Toto je prvý článok v dvojdielnej sérii. Tento článok najprv bude diskutovať o histórii a návrhoch výzievteplota na báze termistoraMeranie systémov, ako aj ich porovnanie so systémami merania teploty rezistencie (RTD). Opíše tiež výber termistora, kompromisy konfigurácie a dôležitosť analógových prevodníkov Sigma-delta (ADC) v tejto oblasti aplikácie. Druhý článok bude podrobne uvedený, ako optimalizovať a vyhodnotiť konečný merací systém založený na termistoroch.
Ako je opísané v predchádzajúcich sériách článkov, optimalizácie systémov snímača teploty RTD, RTD je odpor, ktorého odpor sa mení s teplotou. Termistory fungujú podobne ako RTDS. Na rozdiel od RTD, ktoré majú iba pozitívny teplotný koeficient, môže mať termistor pozitívny alebo negatívny teplotný koeficient. Termistory negatívneho teplotného koeficientu (NTC) znižujú ich odpor s rastúcou teplotou, zatiaľ čo termistory pozitívneho teplotného koeficientu (PTC) zvyšujú ich odolnosť so zvyšovaním teploty. Na obr. 1 ukazuje charakteristiky odozvy typických termistorov NTC a PTC a porovnáva ich s krivkami RTD.
Pokiaľ ide o teplotný rozsah, krivka RTD je takmer lineárna a senzor 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 termistorové krivky sa líšia podľa výrobcu. Budeme to podrobne diskutovať v časti Príručka výberu termistora tohto článku.
Termistory sú vyrobené z kompozitných materiálov, zvyčajne keramiky, polymérov alebo polovodičov (zvyčajne oxidov kovov) a čistých kovov (platina, nikel alebo meď). Termistory dokážu zistiť zmeny teploty rýchlejšie ako RTD, čo poskytuje rýchlejšiu spätnú väzbu. Termistory sa preto bežne používajú senzormi v aplikáciách, ktoré vyžadujú nízku cenu, malú veľkosť, rýchlejšiu reakciu, vyššiu citlivosť a obmedzený teplotný rozsah, ako je kontrola elektroniky, kontrola domácnosti a budovy, vedecké laboratóriá alebo kompenzácie studenej križovatky pre termočlánky v komerčných alebo priemyselných aplikáciách. účely. Aplikácie.
Vo väčšine prípadov sa termistor NTC používajú na presné meranie teploty, nie na termistory PTC. K dispozícii sú niektoré termistory PTC, ktoré sa môžu použiť v obvodoch nadprúdovej ochrany alebo ako presídliteľné poistky pre bezpečnostné aplikácie. Krivka rezistencie teploty termistora PTC vykazuje veľmi malú oblasť NTC pred dosiahnutím bodu spínača (alebo Curie bod), nad ktorou odpor prudko stúpa niekoľko rádov v rozsahu niekoľkých stupňov Celzia. V nadprúdových podmienkach bude termistor PTC vygenerovať silné samovražedné teplá, keď je prekročená teplota prepínania, a jej odpor prudko stúpne, čo 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 reguláciu meraní teploty v širokom rozsahu aplikácií. Tento článok sa zameriava na termistory NTC, ktoré môžu zvyčajne merať alebo monitorovať teploty v rozsahu od -80 ° C do +150 ° C. Termistory NTC majú hodnotenie odporu v rozsahu od niekoľkých ohmov do 10 MΩ pri 25 ° C. Ako je znázornené na obr. 1, Zmena rezistencie na stupeň Celzia pre termistory je výraznejšia ako pre odporové teplomery. V porovnaní s termistormi, vysoká citlivosť termistora a hodnota s vysokým odporom zjednodušujú svoje vstupné obvody, pretože termistory nevyžadujú žiadnu špeciálnu konfiguráciu zapojenia, ako je 3-drôtený alebo 4-vodičový, na kompenzáciu odporu olova. Dizajn termistora používa iba jednoduchú 2-vodičovú konfiguráciu.
Vysoko presné meranie teploty založenej na termistoroch vyžaduje presné spracovanie signálu, analógovo-digitálnu konverziu, linearizáciu a kompenzáciu, ako je znázornené na obr. 2.
Aj keď sa signálny reťazec môže zdať jednoduchý, existuje niekoľko zložitosti, ktoré ovplyvňujú veľkosť, náklady a výkon celej základnej dosky. Presné portfólio ADC spoločnosti ADI obsahuje niekoľko integrovaných riešení, ako napríklad AD7124-4/AD7124-8, ktoré poskytujú množstvo výhod pre návrh tepelného systému, pretože väčšina stavebných blokov potrebných pre aplikáciu je zabudovaná. Pri navrhovaní a optimalizácii riešení merania teploty na báze termistora však existujú rôzne výzvy.
Tento článok pojednáva o každom z týchto problémov a poskytuje odporúčania na ich riešenie a ďalšie zjednodušenie procesu navrhovania pre tieto systémy.
Existuje široká škálaTermistory NTCNa dnešnom trhu, takže výber správneho termistora pre vašu aplikáciu môže byť skľučujúcou úlohou. Všimnite si, že termistory sú uvedené podľa ich nominálnej hodnoty, ktorá je ich nominálnym odporom pri 25 ° C. Preto má termistor 10 kΩ nominálny odpor 10 kΩ pri 25 ° C. Termistory majú nominálne alebo základné hodnoty odporu v rozsahu od niekoľkých ohmov do 10 MΩ. Termistory s nízkymi hodnoteniami odporu (nominálny odpor 10 kΩ alebo menej) typicky podporujú nižšie teplotné rozsahy, ako napríklad -50 ° C až +70 ° C. Termistory s vyšším hodnotením odporu vydržia teploty do 300 ° C.
Termistorový prvok je vyrobený z oxidu kovu. Termistory sú k dispozícii vo forme guľôčok, radiálnych a SMD tvarov. Termistorové guľôčky sú potiahnuté epoxidom alebo sklenené zapuzdrené na ďalšiu ochranu. Termistory guľôčok potiahnutých epoxidom, radiálne a povrchové termistory sú vhodné pre teploty až do 150 ° C. Termistory sklenených guľôčok sú vhodné na meranie vysokých teplôt. Všetky typy povlakov/obalov tiež chránia pred koróziou. Niektoré termistory budú mať aj ďalšie kryty na pridanú ochranu v drsnom prostredí. Termistory korálikov majú rýchlejší čas odozvy 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 potiahnutý epoxidom sa môže zmeniť 0,2 ° C za rok, zatiaľ čo zapečatený termistor mení iba 0,02 ° C za rok.
Termistory sa dodávajú v inej presnosti. Štandardné termistory majú zvyčajne presnosť 0,5 ° C až 1,5 ° C. Hodnotenie odporu termistora a hodnota beta (pomer 25 ° C do 50 ° C/85 ° C) majú toleranciu. Všimnite si, že hodnota beta termistora sa líši od výrobcu. Napríklad 10 kΩ NTC termistory od rôznych výrobcov budú mať rôzne hodnoty beta. Pre presnejšie systémy je možné použiť termistory, ako je napríklad séria Omega ™ 44XXX. Majú presnosť 0,1 ° C alebo 0,2 ° C v teplotnom rozsahu 0 ° C až 70 ° C. Preto rozsah teplôt, ktoré je možné merať, a presnosť požadovaná v tomto teplotnom rozsahu určuje, či sú pre túto aplikáciu vhodné termistory. Upozorňujeme, že čím vyššia je presnosť série Omega 44xxx, tým vyššia je cena.
Na premenu odporu na stupne Celzia sa zvyčajne používa hodnota beta. Hodnota beta je určená poznaním dvoch teplotných bodov a zodpovedajúceho odporu v každom teplotnom bode.
Rt1 = teplotný odpor 1 rt2 = teplotný odpor 2 t1 = teplota 1 (k) t2 = teplota 2 (k)
Používateľ používa hodnotu beta najbližšie k teplotnému rozsahu použitého v projekte. Väčšina termistorových údajov uvádza hodnotu beta beta spolu s toleranciou odporu pri 25 ° C a toleranciou pre hodnotu beta.
Termistory s vyššou presnosťou a roztoky s vysokým presným ukončením, ako napríklad séria Omega 44xxx, používajú rovnicu Steinhart-Hart na premenu odporu na stupne Celzia. Rovnica 2 vyžaduje tri konštanty A, B a C, ktoré opäť poskytol výrobca senzora. Pretože koeficienty rovnice sa generujú pomocou troch teplotných bodov, výsledná rovnica minimalizuje chybu zavedenú linearizáciou (zvyčajne 0,02 ° C).
A, B a C sú konštanty odvodené z troch požadovaných bodov teploty. R = odpor termistora v ohmoch t = teplota v stupňoch K
Na obr. 3 ukazuje aktuálne budenie senzora. Hnatý prúd sa aplikuje na termistor a ten istý prúd sa používa na presný rezistor; Presný odpor sa používa ako referencia na meranie. Hodnota referenčného odporu musí byť väčšia alebo rovná najvyššej hodnote odporu termistora (v závislosti od najnižšej teploty meranej v systéme).
Pri výbere excitačného prúdu sa musí znova zohľadniť maximálny odpor termistora. To zaisťuje, že napätie naprieč senzorom a referenčným odporom je vždy na úrovni prijateľnej pre elektroniku. Zdroj prúdu poľa vyžaduje určitú výšku alebo výstup. Ak má termistor vysoký odpor pri najnižšej merateľnej teplote, bude to mať za následok veľmi nízky prúd hnacieho prúdu. Preto je napätie generované cez termistor pri vysokej teplote malé. Na optimalizáciu merania týchto signálov s nízkou úrovňou sa môžu použiť programovateľné fázy zisku. Zisk sa však musí naprogramovať dynamicky, pretože úroveň signálu z termistora sa veľmi líši pri teplote.
Ďalšou možnosťou je nastaviť zisk, ale použiť dynamický prúd jednotky. Preto, ako sa zmení úroveň signálu z termistora, hodnota prúdu hnacieho prúdu sa dynamicky mení, takže napätie vyvinuté v termistore je v špecifikovanom vstupnom rozsahu elektronického zariadenia. Užívateľ musí zabezpečiť, aby napätie vyvinuté v rámci referenčného odporu bolo tiež na úrovni prijateľnej pre elektroniku. Obe možnosti vyžadujú vysokú úroveň riadenia, konštantné monitorovanie napätia naprieč termistorom, aby elektronika mohla merať signál. Existuje ľahšia voľba? Zvážte excitáciu napätia.
Ak sa na termistor aplikuje jednosmerné napätie, prúd termistorom cez termistor sa automaticky zmení, keď sa mení odpor termistora. Teraz, pomocou presného meracieho odporu namiesto referenčného odporu, jeho účelom je vypočítať prúd tečúci termistorom, čím sa umožňuje vypočítať odpor odporu. Pretože napätie jednotky sa používa aj ako referenčný signál ADC, nevyžaduje sa žiadna fáza zisku. Procesor nemá úlohu monitorovať napätie termistora, určuje, či je možné úroveň signálu merať pomocou elektroniky, a výpočet toho, čo je potrebné upraviť zisk (zisk jednotky/prúd. Toto je metóda použitá v tomto článku.
Ak má termistor malý rozsah ratingu a odporu, je možné použiť napätie alebo excitáciu prúdu. V tomto prípade je možné opraviť prúd a zisk pohonu. Obvod bude teda znázornený na obrázku 3. Táto metóda je vhodná v tom, že je možné ovládať prúd prostredníctvom senzora a referenčného odporu, ktorý je cenný v aplikáciách s nízkym výkonom. Okrem toho je minimalizované samovraje termistora.
Excitácia napätia sa môže použiť aj pre termistory s nízkym odporom. Užívateľ však musí vždy zabezpečiť, aby prúd cez senzor nebol príliš vysoký pre senzor alebo aplikáciu.
Excitácia napätia zjednodušuje implementáciu pri použití termistora s veľkým odporom a širokým teplotným rozsahom. Väčší nominálny odpor poskytuje prijateľnú úroveň hodnoteného prúdu. Dizajnéri však musia zabezpečiť, aby prúd bol na prijateľnej úrovni v celom teplotnom rozsahu podporovanom aplikáciou.
Sigma-delta ADC ponúka pri navrhovaní systému merania termistora niekoľko výhod. Po prvé, pretože Sigma-delta ADC prehodnocuje analógový vstup, externé filtrovanie sa udržiava na minimum a jedinou požiadavkou je jednoduchý RC filter. Poskytujú flexibilitu pri rýchlosti typu filtra a výstupu. Vstavané digitálne filtrovanie sa môže použiť na potlačenie akéhokoľvek rušenia v sieťových zariadeniach. 24-bitové zariadenia, ako napríklad AD7124-4/AD7124-8, majú úplné rozlíšenie až 21,7 bitov, takže poskytujú vysoké rozlíšenie.
Použitie Sigma-delta ADC výrazne zjednodušuje návrh termistora a zároveň znižuje špecifikácie, náklady na systém, priestor na dosku a čas na trh.
Tento článok používa ako ADC AD7124-4/AD7124-8, pretože ide o nízky šum, nízky prúd, presné ADC so vstavaným PGA, vstavaný referenčný, analógový vstup a referenčná vyrovnávacia pamäť.
Bez ohľadu na to, či používate hnací prúd alebo napätie pohonu, odporúča sa pomerná konfigurácia, v ktorej referenčné napätie a napätie snímača pochádzajú z rovnakého zdroja jednotky. To znamená, že akákoľvek zmena v zdroji excitácie nebude mať vplyv na presnosť merania.
Na obr. 5 ukazuje konštantný hnací prúd pre termistor a presný rezistor RREF, napätie vyvinuté v rámci RREF je referenčné napätie na meranie termistora.
Pole prúd nemusí byť presný a môže byť menej stabilný, pretože v tejto konfigurácii sa odstránia akékoľvek chyby v prúde v poli. Všeobecne platí, že súčasné budenie je uprednostňované pred excitáciou napätia v dôsledku vynikajúcej regulácie citlivosti a lepšej imunity šumu, keď je senzor umiestnený vo vzdialených miestach. Tento typ metódy zaujatosti sa zvyčajne používa pre RTD alebo termistor s nízkymi hodnotami odporu. Avšak pre termistor s vyššou hodnotou odporu a vyššou citlivosťou bude hladina signálu generovaná každou zmenou teploty väčšia, takže sa používa excitácia napätia. Napríklad termistor 10 kΩ má odpor 10 kΩ pri 25 ° C. Pri -50 ° C je odpor termistora NTC 441,117 kΩ. Minimálny hnací prúd 50 µA poskytovaný AD7124-4/AD7124-8 generuje 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, čo je príliš vysoké a mimo prevádzkového rozsahu väčšiny dostupných ADC používaných v tejto aplikácii. Termistory sú tiež zvyčajne spojené alebo umiestnené v blízkosti elektroniky, takže imunita voči prúdu nie je potrebná.
Pridanie zmyslového odporu v sérii ako obvod deliaceho napätia obmedzí prúd cez termistor na jeho hodnotu minimálneho odporu. V tejto konfigurácii sa musí hodnota odporu zmyslového odporu rovnať hodnote odporu termistora pri referenčnej teplote 25 ° C, takže výstupné napätie bude rovnaké ako stredný bod referenčného napätia pri jeho nominálnej teplote 25 ° CC, ak sa použije 10 kΩ termistor, ak sa použije termistor 10 kΩ pri 25 ° C, mal by sa používať 10 kΩ. Keď sa teplota mení, mení sa aj odpor termistora NTC a pomer hnacieho napätia cez termistor sa tiež mení, čo vedie k tomu, že výstupné napätie je úmerné odporu termistora NTC.
Ak sa zvolený odkaz napätia použitý na napájanie termistora a/alebo RSENSE zhoduje s referenčným napätím ADC používaným na meranie, systém je nastavený na pomerné meranie (obrázok 7), aby bol akýkoľvek zdroj napätia chybového napätia súvisiace s excitáciou ovplyvnený odstránením.
Všimnite si, že buď zmyslový odpor (riadený napätím) alebo referenčný odpor (riadený prúdom) by mal mať nízku počiatočnú toleranciu a nízky posun, pretože obe premenné môžu ovplyvniť presnosť celého systému.
Pri použití viacerých termistorov je možné použiť jedno excitačné napätie. Každý termistor však musí mať svoj vlastný presný zmyslový odpor, ako je znázornené na obr. 8. Ďalšou možnosťou je použitie externého multiplexoru alebo prepínača s nízkou rezistenciou v stave ON, čo umožňuje zdieľanie jedného presného zmyslového odporu. Pri tejto konfigurácii potrebuje každý termistor pri meraní určitý čas usadenia.
Stručne povedané, pri navrhovaní systému merania teploty založeného na termistoroch je potrebné zvážiť veľa otázok: výber senzorov, zapojenie snímača, kompromisy výberu komponentov, konfigurácia ADC a ako tieto rôzne premenné ovplyvňujú celkovú presnosť systému. Nasledujúci článok v tejto sérii vysvetľuje, ako optimalizovať návrh vášho systému a celkový rozpočet systémových chýb, aby sa dosiahol výkonnosť cieľa.
Čas príspevku: 30. september 2012