Dette er den første artikkelen i en todelt serie. Denne artikkelen vil først diskutere historien og designutfordringene tiltermistorbasert temperaturmålesystemer, samt deres sammenligning med motstandstermometer (RTD) temperaturmålesystemer. Den vil også beskrive valg av termistor, konfigurasjonsavveininger og viktigheten av sigma-delta analog-til-digital-omformere (ADC) i dette applikasjonsområdet. Den andre artikkelen vil detaljere hvordan du kan optimalisere og evaluere det endelige termistorbaserte målesystemet.
Som beskrevet i forrige artikkelserie, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, er en RTD en motstand hvis motstand varierer med temperaturen. Termistorer fungerer på samme måte som RTDer. I motsetning til RTD-er, som bare har en positiv temperaturkoeffisient, kan en termistor ha en positiv eller negativ temperaturkoeffisient. Negativ temperaturkoeffisient (NTC) termistorer reduserer motstanden når temperaturen stiger, mens termistorer med positiv temperaturkoeffisient (PTC) øker motstanden når temperaturen stiger. På fig. 1 viser responskarakteristikkene 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 (typisk -200 °C til +850 °C) på grunn av termistorens ikke-lineære (eksponentielle) natur. RTD-er leveres vanligvis i velkjente standardiserte kurver, mens termistorkurver varierer fra 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, og 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, hjemme- og bygningskontroll, vitenskapelige laboratorier eller kompensasjon for kalde overganger for termoelementer i kommersielle tilfeller eller industrielle applikasjoner. formål. Søknader.
I de fleste tilfeller brukes NTC-termistorer for nøyaktig temperaturmåling, ikke PTC-termistorer. Noen PTC-termistorer er tilgjengelige som kan brukes i overstrømsbeskyttelseskretser eller som tilbakestillbare sikringer for sikkerhetsapplikasjoner. Resistans-temperaturkurven til en PTC-termistor viser et veldig lite NTC-område før det når svitsjepunktet (eller Curie-punktet), over hvilket motstanden øker kraftig med flere størrelsesordener i området flere grader Celsius. Under overstrømsforhold vil PTC-termistoren generere sterk selvoppvarming når brytertemperaturen overskrides, og motstanden vil stige kraftig, noe som vil redusere inngangsstrømmen til systemet, og dermed forhindre skade. Koblingspunktet til PTC-termistorer er typisk mellom 60°C og 120°C og er ikke egnet for å kontrollere temperaturmålinger i et bredt spekter av bruksområder. Denne artikkelen fokuserer på NTC-termistorer, som typisk kan måle eller overvåke temperaturer fra -80 °C til +150 °C. NTC-termistorer har motstandsklassifiseringer fra noen få ohm til 10 MΩ ved 25 °C. Som vist i fig. 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 dens inngangskrets, siden termistorer ikke krever noen spesiell ledningskonfigurasjon, for eksempel 3-leder eller 4-leder, for å kompensere for ledningsmotstand. Termistordesignet bruker kun en enkel 2-leder konfigurasjon.
Høypresisjon termistorbasert temperaturmåling krever presis signalbehandling, analog-til-digital konvertering, linearisering og kompensasjon, som vist i fig. 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 byggeklossene som trengs for en applikasjon er innebygd. Det er imidlertid ulike utfordringer med å designe og optimalisere termistorbaserte temperaturmålingsløsninger.
Denne artikkelen diskuterer 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 vanskelig oppgave å velge riktig termistor for din applikasjon. Merk at termistorer er oppført etter deres nominelle 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 lav motstandsklassifisering (nominell motstand på 10 kΩ eller mindre) støtter vanligvis lavere temperaturområder, for eksempel -50 °C til +70 °C. Termistorer med høyere motstandsklassifisering tåler temperaturer opp til 300°C.
Termistorelementet er laget av metalloksid. Termistorer er tilgjengelige i kule-, radial- og SMD-former. Termistorkuler er epoksybelagt eller glassinnkapslet for ekstra beskyttelse. Epoksybelagte kuletermistorer, radial- og overflatetermistorer er egnet for temperaturer opp til 150°C. Glasskule termistorer 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. Perletermistorer har en raskere responstid enn radielle/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 dens materiale, emballasje og design. For eksempel kan en epoksybelagt NTC-termistor endres 0,2°C per år, mens en forseglet termistor kun endres 0,02°C per år.
Termistorer kommer med forskjellig nøyaktighet. Standard termistorer har vanligvis en nøyaktighet på 0,5°C til 1,5°C. Termistormotstandsvurderingen og betaverdien (forhold på 25°C til 50°C/85°C) har en toleranse. Merk at betaverdien til termistoren varierer fra 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 på 0°C til 70°C. Derfor bestemmer området av temperaturer 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, jo høyere kostnad.
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 brukt i prosjektet. De fleste termistordataark viser en betaverdi sammen med en motstandstoleranse ved 25°C og en toleranse for betaverdien.
Termistorer med høyere presisjon og termineringsløsninger med høy presisjon 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 ved linearisering (typisk 0,02 °C).
A, B og C er konstanter utledet fra tre temperatursettpunkter. R = termistormotstand i ohm T = temperatur i K grader
På fig. 3 viser den aktuelle eksiteringen av sensoren. Drivstrøm påføres termistoren og samme strøm påføres presisjonsmotstanden; en presisjonsmotstand brukes som referanse for måling. Verdien til referansemotstanden må være større enn eller lik den høyeste verdien av termistormotstanden (avhengig av den laveste temperaturen målt i systemet).
Når du velger eksitasjonsstrømmen, må den maksimale motstanden til termistoren igjen tas i betraktning. Dette sikrer at spenningen over sensoren og referansemotstanden alltid er på et nivå som er akseptabelt for elektronikken. Feltstrømkilden krever litt takhøyde eller utgangstilpasning. Dersom termistoren har høy motstand ved lavest målbare temperatur, vil dette gi svært lav drivstrøm. Derfor er spenningen generert 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, konstant overvåking av spenningen over termistoren slik at elektronikken kan måle signalet. Finnes det et enklere alternativ? Vurder spenningseksitasjon.
Når likespenning tilføres termistoren, skalerer strømmen gjennom termistoren automatisk når termistorens motstand endres. Nå, ved å bruke en presisjonsmålemotstand i stedet for en referansemotstand, er formålet å beregne strømmen som flyter gjennom termistoren, og dermed tillate at termistormotstanden kan beregnes. Siden drivspenningen også brukes som ADC-referansesignal, er det ikke nødvendig med noe forsterkningstrinn. Prosessoren har ikke jobben med å overvåke termistorspenningen, avgjøre om signalnivået kan måles av elektronikken, og beregne hvilken drivforsterkning/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 fikses. 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 selvoppvarming av termistoren.
Spenningseksitasjon kan også brukes for termistorer med lav motstandsklassifisering. Imidlertid må brukeren alltid sørge for at strømmen gjennom sensoren ikke er for høy for sensoren eller applikasjonen.
Spenningseksitering forenkler implementeringen når du bruker en termistor med stor motstandsvurdering og et bredt temperaturområde. Større nominell motstand gir et akseptabelt nivå av merkestrøm. Designere må imidlertid sørge for at strømmen er på et akseptabelt nivå over hele temperaturområdet som støttes av applikasjonen.
Sigma-Delta ADC-er gir flere fordeler når du designer et termistormålesystem. For det første, fordi sigma-delta ADC resampler den analoge inngangen, holdes ekstern filtrering på et minimum, og det eneste kravet er et enkelt RC-filter. De gir fleksibilitet i filtertype og utgangsoverføringshastighet. Innebygd digital filtrering kan brukes til å undertrykke enhver interferens i nettdrevne enheter. 24-bits enheter som AD7124-4/AD7124-8 har en full oppløsning på opptil 21,7 bit, så de gir høy oppløsning.
Bruken av en sigma-delta ADC forenkler termistordesignet betraktelig samtidig som spesifikasjoner, systemkostnader, kortplass og tid til marked reduseres.
Denne artikkelen bruker AD7124-4/AD7124-8 som ADC fordi de er lav støy, lav strøm, presisjons ADC med innebygd PGA, innebygd referanse, analog inngang og referansebuffer.
Uansett om du bruker drivstrøm eller drivspenning, anbefales en forholdsmessig konfigurasjon der referansespenningen og sensorspenningen kommer fra samme drivkilde. Dette betyr at enhver endring i eksitasjonskilden ikke vil påvirke nøyaktigheten av målingen.
På fig. 5 viser den konstante drivstrømmen for termistoren og presisjonsmotstanden RREF, spenningen utviklet 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 spenningseksitasjon på grunn av overlegen følsomhetskontroll og bedre støyimmunitet når sensoren er plassert på avsidesliggende steder. Denne typen forspenningsmetode brukes vanligvis for RTDer 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 spenningseksitasjon 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. Minste drivstrøm 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 applikasjonsområdet. Termistorer er også vanligvis koblet til eller plassert i nærheten av elektronikken, så immunitet mot kjørestrøm er ikke nødvendig.
Å legge til en sensormotstand i serie som en spenningsdelerkrets vil begrense strømmen gjennom termistoren til dens minste motstandsverdi. I denne konfigurasjonen må verdien av sensormotstanden RSENSE være lik verdien av termistormotstanden ved en referansetemperatur på 25°C, slik at utgangsspenningen blir lik midtpunktet til 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 for måling, settes systemet til forholdsmessig måling (Figur 7) slik at enhver eksitasjonsrelatert feilspenningskilde vil bli forspent for å fjerne.
Merk at enten sensormotstanden (spenningsdrevet) eller referansemotstanden (strømdrevet) bør ha lav starttoleranse og lav drift, da begge variablene kan påvirke nøyaktigheten til hele systemet.
Ved bruk av flere termistorer kan én eksitasjonsspenning brukes. Hver termistor må imidlertid ha sin egen presisjonsfølemotstand, som vist i fig. 8. Et annet alternativ er å bruke en ekstern multiplekser eller lav-motstandsbryter i på-tilstand, som gjør det mulig å dele én presisjonssensormotstand. Med denne konfigurasjonen trenger hver termistor en viss innstillingstid når den måles.
Oppsummert, når du designer et termistorbasert temperaturmålingssystem, er det mange spørsmål å vurdere: sensorvalg, sensorkabling, avveininger for komponentvalg, ADC-konfigurasjon og hvordan disse forskjellige variablene påvirker systemets generelle nøyaktighet. Den neste artikkelen i denne serien forklarer hvordan du kan optimalisere systemdesignet og det totale systemfeilbudsjettet for å oppnå målytelsen.
Innleggstid: 30. september 2022