Toto je prvý článok z dvojdielnej série. Tento článok sa najprv bude zaoberať históriou a dizajnérskymi výzvamiteplota na báze termistorameracie systémy, ako aj ich porovnanie so systémami merania teploty pomocou odporových teplomerov (RTD). Taktiež bude opísaný výber termistora, kompromisy v konfigurácii a dôležitosť sigma-delta analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC) v tejto aplikačnej oblasti. Druhý článok podrobne popíše, ako optimalizovať a vyhodnotiť konečný merací systém založený na termistore.
Ako je popísané v predchádzajúcej sérii článkov s názvom Optimalizácia systémov teplotných senzorov s odporovým teplomerom (RTD), RTD je rezistor, 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 s negatívnym teplotným koeficientom (NTC) znižujú svoj odpor so zvyšujúcou sa teplotou, zatiaľ čo termistory s kladným teplotným koeficientom (PTC) svoj odpor so zvyšujúcou sa teplotou zvyšujú. Na obr. 1 sú znázornené charakteristiky odozvy typických termistorov NTC a PTC a porovnávajú sa 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) kvôli nelineárnej (exponenciálnej) povahe termistora. RTD sa zvyčajne dodávajú v známych štandardizovaných krivkách, zatiaľ čo krivky termistorov sa líšia v závislosti od výrobcu. Podrobnejšie o tom budeme hovoriť v časti o výbere termistora v tomto článku.
Termistory sú vyrobené z kompozitných materiálov, zvyčajne keramiky, polymérov alebo polovodičov (zvyčajne oxidov kovov) a čistých kovov (platiny, niklu alebo medi). Termistory dokážu detekovať zmeny teploty rýchlejšie ako RTD, čím poskytujú rýchlejšiu spätnú väzbu. Preto sa termistory bežne používajú v senzoroch v aplikáciách, ktoré vyžadujú nízke náklady, malé rozmery, rýchlejšiu odozvu, vyššiu citlivosť a obmedzený teplotný rozsah, ako je riadenie elektroniky, riadenie domácností a budov, vedecké laboratóriá alebo kompenzácia studených spojov pre termočlánky v komerčných alebo priemyselných aplikáciách.
Vo väčšine prípadov sa na presné meranie teploty používajú NTC termistory, nie PTC termistory. K dispozícii sú niektoré PTC termistory, ktoré sa dajú použiť v obvodoch proti nadprúdovej ochrane alebo ako resetovateľné poistky pre bezpečnostné aplikácie. Krivka závislosti odporu od teploty PTC termistora vykazuje veľmi malú oblasť NTC pred dosiahnutím bodu prepínania (alebo Curieovho bodu), nad ktorým odpor prudko stúpa o niekoľko rádov v rozsahu niekoľkých stupňov Celzia. V podmienkach nadprúdu bude PTC termistor pri prekročení spínacej teploty generovať silné samoohriatie a jeho odpor prudko stúpne, čo zníži vstupný prúd do systému, čím sa zabráni poškodeniu. Bod prepínania PTC termistorov je typicky medzi 60 °C a 120 °C a nie je vhodný na riadenie merania teploty v širokej škále 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 menovitý odpor v rozmedzí od niekoľkých ohmov do 10 MΩ pri 25 °C. Ako je znázornené na obr. 1, zmena odporu na stupeň Celzia je pri termistoroch výraznejšia ako pri odporových teplomeroch. V porovnaní s termistormi zjednodušuje vysoká citlivosť a vysoká hodnota odporu termistora jeho vstupné obvody, pretože termistory nevyžadujú žiadnu špeciálnu konfiguráciu zapojenia, ako napríklad 3-vodičové alebo 4-vodičové, na kompenzáciu odporu vodičov. Konštrukcia termistora používa iba jednoduchú 2-vodičovú konfiguráciu.
Vysoko presné meranie teploty pomocou 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 presných ADC od spoločnosti ADI zahŕňa niekoľko integrovaných riešení, ako napríklad AD7124-4/AD7124-8, ktoré poskytujú množstvo výhod pre návrh tepelných systémov, pretože väčšina stavebných blokov potrebných pre aplikáciu je zabudovaná. Pri navrhovaní a optimalizácii riešení merania teploty založených na termistoroch však existujú rôzne výzvy.
Tento článok rozoberá každý z týchto problémov a poskytuje odporúčania na ich riešenie a ďalšie zjednodušenie procesu návrhu takýchto systémov.
Existuje široká škálaNTC termistoryna dnešnom trhu, takže výber správneho termistora pre vašu aplikáciu môže byť náročnou úlohou. Upozorňujeme, že termistory sú uvedené podľa ich menovitej hodnoty, čo je ich menovitý odpor pri 25 °C. Preto má termistor s hodnotou 10 kΩ menovitý odpor 10 kΩ pri 25 °C. Termistory majú menovité 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 napríklad -50 °C až +70 °C. Termistory s vyšším odporom odolávajú teplotám až do 300 °C.
Termistorov prvok je vyrobený z oxidu kovu. Termistory sú dostupné v guľôčkovom, radiálnom a SMD tvare. Termistory sú potiahnuté epoxidom alebo sú zapuzdrené v sklenenom puzdre pre zvýšenú ochranu. Guľôčkové termistory s epoxidovým povlakom, radiálne a povrchové termistory sú vhodné pre teploty do 150 °C. Termistory so sklenenými guľôčkami sú vhodné na meranie vysokých teplôt. Všetky typy povlakov/obalov tiež chránia pred koróziou. Niektoré termistory majú aj ďalšie puzdrá pre zvýšenú ochranu v náročných prostrediach. Guľôčkové termistory majú rýchlejšiu dobu 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 NTC termistor s epoxidovým povlakom sa môže meniť o 0,2 °C za rok, zatiaľ čo utesnený termistor sa mení iba o 0,02 °C za rok.
Termistory sa dodávajú s rôznou presnosťou. Štandardné termistory majú zvyčajne presnosť 0,5 °C až 1,5 °C. Menovitý odpor termistora a hodnota beta (pomer 25 °C k 50 °C/85 °C) majú toleranciu. Upozorňujeme, že hodnota beta termistora sa líši v závislosti od výrobcu. Napríklad 10 kΩ NTC termistory od rôznych výrobcov budú mať rôzne hodnoty beta. Pre presnejšie systémy je možné použiť termistory, ako napríklad séria Omega™ 44xxx. Majú presnosť 0,1 °C alebo 0,2 °C v teplotnom rozsahu od 0 °C do 70 °C. Preto rozsah teplôt, ktoré je možné merať, a požadovaná presnosť v tomto teplotnom rozsahu určujú, či sú termistory vhodné pre túto aplikáciu. Upozorňujeme, že čím vyššia je presnosť série Omega 44xxx, tým vyššia je cena.
Na prevod odporu na stupne Celzia sa zvyčajne používa hodnota beta. Hodnota beta sa určí znalosťou 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 technických listov termistorov uvádza hodnotu beta spolu s toleranciou odporu pri 25 °C a toleranciou pre hodnotu beta.
Termistory s vyššou presnosťou a riešenia zakončenia s vysokou presnosťou, ako napríklad séria Omega 44xxx, používajú Steinhartovu-Hartovu rovnicu na prevod odporu na stupne Celzia. Rovnica 2 vyžaduje tri konštanty A, B a C, ktoré opäť poskytuje výrobca senzora. Keďže koeficienty rovnice sú generované pomocou troch teplotných bodov, výsledná rovnica minimalizuje chybu spôsobenú linearizáciou (zvyčajne 0,02 °C).
A, B a C sú konštanty odvodené z troch požadovaných hodnôt teploty. R = odpor termistora v ohmoch T = teplota v stupňoch K
Na obr. 3 je znázornené budenie snímača prúdom. Budiaci prúd je privádzaný na termistor a rovnaký prúd je privádzaný na presný rezistor; presný rezistor sa používa ako referencia pre meranie. Hodnota referenčného rezistora musí byť väčšia alebo rovná najvyššej hodnote odporu termistora (v závislosti od najnižšej nameranej teploty v systéme).
Pri výbere budiaceho prúdu je potrebné opäť zohľadniť maximálny odpor termistora. To zabezpečí, že napätie na senzore a referenčnom rezistore bude vždy na úrovni prijateľnej pre elektroniku. Zdroj budiaceho prúdu 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 na termistore pri vysokej teplote malé. Na optimalizáciu merania týchto signálov s nízkou úrovňou možno použiť programovateľné stupne zosilnenia. Zisk však musí byť naprogramovaný dynamicky, pretože úroveň signálu z termistora sa s teplotou značne mení.
Ďalšou možnosťou je nastaviť zosilnenie, ale použiť dynamický budiaci prúd. Preto sa so zmenou úrovne signálu z termistora dynamicky mení aj hodnota budiaceho prúdu, takže napätie vyvíjané na termistore je v rámci špecifikovaného vstupného rozsahu elektronického zariadenia. Používateľ musí zabezpečiť, aby napätie vyvíjané na referenčnom rezistore bolo tiež na úrovni prijateľnej pre elektroniku. Obe možnosti vyžadujú vysokú úroveň riadenia a neustále monitorovanie napätia na termistore, aby elektronika mohla merať signál. Existuje jednoduchšia možnosť? Zvážte budenie napätím.
Keď sa na termistor privedie jednosmerné napätie, prúd pretekajúci termistorom sa automaticky mení so zmenou jeho odporu. Teraz sa namiesto referenčného odporu použije presný merací rezistor, jeho účelom je vypočítať prúd pretekajúci termistorom, a tým vypočítať odpor termistora. Keďže budiace napätie sa používa aj ako referenčný signál ADC, nie je potrebný žiadny zosilňovací stupeň. Procesor nemá úlohu monitorovať napätie termistora, určovať, či je možné úroveň signálu merať elektronikou, a vypočítavať, akú hodnotu zosilnenia/prúdu budiča je potrebné upraviť. Táto metóda je použitá v tomto článku.
Ak má termistor malý menovitý odpor a rozsah odporu, je možné použiť napäťové alebo prúdové budenie. V tomto prípade je možné nastaviť budiaci prúd a zosilnenie. Obvod bude teda vyzerať tak, ako je znázornené na obrázku 3. Táto metóda je výhodná v tom, že je možné regulovať prúd cez snímač a referenčný odpor, čo je cenné v aplikáciách s nízkym výkonom. Okrem toho je minimalizované samoohriatie termistora.
Napäťové budenie sa môže použiť aj pre termistory s nízkym odporom. Používateľ sa však musí vždy uistiť, že prúd pretekajúci senzorom nie je pre daný senzor alebo aplikáciu príliš vysoký.
Napäťové budenie zjednodušuje implementáciu pri použití termistora s veľkým menovitým odporom a širokým teplotným rozsahom. Väčší nominálny odpor poskytuje prijateľnú úroveň menovitého prúdu. Konštruktéri však musia zabezpečiť, aby prúd bol na prijateľnej úrovni v celom teplotnom rozsahu podporovanom aplikáciou.
Sigma-Delta ADC ponúkajú pri návrhu termistorového meracieho systému niekoľko výhod. Po prvé, pretože sigma-Delta ADC prevzorkuje analógový vstup, externé filtrovanie je minimalizované a jedinou požiadavkou je jednoduchý RC filter. Poskytujú flexibilitu v type filtra a výstupnej prenosovej rýchlosti. Vstavané digitálne filtrovanie možno použiť na potlačenie akéhokoľvek rušenia v zariadeniach napájaných zo siete. 24-bitové zariadenia, ako napríklad 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 špecifikácie, náklady na systém, priestor na doske a čas uvedenia na trh.
V tomto článku sa ako ADC používa AD7124-4/AD7124-8, pretože ide o nízkošumové, nízkoprúdové, presné ADC so vstavaným PGA, vstavanou referenciou, analógovým vstupom a referenčnou vyrovnávacou pamäťou.
Bez ohľadu na to, či používate budiaci prúd alebo budiace napätie, odporúča sa pomerová konfigurácia, v ktorej referenčné napätie a napätie snímača pochádzajú z rovnakého budiaceho zdroja. To znamená, že akákoľvek zmena budiacej siete neovplyvní presnosť merania.
Na obr. 5 je znázornený konštantný budiaci prúd pre termistor a presný rezistor RREF, napätie vyvinuté na RREF je referenčné napätie pre meranie termistora.
Budiaci prúd nemusí byť presný a môže byť menej stabilný, pretože v tejto konfigurácii sa eliminujú akékoľvek chyby v budiacom prúde. Vo všeobecnosti sa prúdové budenie uprednostňuje pred napäťovým budením kvôli lepšej kontrole citlivosti a lepšej odolnosti voči šumu, keď je senzor 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 termistor s odporom 10 kΩ má pri 25 °C odpor 10 kΩ. Pri -50 °C je odpor termistora NTC 441,117 kΩ. Minimálny budiaci prúd 50 µA, ktorý poskytuje 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 aplikačnej oblasti. Termistory sú tiež zvyčajne pripojené alebo umiestnené v blízkosti elektroniky, takže imunita voči budiacemu prúdu nie je potrebná.
Pridanie snímacieho odporu do série ako obvod deliča napätia obmedzí prúd prechádzajúci termistorom na jeho minimálnu hodnotu odporu. V tejto konfigurácii musí byť hodnota snímacieho odporu RSENSE rovnaká ako hodnota odporu termistora pri referenčnej teplote 25 °C, aby výstupné napätie bolo rovnaké ako stred referenčného napätia pri jeho nominálnej teplote 25 °C. Podobne, ak sa použije termistor s odporom 10 kΩ pri 25 °C, RSENSE by mala byť 10 kΩ. So zmenou teploty sa mení aj odpor termistora NTC a mení sa aj pomer budiacej sily na termistore, čo má za následok, že výstupné napätie je úmerné odporu termistora NTC.
Ak sa zvolené referenčné napätie použité na napájanie termistora a/alebo RSENSE zhoduje s referenčným napätím ADC použitým na meranie, systém sa nastaví na pomerové meranie (obrázok 7), takže akýkoľvek zdroj napätia súvisiaci s budením bude predpätý, aby sa odstránil.
Upozorňujeme, že buď snímací rezistor (riadený napätím), alebo referenčný rezistor (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 snímací rezistor, ako je znázornené na obr. 8. Ďalšou možnosťou je použitie externého multiplexora alebo nízkoodporového spínača v zapnutom stave, čo umožňuje zdieľanie jedného presného snímacieho rezistora. Pri tejto konfigurácii potrebuje každý termistor pri meraní určitý čas na ustálenie.
Stručne povedané, pri navrhovaní systému merania teploty založeného na termistore je potrebné zvážiť mnoho otázok: výber senzora, zapojenie senzora, kompromisy pri výbere komponentov, konfigurácia ADC a to, ako tieto rôzne premenné ovplyvňujú celkovú presnosť systému. Ďalší článok v tejto sérii vysvetľuje, ako optimalizovať návrh systému a celkový rozpočet na chyby systému, aby ste dosiahli cieľový výkon.
Čas uverejnenia: 30. septembra 2022