette temperaturområdet om termistorer er egnet for denne applikasjonen. Vær oppmerksom på at jo høyere nøyaktigheten til Omega 44xxx-serien er, desto høyere er kostnaden.
For å konvertere motstand til grader Celsius brukes vanligvis betaverdien. Betaverdien bestemmes ved å kjenne de to temperaturpunktene og den tilsvarende motstanden ved hvert temperaturpunkt.
RT1 = Temperaturmotstand 1 RT2 = Temperaturmotstand 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
Brukeren bruker betaverdien som er nærmest temperaturområdet som brukes i prosjektet. De fleste datablad for termistorer viser en betaverdi sammen med en motstandstoleranse ved 25 °C og en toleranse for betaverdien.
Høypresisjonstermistorer og høypresisjonstermineringsløsninger som Omega 44xxx-serien bruker Steinhart-Hart-ligningen for å konvertere motstand til grader Celsius. Ligning 2 krever de tre konstantene A, B og C, igjen levert av sensorprodusenten. Fordi ligningskoeffisientene genereres ved hjelp av tre temperaturpunkter, minimerer den resulterende ligningen feilen som introduseres av linearisering (vanligvis 0,02 °C).
A, B og C er konstanter utledet fra tre temperatursettpunkter. R = termistormotstand i ohm T = temperatur i K grader
Figur 3 viser strømeksitasjonen til sensoren. Drivstrøm påføres termistoren og den samme strømmen påføres presisjonsmotstanden; en presisjonsmotstand brukes som referanse for måling. Verdien av referansemotstanden må være større enn eller lik den høyeste verdien av termistorens motstand (avhengig av den laveste temperaturen som er målt i systemet).
Når man velger eksitasjonsstrømmen, må man igjen ta hensyn til termistorens maksimale motstand. Dette sikrer at spenningen over sensoren og referansemotstanden alltid er på et nivå som er akseptabelt for elektronikken. Feltstrømkilden krever noe takhøyde eller utgangstilpasning. Hvis termistoren har en høy motstand ved den laveste målbare temperaturen, vil dette resultere i en svært lav drivstrøm. Derfor er spenningen som genereres over termistoren ved høy temperatur liten. Programmerbare forsterkningstrinn kan brukes til å optimalisere målingen av disse lavnivåsignalene. Forsterkningen må imidlertid programmeres dynamisk fordi signalnivået fra termistoren varierer mye med temperaturen.
Et annet alternativ er å stille inn forsterkningen, men bruke dynamisk drivstrøm. Derfor, når signalnivået fra termistoren endres, endres drivstrømverdien dynamisk, slik at spenningen som utvikles over termistoren er innenfor det spesifiserte inngangsområdet til den elektroniske enheten. Brukeren må sørge for at spenningen som utvikles over referansemotstanden også er på et nivå som er akseptabelt for elektronikken. Begge alternativene krever et høyt kontrollnivå og konstant overvåking av spenningen over termistoren, slik at elektronikken kan måle signalet. Finnes det et enklere alternativ? Vurder spenningseksitasjon.
Når likespenning påføres termistoren, skaleres strømmen gjennom termistoren automatisk etter hvert som termistorens motstand endres. Nå, ved å bruke en presisjonsmålemotstand i stedet for en referansemotstand, er formålet å beregne strømmen som flyter gjennom termistoren, slik at termistormotstanden kan beregnes. Siden drivspenningen også brukes som ADC-referansesignal, er det ikke nødvendig med noe forsterkningstrinn. Prosessoren har ikke oppgaven med å overvåke termistorspenningen, avgjøre om signalnivået kan måles av elektronikken, og beregne hvilken drivforsterknings-/strømverdi som må justeres. Dette er metoden som brukes i denne artikkelen.
Hvis termistoren har en liten motstandsklassifisering og motstandsområde, kan spennings- eller strømeksitasjon brukes. I dette tilfellet kan drivstrømmen og forsterkningen være faste. Dermed vil kretsen være som vist i figur 3. Denne metoden er praktisk ved at det er mulig å kontrollere strømmen gjennom sensoren og referansemotstanden, noe som er verdifullt i laveffektapplikasjoner. I tillegg minimeres selvoppvarmingen av termistoren.
Spenningseksitasjon kan også brukes for termistorer med lav motstand. Brukeren må imidlertid alltid sørge for at strømmen gjennom sensoren ikke er for høy for sensoren eller applikasjonen.
Spenningseksitasjon forenkler implementeringen når man bruker en termistor med stor motstandsklassifisering og et bredt temperaturområde. Større nominell motstand gir et akseptabelt nivå av nominell strøm. Designere må imidlertid sørge for at strømmen er på et akseptabelt nivå over hele temperaturområdet som støttes av applikasjonen.
Sigma-Delta ADC-er tilbyr flere fordeler når man designer et termistormålesystem. For det første, fordi sigma-delta ADC-en resampler den analoge inngangen, holdes ekstern filtrering til et minimum, og det eneste kravet er et enkelt RC-filter. De gir fleksibilitet i filtertype og utgangsbaudrate. Innebygd digital filtrering kan brukes til å undertrykke eventuell interferens i nettdrevne enheter. 24-bits enheter som AD7124-4/AD7124-8 har en full oppløsning på opptil 21,7 bits, slik at de gir høy oppløsning.
Bruken av en sigma-delta ADC forenkler termistordesignet betraktelig, samtidig som det reduserer spesifikasjoner, systemkostnader, kortplass og tid til marked.
Denne artikkelen bruker AD7124-4/AD7124-8 som ADC fordi de er presisjons-ADC-er med lavt støynivå, lav strømstyrke, innebygd PGA, innebygd referanse, analog inngang og referansebuffer.
Uansett om du bruker drivstrøm eller drivspenning, anbefales en ratiometrisk konfigurasjon der referansespenningen og sensorspenningen kommer fra samme drivkilde. Dette betyr at enhver endring i eksitasjonskilden ikke vil påvirke målingens nøyaktighet.
Figur 5 viser den konstante drivstrømmen for termistoren og presisjonsmotstanden RREF. Spenningen som utvikles over RREF er referansespenningen for måling av termistoren.
Feltstrømmen trenger ikke å være nøyaktig og kan være mindre stabil ettersom eventuelle feil i feltstrømmen vil bli eliminert i denne konfigurasjonen. Generelt foretrekkes strømeksitasjon fremfor spenningsekitasjon på grunn av overlegen følsomhetskontroll og bedre støyimmunitet når sensoren er plassert på avsidesliggende steder. Denne typen forspenningsmetode brukes vanligvis for RTD-er eller termistorer med lave motstandsverdier. For en termistor med høyere motstandsverdi og høyere følsomhet vil imidlertid signalnivået som genereres av hver temperaturendring være større, så spenningsekitasjon brukes. For eksempel har en 10 kΩ termistor en motstand på 10 kΩ ved 25 °C. Ved -50 °C er motstanden til NTC-termistoren 441,117 kΩ. Minimumsdrivstrømmen på 50 µA levert av AD7124-4/AD7124-8 genererer 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, som er for høyt og utenfor driftsområdet til de fleste tilgjengelige ADC-er som brukes i dette bruksområdet. Termistorer er også vanligvis koblet til eller plassert i nærheten av elektronikken, så immunitet mot drivstrøm er ikke nødvendig.
Å legge til en sensormotstand i serie som en spenningsdelerkrets vil begrense strømmen gjennom termistoren til dens minimumsmotstandsverdi. I denne konfigurasjonen må verdien av sensormotstanden RSENSE være lik verdien av termistormotstanden ved en referansetemperatur på 25 °C, slik at utgangsspenningen vil være lik midtpunktet av referansespenningen ved dens nominelle temperatur på 25 °CC. På samme måte, hvis en 10 kΩ termistor med en motstand på 10 kΩ ved 25 °C brukes, bør RSENSE være 10 kΩ. Når temperaturen endres, endres også motstanden til NTC-termistoren, og forholdet mellom drivspenningen over termistoren endres også, noe som resulterer i at utgangsspenningen er proporsjonal med motstanden til NTC-termistoren.
Hvis den valgte spenningsreferansen som brukes til å drive termistoren og/eller RSENSE samsvarer med ADC-referansespenningen som brukes til måling, settes systemet til ratiometrisk måling (figur 7), slik at enhver eksitasjonsrelatert feilspenningskilde vil bli forspent for å fjerne.
Merk at enten følemotstanden (spenningsdrevet) eller referansemotstanden (strømdrevet) bør ha lav initial toleranse og lav drift, da begge variablene kan påvirke nøyaktigheten til hele systemet.
Når man bruker flere termistorer, kan én eksitasjonsspenning brukes. Hver termistor må imidlertid ha sin egen presisjonsavfølingsmotstand, som vist i figur 8. Et annet alternativ er å bruke en ekstern multiplekser eller lavmotstandsbryter i på-tilstand, noe som tillater deling av én presisjonsavfølingsmotstand. Med denne konfigurasjonen trenger hver termistor litt stabiliseringstid når den måles.
Oppsummert, når man designer et termistorbasert temperaturmålingssystem, er det mange spørsmål å vurdere: valg av sensor, sensorkabling, avveininger ved valg av komponent, ADC-konfigurasjon og hvordan disse ulike variablene påvirker systemets totale nøyaktighet. Den neste artikkelen i denne serien forklarer hvordan du optimaliserer systemdesignet og det totale systemfeilbudsjettet for å oppnå målytelsen.
Publisert: 30. september 2022