Toto je prvý článok z dvojdielnej série. Tento článok bude najprv diskutovať o histórii a dizajnových výzvachteplota na báze termistorameracie systémy, ako aj ich porovnanie so systémami merania teploty odporovým teplomerom (RTD). Opíše tiež výber termistora, kompromisy v konfigurácii a dôležitosť sigma-delta analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC) v tejto aplikačnej oblasti. Druhý článok podrobne popisuje, ako optimalizovať a vyhodnotiť konečný systém merania založený na termistoroch.
Ako je popísané v predchádzajúcej sérii článkov, Optimalizácia systémov snímačov teploty RTD, RTD je odpor, ktorého odpor sa mení s teplotou. Termistory fungujú podobne ako RTD. Na rozdiel od RTD, ktoré majú iba kladný teplotný koeficient, termistor môže mať kladný alebo záporný teplotný koeficient. Termistory so záporným teplotným koeficientom (NTC) znižujú svoj odpor, keď teplota stúpa, zatiaľ čo termistory s kladným teplotným koeficientom (PTC) zvyšujú svoj odpor, keď teplota stúpa. Na obr. 1 znázorňuje charakteristiky odozvy typických termistorov NTC a PTC a porovnáva ich s krivkami RTD.
Pokiaľ ide o teplotný rozsah, krivka RTD je takmer lineárna a snímač pokrýva oveľa širší teplotný rozsah ako termistory (zvyčajne -200 °C až +850 °C) v dôsledku nelineárnej (exponenciálnej) povahy termistora. RTD sa zvyčajne poskytujú v dobre známych štandardizovaných krivkách, zatiaľ čo krivky termistorov sa líšia podľa výrobcu. Budeme o tom podrobne diskutovať v časti sprievodcu výberom termistorov v tomto článku.
Termistory sú vyrobené z kompozitných materiálov, zvyčajne keramiky, polymérov alebo polovodičov (zvyčajne oxidov kovov) a čistých kovov (platina, nikel alebo meď). Termistory dokážu detekovať zmeny teploty rýchlejšie ako RTD, čím poskytujú rýchlejšiu spätnú väzbu. Termistory sa preto bežne používajú v senzoroch v aplikáciách, ktoré vyžadujú nízku cenu, malé rozmery, rýchlejšiu odozvu, vyššiu citlivosť a obmedzený teplotný rozsah, ako je napríklad riadenie elektroniky, riadenie domácností a budov, vedecké laboratóriá alebo kompenzácia studených spojov termočlánkov v komerčnom prostredí. alebo priemyselné aplikácie. účely. Aplikácie.
Vo väčšine prípadov sa na presné meranie teploty používajú NTC termistory, nie PTC termistory. K dispozícii sú niektoré termistory PTC, ktoré možno použiť v obvodoch nadprúdovej ochrany alebo ako resetovateľné poistky pre bezpečnostné aplikácie. Krivka odpor-teplota PTC termistora ukazuje veľmi malú oblasť NTC pred dosiahnutím spínacieho bodu (alebo Curieho bodu), nad ktorým odpor prudko stúpa o niekoľko rádov v rozsahu niekoľkých stupňov Celzia. Pri nadprúdových podmienkach PTC termistor pri prekročení spínacej teploty generuje silné samozahrievanie a jeho odpor prudko stúpne, čím sa zníži vstupný prúd do systému, čím sa zabráni poškodeniu. Spínací bod termistorov PTC je zvyčajne medzi 60 °C a 120 °C a nie je vhodný na riadenie merania teploty v širokom rozsahu aplikácií. Tento článok sa zameriava na NTC termistory, ktoré zvyčajne dokážu merať alebo monitorovať teploty v rozsahu od -80 °C do +150 °C. Termistory NTC majú hodnoty odporu v rozsahu od niekoľkých ohmov do 10 MΩ pri 25 °C. Ako je znázornené na obr. 1 je zmena odporu na stupeň Celzia u termistorov výraznejšia ako u odporových teplomerov. V porovnaní s termistormi, vysoká citlivosť a vysoká hodnota odporu termistora zjednodušujú jeho vstupné obvody, pretože termistory nevyžadujú žiadnu špeciálnu konfiguráciu zapojenia, ako je 3-vodičový alebo 4-vodičový, na kompenzáciu odporu vodičov. Konštrukcia termistora využíva iba jednoduchú 2-vodičovú konfiguráciu.
Vysoko presné meranie teploty na báze termistora vyžaduje presné spracovanie signálu, analógovo-digitálnu konverziu, linearizáciu a kompenzáciu, ako je znázornené na obr. 2.
Hoci sa signálový reťazec môže zdať jednoduchý, existuje niekoľko zložitostí, ktoré ovplyvňujú veľkosť, cenu a výkon celej základnej dosky. Portfólio precíznych ADC ADI zahŕňa niekoľko integrovaných riešení, ako napríklad AD7124-4/AD7124-8, ktoré poskytujú množstvo výhod pre návrh tepelných systémov, keďže väčšina stavebných blokov potrebných pre aplikáciu je zabudovaná. Pri navrhovaní a optimalizácii riešení merania teploty na báze termistorov však existujú rôzne výzvy.
Tento článok rozoberá každý z týchto problémov a poskytuje odporúčania na ich riešenie a ďalšie zjednodušenie procesu navrhovania takýchto systémov.
Existuje široká škálaNTC termistoryna dnešnom trhu, takže výber správneho termistora pre vašu aplikáciu môže byť skľučujúca úloha. Všimnite si, že termistory sú uvedené podľa ich nominálnej hodnoty, čo je ich nominálny odpor pri 25°C. Preto má 10 kΩ termistor nominálny odpor 10 kΩ pri 25 °C. Termistory majú nominálne alebo základné hodnoty odporu v rozmedzí od niekoľkých ohmov do 10 MΩ. Termistory s nízkym odporom (nominálny odpor 10 kΩ alebo menej) zvyčajne podporujú nižšie teplotné rozsahy, ako je -50 °C až +70 °C. Termistory s vyšším odporom odolávajú teplotám až do 300 °C.
Termistorový prvok je vyrobený z oxidu kovu. Termistory sú dostupné v guľôčkovom, radiálnom a SMD tvare. Guľôčky termistora sú potiahnuté epoxidom alebo sú zapuzdrené v skle pre dodatočnú ochranu. Guľôčkové termistory s epoxidovým povlakom, radiálne a povrchové termistory sú vhodné pre teploty do 150°C. Termistory zo sklenených guľôčok sú vhodné na meranie vysokých teplôt. Všetky typy náterov/obalov zároveň chránia pred koróziou. Niektoré termistory budú mať aj ďalšie kryty pre dodatočnú ochranu v drsnom prostredí. Korálkové termistory majú rýchlejšiu odozvu ako radiálne/SMD termistory. Nie sú však také odolné. Preto typ použitého termistora závisí od koncovej aplikácie a prostredia, v ktorom sa termistor nachádza. Dlhodobá stabilita termistora závisí od jeho materiálu, balenia a dizajnu. Napríklad termistor NTC s epoxidovým povlakom sa môže zmeniť o 0,2 °C za rok, zatiaľ čo utesnený termistor sa zmení iba o 0,02 °C za rok.
Termistory majú rôznu presnosť. Štandardné termistory majú zvyčajne presnosť 0,5 °C až 1,5 °C. Hodnota odporu termistora a hodnota beta (pomer 25 °C až 50 °C/85 °C) majú toleranciu. Upozorňujeme, že hodnota beta termistora sa líši podľa výrobcu. Napríklad 10 kΩ NTC termistory od rôznych výrobcov budú mať rôzne hodnoty beta. Pre presnejšie systémy je možné použiť termistory, ako je séria Omega™ 44xxx. Majú presnosť 0,1 °C alebo 0,2 °C v teplotnom rozsahu 0 °C až 70 °C. Preto rozsah teplôt, ktoré možno merať, a presnosť požadovaná v tomto teplotnom rozsahu určuje, či sú termistory vhodné pre túto aplikáciu. Upozorňujeme, že čím vyššia je presnosť série Omega 44xxx, tým vyššie sú náklady.
Na prevod odporu na stupne Celzia sa zvyčajne používa hodnota beta. Hodnota beta sa určuje na základe znalosti dvoch teplotných bodov a zodpovedajúceho odporu v každom teplotnom bode.
RT1 = Teplotná odolnosť 1 RT2 = Teplotná odolnosť 2 T1 = Teplota 1 (K) T2 = Teplota 2 (K)
Používateľ použije hodnotu beta, ktorá je najbližšie k teplotnému rozsahu použitému v projekte. Väčšina údajových listov termistorov uvádza hodnotu beta spolu s toleranciou odporu pri 25 °C a toleranciou pre hodnotu beta.
Vyššie presné termistory a vysoko presné riešenia zakončenia, ako napríklad séria Omega 44xxx, používajú Steinhart-Hartovu rovnicu na prevod odporu na stupne Celzia. Rovnica 2 vyžaduje tri konštanty A, B a C, opäť poskytnuté výrobcom snímača. Pretože koeficienty rovnice sú generované pomocou troch teplotných bodov, výsledná rovnica minimalizuje chybu zavedenú linearizáciou (zvyčajne 0,02 °C).
A, B a C sú konštanty odvodené z troch nastavených hodnôt teploty. R = odpor termistora v ohmoch T = teplota v K stupňoch
Na obr. 3 je znázornené prúdové budenie snímača. Hnací prúd sa aplikuje na termistor a rovnaký prúd sa aplikuje na presný odpor; ako referencia na meranie sa používa presný odpor. Hodnota referenčného odporu musí byť väčšia alebo rovná najvyššej hodnote odporu termistora (v závislosti od najnižšej teploty nameranej v systéme).
Pri voľbe budiaceho prúdu treba opäť brať do úvahy maximálny odpor termistora. To zaisťuje, že napätie na snímači a referenčnom odpore je vždy na úrovni prijateľnej pre elektroniku. Zdroj prúdu poľa vyžaduje určitú rezervu alebo prispôsobenie výstupu. Ak má termistor vysoký odpor pri najnižšej merateľnej teplote, bude to mať za následok veľmi nízky budiaci prúd. Preto je napätie generované cez termistor pri vysokej teplote malé. Na optimalizáciu merania týchto nízkoúrovňových signálov možno použiť programovateľné stupne zosilnenia. Zosilnenie však musí byť naprogramované dynamicky, pretože úroveň signálu z termistora sa veľmi mení s teplotou.
Ďalšou možnosťou je nastaviť zosilnenie, ale použiť dynamický prúd pohonu. Preto, keď sa mení úroveň signálu z termistora, hodnota prúdu pohonu sa dynamicky mení tak, aby napätie vyvinuté na termistore bolo v špecifikovanom vstupnom rozsahu elektronického zariadenia. Používateľ musí zabezpečiť, aby napätie vyvinuté na referenčnom odpore bolo na úrovni prijateľnej pre elektroniku. Obe možnosti vyžadujú vysokú úroveň kontroly, neustále sledovanie napätia na termistore, aby elektronika mohla merať signál. Existuje jednoduchšia možnosť? Zvážte budenie napätia.
Keď sa na termistor privedie jednosmerné napätie, prúd cez termistor sa automaticky zmení podľa zmeny odporu termistora. Teraz s použitím presného meracieho odporu namiesto referenčného odporu je jeho účelom vypočítať prúd pretekajúci termistorom, čím sa umožní výpočet odporu termistora. Keďže napätie meniča sa používa aj ako referenčný signál ADC, nie je potrebný žiadny stupeň zosilnenia. Procesor nemá za úlohu monitorovať napätie termistora, určovať, či môže elektronika merať úroveň signálu, a vypočítať, akú hodnotu zisku/prúdu pohonu je potrebné upraviť. Toto je metóda použitá v tomto článku.
Ak má termistor malý odpor a rozsah odporu, možno použiť budenie napätím alebo prúdom. V tomto prípade je možné opraviť prúd a zisk pohonu. Obvod bude teda taký, ako je znázornené na obrázku 3. Táto metóda je vhodná v tom, že je možné regulovať prúd cez snímač a referenčný odpor, čo je cenné v aplikáciách s nízkym výkonom. Okrem toho je minimalizované samozahrievanie termistora.
Napäťové budenie možno použiť aj pre termistory s nízkym odporom. Používateľ však musí vždy zabezpečiť, aby prúd cez snímač nebol príliš vysoký pre snímač alebo aplikáciu.
Napäťové budenie zjednodušuje implementáciu pri použití termistora s veľkým odporom a širokým teplotným rozsahom. Väčší menovitý odpor poskytuje prijateľnú úroveň menovitého prúdu. Dizajnéri však musia zabezpečiť, aby bol prúd na prijateľnej úrovni v celom teplotnom rozsahu podporovanom aplikáciou.
Sigma-Delta ADC ponúkajú niekoľko výhod pri navrhovaní termistorového meracieho systému. Po prvé, pretože sigma-delta ADC prevzorkuje analógový vstup, externé filtrovanie je obmedzené na minimum a jedinou požiadavkou je jednoduchý RC filter. Poskytujú flexibilitu typu filtra a prenosovej rýchlosti výstupu. Na potlačenie akéhokoľvek rušenia v zariadeniach napájaných zo siete je možné použiť vstavané digitálne filtrovanie. 24-bitové zariadenia ako AD7124-4/AD7124-8 majú plné rozlíšenie až 21,7 bitov, takže poskytujú vysoké rozlíšenie.
Použitie sigma-delta ADC výrazne zjednodušuje návrh termistora a zároveň znižuje špecifikáciu, náklady na systém, miesto na doske a čas uvedenia na trh.
Tento článok používa AD7124-4/AD7124-8 ako ADC, pretože sú to nízkošumové, nízkoprúdové, presné ADC so vstavaným PGA, vstavanou referenciou, analógovým vstupom a referenčnou vyrovnávacou pamäťou.
Bez ohľadu na to, či používate prúd pohonu alebo napätie pohonu, odporúča sa pomerová konfigurácia, v ktorej referenčné napätie a napätie snímača pochádzajú z rovnakého zdroja pohonu. To znamená, že akákoľvek zmena zdroja budenia neovplyvní presnosť merania.
Na obr. 5 znázorňuje konštantný budiaci prúd pre termistor a presný odpor RREF, napätie vyvinuté na RREF je referenčné napätie na meranie termistora.
Prúd poľa nemusí byť presný a môže byť menej stabilný, pretože v tejto konfigurácii budú odstránené akékoľvek chyby v prúde poľa. Vo všeobecnosti je prúdové budenie uprednostňované pred napäťovým kvôli lepšiemu ovládaniu citlivosti a lepšej odolnosti voči šumu, keď je snímač umiestnený na vzdialených miestach. Tento typ metódy predpätia sa zvyčajne používa pre RTD alebo termistory s nízkymi hodnotami odporu. Avšak pre termistor s vyššou hodnotou odporu a vyššou citlivosťou bude úroveň signálu generovaná každou zmenou teploty väčšia, preto sa používa napäťové budenie. Napríklad 10 kΩ termistor má odpor 10 kΩ pri 25 °C. Pri -50°C je odpor NTC termistora 441,117 kΩ. Minimálny budiaci prúd 50 µA poskytovaný AD7124-4/AD7124-8 generuje 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, čo je príliš vysoké napätie a mimo prevádzkového rozsahu väčšiny dostupných ADC používaných v tejto oblasti použitia. Termistory sú tiež zvyčajne pripojené alebo umiestnené v blízkosti elektroniky, takže odolnosť voči budiacemu prúdu nie je potrebná.
Pridanie snímacieho odporu do série ako obvodu deliča napätia obmedzí prúd cez termistor na jeho minimálnu hodnotu odporu. V tejto konfigurácii sa hodnota snímacieho odporu RSENSE musí rovnať hodnote odporu termistora pri referenčnej teplote 25 °C, takže výstupné napätie sa bude rovnať stredu referenčného napätia pri jeho menovitej teplote 25°CC Podobne, ak sa použije 10 kΩ termistor s odporom 10 kΩ pri 25°C, RSENSE by mal byť 10 kΩ. Pri zmene teploty sa mení aj odpor NTC termistora a mení sa aj pomer budiaceho napätia na termistore, výsledkom čoho je výstupné napätie úmerné odporu NTC termistora.
Ak sa zvolená referencia napätia použitá na napájanie termistora a/alebo RSENSE zhoduje s referenčným napätím ADC použitého na meranie, systém sa nastaví na pomerové meranie (obrázok 7), takže akýkoľvek zdroj chybného napätia súvisiaci s budením bude vychýlený na odstránenie.
Všimnite si, že buď snímací odpor (riadený napätím) alebo referenčný odpor (riadený prúdom) by mal mať nízku počiatočnú toleranciu a nízky drift, pretože obe premenné môžu ovplyvniť presnosť celého systému.
Pri použití viacerých termistorov je možné použiť jedno budiace napätie. Každý termistor však musí mať svoj vlastný presný rezistor, ako je znázornené na obr. 8. Ďalšou možnosťou je použitie externého multiplexora alebo nízkoodporového spínača v zapnutom stave, ktorý umožňuje zdieľanie jedného presného rezistora. Pri tejto konfigurácii potrebuje každý termistor pri meraní určitý čas ustálenia.
Stručne povedané, pri navrhovaní systému merania teploty na báze termistora je potrebné zvážiť veľa otázok: výber snímača, zapojenie snímača, kompromisy pri výbere komponentov, konfigurácia ADC a ako tieto rôzne premenné ovplyvňujú celkovú presnosť systému. Ďalší článok tejto série vysvetľuje, ako optimalizovať návrh systému a celkový rozpočet na systémové chyby, aby ste dosiahli svoj cieľový výkon.
Čas odoslania: 30. septembra 2022