Dette er den første artikkelen i en todelt serie. Denne artikkelen vil først diskutere historien og designutfordringene tilTermistorbasert temperaturMålesystemer, så vel som deres sammenligning med RTD -målesystemer (Resistance Thermometer (RTD). Den vil også beskrive valget av termistor, konfigurasjonsavveininger, og viktigheten av Sigma-Delta analog-til-digitale omformere (ADC) i dette applikasjonsområdet. Den andre artikkelen vil detaljere hvordan du 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 temperatur. 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. Negativ temperaturkoeffisient (NTC) termistorer reduserer motstanden når temperaturen stiger, mens positive temperaturkoeffisient (PTC) termistorer øker deres motstand når temperaturen stiger. På 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 større temperaturområde enn termistorer (typisk -200 ° C til +850 ° C) på grunn av den ikke -lineære (eksponentielle) naturen til termistoren. RTD-er tilveiebringes vanligvis i kjente standardiserte kurver, mens termistorkurver varierer fra produsenten. Vi vil diskutere dette i detalj i Thermistor Selection Guide -delen 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 gi raskere tilbakemelding. Derfor blir termistorer ofte brukt 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 av kaldt kryss for termoelementer i kommersielle eller industrielle applikasjoner. formål. Applikasjoner.
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 omsettbare sikringer for sikkerhetsapplikasjoner. Motstandstemperaturkurven til en PTC-termistor viser et veldig lite NTC-region før du når bryterpunktet (eller curie-punktet), over hvilken motstanden stiger skarpt med flere størrelsesordener i området flere grader. Under overstrømforhold vil PTC-termistoren generere sterk selvoppvarming når byttemperaturen overskrides, og dens motstand vil stige kraftig, noe som vil redusere inngangsstrømmen til systemet, og dermed forhindre skade. Byttepunktet til PTC -termistorer er typisk 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 motstandsvurderinger 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 inngangskretsene, siden termistorer ikke krever noen spesielle ledningskonfigurasjon, for eksempel 3-ledning eller 4-ledning, for å kompensere for blymotstand. Thermistor Design bruker bare en enkel 2-tråds konfigurasjon.
Termistorbasert temperaturmåling med høy presisjon krever presis signalbehandling, analog-til-digital konvertering, linearisering og kompensasjon, som vist på fig. 2.
Selv om signalkjeden kan virke enkel, er det flere kompleksiteter som påvirker størrelsen, kostnadene og ytelsen til hele hovedkortet. ADIs Precision ADC-portefølje inkluderer flere integrerte løsninger, for eksempel AD7124-4/AD7124-8, som gir en rekke fordeler for termisk systemdesign da de fleste av byggesteinene som trengs for en applikasjon er innebygd. Imidlertid er det forskjellige 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 er et bredt utvalg avNTC -termistorerPå markedet i dag, så å velge riktig termistor for applikasjonen din kan være en skremmende oppgave. 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 som spenner fra noen få ohm til 10 MΩ. Termistorer med lav motstandsvurdering (nominell motstand på 10 kΩ eller mindre) støtter typisk lavere temperaturområder, for eksempel -50 ° C til +70 ° C. Termistorer med høyere motstandsvurderinger tåler temperaturer opp til 300 ° C.
Termistorelementet er laget av metalloksyd. Termistorer er tilgjengelige i ball-, radiale og SMD -former. Termistorperler er epoksybelagt eller glass innkapslet for ekstra beskyttelse. Epoksybelagte kuletermistorer, radiale og overflatetermistorer er egnet for temperaturer opp til 150 ° C. Glassperle -termistorer er egnet for å måle høye temperaturer. Alle typer belegg/emballasje beskytter også mot korrosjon. Noen termistorer vil også ha flere hus for ekstra beskyttelse i tøffe miljøer. Bead -termistorer har en raskere responstid enn radiale/SMD -termistorer. De er imidlertid ikke like holdbare. Derfor avhenger typen termistor som brukes av sluttpåføringen og miljøet som termistoren ligger i. Den langsiktige stabiliteten til en termistor avhenger av dens materiale, emballasje og design. For eksempel kan en epoksybelagt NTC-termistor endre 0,2 ° C per år, mens en forseglet termistor bare endrer 0,02 ° C per år.
Termistorer kommer i annen nøyaktighet. Standard termistorer har vanligvis en nøyaktighet på 0,5 ° C til 1,5 ° C. Termistormotstandsvurderingen og beta -verdien (forholdet på 25 ° C til 50 ° C/85 ° C) har en toleranse. Merk at beta -verdien til termistoren varierer fra produsenten. For eksempel vil 10 kΩ NTC -termistorer fra forskjellige produsenter ha forskjellige beta -verdier. 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 bestemmer temperaturområdet som kan måles og nøyaktigheten som kreves over det temperaturområdet, om termistorer er egnet for denne applikasjonen. Vær oppmerksom på at jo høyere nøyaktigheten til Omega 44xxx -serien, jo høyere er kostnaden.
For å konvertere motstand til grader Celsius, brukes beta -verdien vanligvis. Betalverdien 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 beta -verdien nærmest temperaturområdet som brukes i prosjektet. De fleste termistor databladene viser en beta -verdi sammen med en motstandstoleranse ved 25 ° C og en toleranse for beta -verdien.
Høyere presisjonstermistorer og høye presisjonsavslutningsløsninger 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 bruk av tre temperaturpunkter, minimerer den resulterende ligningen feilen som er introdusert ved linearisering (typisk 0,02 ° C).
A, B og C er konstanter avledet fra tre temperatursettpunkter. R = termistormotstand i ohm t = temperatur i k grader
På fig. 3 viser gjeldende eksitering av sensoren. Drivstrøm brukes på termistoren og den samme strømmen brukes på presisjonsmotstanden; En presisjonsmotstand brukes som referanse for måling. Verdien av 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 termistorens maksimale motstand igjen tas med i betraktningen. Dette sikrer at spenningen over sensoren og referansemotstanden alltid er på et nivå som er akseptabelt for elektronikken. Feltstrømkilden krever noe takhøyde- eller utgangsmatching. Hvis termistoren har en høy motstand ved den laveste målbare temperaturen, vil dette føre til en veldig lav drivstrøm. Derfor er spenningen som genereres over termistoren ved høy temperatur liten. Programmerbare forsterkningstrinn kan brukes til å optimalisere måling av disse signalene på lavt nivå. Imidlertid må forsterkningen programmeres dynamisk fordi signalnivået fra termistoren varierer veldig med temperatur.
Et annet alternativ er å angi gevinsten, men bruke dynamisk stasjonsstrøm. Derfor, når signalnivået fra termistoren endres, endres stasjonsstrømmen dynamisk slik at spenningen som er utviklet over termistoren er innenfor det spesifiserte inngangsområdet til den elektroniske enheten. Brukeren må sørge for at spenningen som er utviklet på tvers av referansemotstanden også er på et nivå som er akseptabelt for elektronikken. Begge alternativene krever et høyt nivå av kontroll, konstant overvåking av spenningen over termistoren slik at elektronikken kan måle signalet. Er det et enklere alternativ? Vurder spenningseksitasjon.
Når DC -spenning påføres termistoren, skaler strømmen gjennom termistoren automatisk når termistorens motstand endres. Nå, ved å bruke en presisjonsmålingsmotstand i stedet for en referansemotstand, er dens formål å beregne strømmen som strømmer gjennom termistoren, og dermed slik at termistormotstanden kan beregnes. Siden drivspenningen også brukes som ADC -referansesignal, er det ikke nødvendig med gevinststadium. Prosessoren har ikke jobben med å overvåke termistorspenningen, bestemme om signalnivået kan måles med elektronikken, og beregne hvilken drivgevinst/strømverdi må justeres. Dette er metoden som brukes i denne artikkelen.
Hvis termistoren har en liten motstandsvurdering og motstandsområde, kan spenning eller strøm eksitasjon brukes. I dette tilfellet kan stasjonsstrømmen 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, som er verdifull i applikasjoner med lav effekt. I tillegg minimeres selvoppvarming av termistoren.
Spenningseksitasjon kan også brukes til termistorer med rangeringer med lav motstand. Imidlertid må brukeren alltid sørge for at strømmen gjennom sensoren ikke er for høy for sensoren eller applikasjonen.
Spenningseksitasjon forenkler implementeringen når du bruker en termistor med en stor motstandsvurdering og et bredt temperaturområde. Større nominell motstand gir et akseptabelt nivå av nominell strøm. Imidlertid må designere sørge for at strømmen er på et akseptabelt nivå over hele temperaturområdet som støttes av applikasjonen.
Sigma-Delta ADC-er tilbyr flere fordeler når du designer et termistormålesystem. For det første, fordi Sigma-Delta ADC resamper den analoge inngangen, holdes ekstern filtrering på et minimum, og det eneste kravet er et enkelt RC-filter. De gir fleksibilitet i filtertype og utgangsbaudhastighet. Innebygd digital filtrering kan brukes til å undertrykke interferens i strømdrevne enheter. 24-biters enheter som AD7124-4/AD7124-8 har en full oppløsning på opptil 21,7 biter, så de gir høy oppløsning.
Bruken av en Sigma-Delta ADC forenkler termistordesignet i stor grad, samtidig som den reduserer spesifikasjonen, systemkostnadene, styringsplassen og tiden til markedet.
Denne artikkelen bruker AD7124-4/AD7124-8 som ADC fordi de er lav støy, lav strøm, presisjon ADCer med innebygd PGA, innebygd referanse, analog inngang og referansebuffer.
Uansett om du bruker stasjonsstrøm 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.
På fig. 5 viser konstant drivstrøm for termistor og presisjonsmotstand RREF, spenningen som er utviklet over RREF er referansespenningen for å måle termistoren.
Feltstrømmen trenger ikke å være nøyaktig og kan være mindre stabil, da eventuelle feil i feltstrømmen vil bli eliminert i denne konfigurasjonen. Generelt er strømeksitasjon foretrukket fremfor spenningseksitasjon på grunn av overlegen følsomhetskontroll og bedre støyimmunitet når sensoren er plassert på avsidesliggende steder. Denne typen forspenningsmetoder brukes vanligvis for RTD -er eller termistorer med lave motstandsverdier. For en termistor med en høyere motstandsverdi og høyere følsomhet, vil imidlertid signalnivået generert 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. Minimumsstasjonsstrømmen på 50 µA levert av AD7124-4/AD7124-8 genererer 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, som er for høy og utenfor driftsområdet for mest tilgjengelige ADC-er som brukes i dette applikasjonsområdet. Termistorer er også vanligvis koblet eller lokalisert i nærheten av elektronikken, så immunitet for å drive strøm er ikke nødvendig.
Å legge til en sansemotstand i serie som en spenningsdelerkrets vil begrense strømmen gjennom termistoren til sin minimumsmotstandsverdi. I denne konfigurasjonen må verdien av sansemotstanden rsense være lik verdien av termistormotstanden ved en referansetemperatur på 25 ° C, slik at utgangsspenningen vil være lik midtpunktet til referansespenningen ved sin nominelle temperatur på 25 ° cc på samme måte, hvis en 10 kΩ termistor med en motstand på 10 kΩ ved 25 ° C er en motstand på 10 kω ved 25 ° C er en motstand på 10 kring ved 25 ° C, er en motstand på 10 k ° C -cc til en motstand på 10 k ° C -cc er brukt. 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, er systemet satt til ratiometrisk måling (figur 7) slik at enhver eksitasjonsrelatert feilspenningskilde vil være partisk for å fjerne.
Merk at enten sansemotstanden (spenningsdrevet) eller referansemotstanden (strømdrevet) skal ha en lav initialtoleranse og lav drift, da begge variablene kan påvirke nøyaktigheten til hele systemet.
Når du bruker flere termistorer, kan en eksitasjonsspenning brukes. Imidlertid må hver termistor ha sin egen presisjonssansemotstand, som vist på fig. 8. Et annet alternativ er å bruke en ekstern multiplexer eller lavmotstandsbryter i ON-tilstanden, som tillater å dele en presisjonssansemotstand. Med denne konfigurasjonen trenger hver termistor litt avgjør tid når den måles.
Oppsummert, når du designer et termistorbasert temperaturmålesystem, er det mange spørsmål å vurdere: sensorvalg, sensorledninger, avveining av komponentvalg, ADC-konfigurasjon og hvordan disse forskjellige variablene påvirker den generelle nøyaktigheten til systemet. Den neste artikkelen i denne serien forklarer hvordan du optimaliserer systemdesign og generell systemfeilbudsjett for å oppnå målytelsen din.
Post Time: Sep-30-2022