Tai pirmasis dviejų dalių serijos straipsnis. Šiame straipsnyje pirmiausia bus aptarta istorija ir dizaino iššūkiaitermistorius pagrįsta temperatūramatavimo sistemos, taip pat jų palyginimas su varžos termometro (RTD) temperatūros matavimo sistemomis. Taip pat bus aprašytas termistoriaus pasirinkimas, konfigūracijos kompromisai ir sigma-delta analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) svarba šioje taikymo srityje. Antrame straipsnyje bus išsamiai aprašyta, kaip optimizuoti ir įvertinti galutinę termistoriumi pagrįstą matavimo sistemą.
Kaip aprašyta ankstesnėje straipsnių serijoje „RTD temperatūros jutiklių sistemų optimizavimas“, RTD yra rezistorius, kurio varža kinta priklausomai nuo temperatūros. Termistoriai veikia panašiai kaip RTD. Skirtingai nuo RTD, kurie turi tik teigiamą temperatūros koeficientą, termistorius gali turėti teigiamą arba neigiamą temperatūros koeficientą. Neigiamo temperatūros koeficiento (NTC) termistoriai mažina savo varžą kylant temperatūrai, o teigiamo temperatūros koeficiento (PTC) termistoriai padidina savo varžą kylant temperatūrai. Ant pav. 1 parodytos tipiškų NTC ir PTC termistorių atsako charakteristikos ir palygintos su RTD kreivėmis.
Kalbant apie temperatūros diapazoną, RTD kreivė yra beveik tiesinė, o jutiklis apima daug platesnį temperatūros diapazoną nei termistoriai (paprastai nuo -200 °C iki +850 °C) dėl netiesinio (eksponentinio) termistoriaus pobūdžio. RTD paprastai pateikiamos gerai žinomomis standartizuotomis kreivėmis, o termistorių kreivės skiriasi priklausomai nuo gamintojo. Tai išsamiai aptarsime šio straipsnio termistorių pasirinkimo vadovo skyriuje.
Termistoriai gaminami iš kompozicinių medžiagų, dažniausiai keramikos, polimerų arba puslaidininkių (dažniausiai metalų oksidų) ir grynų metalų (platinos, nikelio arba vario). Termistoriai gali aptikti temperatūros pokyčius greičiau nei RTD, todėl greitesnis grįžtamasis ryšys. Todėl termistorius dažniausiai naudoja jutikliai tais atvejais, kai reikalaujama mažų sąnaudų, mažo dydžio, greitesnio atsako, didesnio jautrumo ir riboto temperatūros diapazono, pavyzdžiui, elektronikos valdymas, namų ir pastatų valdymas, mokslinės laboratorijos arba komercinių termoporų šalčio sankryžos kompensavimas. arba pramoniniam pritaikymui. tikslams. Programos.
Daugeliu atvejų tiksliam temperatūros matavimui naudojami NTC termistoriai, o ne PTC termistoriai. Kai kurie PTC termistoriai gali būti naudojami apsaugos nuo viršsrovių grandinėse arba kaip iš naujo nustatomi saugikliai saugos reikmėms. PTC termistoriaus varžos ir temperatūros kreivė prieš pasiekiant perjungimo tašką (arba Curie tašką) rodo labai mažą NTC sritį, virš kurios varža staigiai pakyla keliomis eilėmis kelių laipsnių Celsijaus diapazone. Esant viršsrovei, PTC termistorius generuos stiprų savaiminį įkaitimą, kai bus viršyta perjungimo temperatūra, o jo varža smarkiai padidės, o tai sumažins įvesties srovę į sistemą ir taip išvengs žalos. PTC termistorių perjungimo taškas paprastai yra nuo 60 °C iki 120 °C ir nėra tinkamas temperatūros matavimams valdyti įvairiose srityse. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama NTC termistoriams, kurie paprastai gali matuoti arba stebėti temperatūrą nuo -80 °C iki +150 °C. NTC termistorių varža svyruoja nuo kelių omų iki 10 MΩ esant 25 °C temperatūrai. Kaip parodyta pav. 1, termistorių atsparumo pokytis vienam laipsniui Celsijaus yra ryškesnis nei varžos termometrų. Palyginti su termistoriais, dėl didelio termistoriaus jautrumo ir didelės varžos vertės supaprastinama jo įvesties schema, nes termistorius nereikalauja jokios specialios laidų konfigūracijos, pvz., 3 ar 4 laidų, kad kompensuotų laidų varžą. Termistoriaus konstrukcijoje naudojama tik paprasta 2 laidų konfigūracija.
Didelio tikslumo termistoriumi pagrįstam temperatūros matavimui reikalingas tikslus signalo apdorojimas, konvertavimas iš analoginio į skaitmeninį, linijavimas ir kompensavimas, kaip parodyta fig. 2.
Nors signalų grandinė gali atrodyti paprasta, yra keletas sudėtingų dalykų, kurie turi įtakos visos pagrindinės plokštės dydžiui, kainai ir našumui. ADI tikslaus ADC portfelyje yra keletas integruotų sprendimų, tokių kaip AD7124-4/AD7124-8, kurie suteikia daug privalumų kuriant šiluminės sistemos projektavimą, nes dauguma statybinių blokų, reikalingų taikymui, yra įmontuoti. Tačiau yra įvairių iššūkių kuriant ir optimizuojant termistoriumi pagrįstus temperatūros matavimo sprendimus.
Šiame straipsnyje aptariama kiekviena iš šių problemų ir pateikiamos rekomendacijos, kaip jas išspręsti ir dar labiau supaprastinti tokių sistemų projektavimo procesą.
Yra pačių įvairiausiųNTC termistoriairinkoje, todėl pasirinkti tinkamą termistorių savo programai gali būti nelengva užduotis. Atkreipkite dėmesį, kad termistoriai yra išvardyti pagal jų vardinę vertę, kuri yra jų vardinė varža esant 25 °C temperatūrai. Todėl 10 kΩ termistoriaus vardinė varža 25°C temperatūroje yra 10 kΩ. Termistorių vardinės arba pagrindinės varžos vertės svyruoja nuo kelių omų iki 10 MΩ. Mažo atsparumo termistoriai (vardinė varža 10 kΩ arba mažesnė) paprastai palaiko žemesnius temperatūros diapazonus, pvz., nuo -50°C iki +70°C. Didesnio atsparumo termistoriai gali atlaikyti iki 300°C temperatūrą.
Termistoriaus elementas pagamintas iš metalo oksido. Termistoriai yra rutulinių, radialinių ir SMD formų. Termistoriaus karoliukai yra padengti epoksidine danga arba stiklu, kad būtų užtikrinta papildoma apsauga. Epoksidine danga padengti rutuliniai termistoriai, radialiniai ir paviršiniai termistoriai tinka iki 150°C temperatūrai. Stiklo karoliukų termistoriai tinka aukštai temperatūrai matuoti. Visų tipų dangos / pakuotės taip pat apsaugo nuo korozijos. Kai kurie termistoriai taip pat turės papildomus korpusus, kad būtų užtikrinta papildoma apsauga atšiaurioje aplinkoje. Karoliukų termistoriai turi greitesnį atsako laiką nei radialiniai / SMD termistoriai. Tačiau jie nėra tokie patvarūs. Todėl naudojamo termistoriaus tipas priklauso nuo galutinio pritaikymo ir aplinkos, kurioje yra termistorius. Ilgalaikis termistoriaus stabilumas priklauso nuo jo medžiagos, pakuotės ir konstrukcijos. Pavyzdžiui, epoksidine danga padengtas NTC termistorius gali pasikeisti 0,2 °C per metus, o sandarus termistorius – tik 0,02 °C per metus.
Termistoriai būna skirtingo tikslumo. Standartiniai termistoriai paprastai turi nuo 0,5°C iki 1,5°C tikslumą. Termistoriaus varžos įvertinimas ir beta vertė (santykis nuo 25°C iki 50°C/85°C) turi leistiną nuokrypį. Atminkite, kad termistoriaus beta vertė priklauso nuo gamintojo. Pavyzdžiui, skirtingų gamintojų 10 kΩ NTC termistoriai turės skirtingas beta vertes. Norint gauti tikslesnes sistemas, galima naudoti termistorius, tokius kaip Omega™ 44xxx serija. Jų tikslumas yra 0,1 °C arba 0,2 °C temperatūros diapazone nuo 0 °C iki 70 °C. Todėl temperatūrų diapazonas, kurį galima išmatuoti, ir tikslumas, reikalingas tame temperatūrų diapazone, lemia, ar termistoriai tinka šiam pritaikymui. Atkreipkite dėmesį, kad kuo didesnis Omega 44xxx serijos tikslumas, tuo didesnė kaina.
Norint konvertuoti pasipriešinimą į Celsijaus laipsnius, paprastai naudojama beta vertė. Beta vertė nustatoma žinant du temperatūros taškus ir atitinkamą varžą kiekviename temperatūros taške.
RT1 = atsparumas temperatūrai 1 RT2 = atsparumas temperatūrai 2 T1 = temperatūra 1 (K) T2 = temperatūra 2 (K)
Vartotojas naudoja beta vertę, artimiausią projekte naudojamam temperatūros diapazonui. Daugumoje termistorių duomenų lapų nurodoma beta vertė kartu su atsparumo tolerancija 25 °C temperatūroje ir beta vertės tolerancija.
Didesnio tikslumo termistoriai ir didelio tikslumo užbaigimo sprendimai, pvz., Omega 44xxx serija, naudoja Steinhart-Hart lygtį varžai paversti Celsijaus laipsniais. 2 lygtis reikalauja trijų konstantų A, B ir C, kurias vėl pateikia jutiklio gamintojas. Kadangi lygties koeficientai generuojami naudojant tris temperatūros taškus, gauta lygtis iki minimumo sumažina linijavimo įvestą paklaidą (paprastai 0,02 °C).
A, B ir C yra konstantos, gautos iš trijų temperatūros nustatytų verčių. R = termistoriaus varža omais T = temperatūra K laipsniais
Ant pav. 3 parodytas dabartinis jutiklio sužadinimas. Pavaros srovė įvedama į termistorių, o ta pati srovė - į tiksliąjį rezistorių; tikslumas rezistorius naudojamas kaip matavimo atskaita. Etaloninio rezistoriaus vertė turi būti didesnė arba lygi didžiausiai termistoriaus varžos vertei (priklausomai nuo žemiausios sistemoje išmatuotos temperatūros).
Renkantis žadinimo srovę, vėl reikia atsižvelgti į didžiausią termistoriaus varžą. Tai užtikrina, kad jutiklio ir atskaitos rezistoriaus įtampa visada būtų elektronikai priimtino lygio. Lauko srovės šaltiniui reikalingas tam tikras aukštis arba išvesties suderinimas. Jei termistorius turi didelę varžą žemiausioje išmatuojamoje temperatūroje, tai sukels labai mažą pavaros srovę. Todėl aukštoje temperatūroje termistoriaus generuojama įtampa yra maža. Šių žemo lygio signalų matavimui optimizuoti galima naudoti programuojamus stiprinimo etapus. Tačiau stiprinimas turi būti užprogramuotas dinamiškai, nes signalo lygis iš termistoriaus labai skiriasi priklausomai nuo temperatūros.
Kita galimybė yra nustatyti stiprinimą, bet naudoti dinaminę pavaros srovę. Todėl, kintant termistoriaus signalo lygiui, pavaros srovės vertė dinamiškai keičiasi taip, kad per termistorių išvystyta įtampa būtų nurodytame elektroninio prietaiso įvesties diapazone. Naudotojas turi užtikrinti, kad atskaitos rezistoriuje sukuriama įtampa taip pat būtų elektronikai priimtino lygio. Abi galimybės reikalauja aukšto lygio valdymo, nuolatinio termistoriaus įtampos stebėjimo, kad elektronika galėtų išmatuoti signalą. Ar yra lengvesnis variantas? Apsvarstykite įtampos sužadinimą.
Kai į termistorių tiekiama nuolatinė įtampa, srovė per termistorių automatiškai keičiasi keičiantis termistoriaus varžai. Dabar, naudojant tikslaus matavimo rezistorių, o ne etaloninį rezistorių, jo tikslas yra apskaičiuoti srovę, tekančią per termistorių, taip leidžiant apskaičiuoti termistoriaus varžą. Kadangi pavaros įtampa taip pat naudojama kaip ADC atskaitos signalas, stiprinimo pakopos nereikia. Procesorius neturi užduoties stebėti termistoriaus įtampos, nustatyti, ar signalo lygį galima išmatuoti elektronika, ir skaičiuoti, kokią pavaros stiprinimo / srovės vertę reikia reguliuoti. Šis metodas naudojamas šiame straipsnyje.
Jei termistorius turi mažą varžą ir varžos diapazoną, gali būti naudojamas įtampos arba srovės sužadinimas. Tokiu atveju galima nustatyti pavaros srovę ir stiprinimą. Taigi grandinė bus tokia, kaip parodyta 3 paveiksle. Šis metodas patogus tuo, kad per jutiklį ir etaloninį rezistorių galima valdyti srovę, kuri yra vertinga mažos galios įrenginiuose. Be to, sumažinamas savaiminis termistoriaus įkaitimas.
Įtampos sužadinimas taip pat gali būti naudojamas termistoriams, kurių atsparumas yra žemas. Tačiau naudotojas visada turi užtikrinti, kad srovė per jutiklį nebūtų per didelė jutikliui ar programai.
Įtampos sužadinimas supaprastina įgyvendinimą, kai naudojamas termistorius, turintis didelę varžą ir platų temperatūros diapazoną. Didesnė vardinė varža užtikrina priimtiną vardinės srovės lygį. Tačiau projektuotojai turi užtikrinti, kad srovė būtų priimtino lygio visame temperatūros diapazone, kurį palaiko programa.
Sigma-Delta ADC siūlo keletą privalumų kuriant termistorių matavimo sistemą. Pirma, kadangi sigma-delta ADC atkuria analoginį įvestį, išorinis filtravimas yra minimalus ir vienintelis reikalavimas yra paprastas RC filtras. Jie suteikia lankstumo nustatant filtro tipą ir išvesties perdavimo spartą. Integruotas skaitmeninis filtravimas gali būti naudojamas bet kokiems iš tinklo maitinamų įrenginių trikdžiams slopinti. 24 bitų įrenginiai, tokie kaip AD7124-4/AD7124-8, turi visą skiriamąją gebą iki 21,7 bitų, todėl užtikrina didelę skiriamąją gebą.
Sigma-delta ADC naudojimas labai supaprastina termistoriaus dizainą ir sumažina specifikacijas, sistemos sąnaudas, plokštės vietą ir pateikimo į rinką laiką.
Šiame straipsnyje AD7124-4/AD7124-8 naudojamas kaip ADC, nes jie yra mažo triukšmo, mažos srovės, tikslūs ADC su įmontuotu PGA, integruota nuoroda, analogine įvestimi ir atskaitos buferiu.
Nepriklausomai nuo to, ar naudojate pavaros srovę, ar pavaros įtampą, rekomenduojama naudoti ratiometrinę konfigūraciją, kai atskaitos įtampa ir jutiklio įtampa gaunami iš to paties pavaros šaltinio. Tai reiškia, kad bet koks sužadinimo šaltinio pasikeitimas neturės įtakos matavimo tikslumui.
Ant pav. 5 parodyta termistoriaus ir precizinio rezistoriaus RREF pastovi pavaros srovė, RREF išvystyta įtampa yra etaloninė įtampa termistoriaus matavimui.
Lauko srovė nebūtinai turi būti tiksli ir gali būti mažiau stabili, nes šioje konfigūracijoje visos lauko srovės klaidos bus pašalintos. Paprastai srovės sužadinimui teikiama pirmenybė, o ne įtampos sužadinimui dėl geresnio jautrumo valdymo ir geresnio atsparumo triukšmui, kai jutiklis yra atokiose vietose. Šio tipo šališkumo metodas paprastai naudojamas RTD arba termistoriams, kurių varžos vertės yra mažos. Tačiau esant didesnei varžos vertei ir didesniam jautrumui termistoriui, kiekvieno temperatūros pokyčio generuojamas signalo lygis bus didesnis, todėl naudojamas įtampos sužadinimas. Pavyzdžiui, 10 kΩ termistoriaus varža 25°C temperatūroje yra 10 kΩ. Prie -50°C NTC termistoriaus varža yra 441,117 kΩ. Minimali 50 µA pavaros srovė, kurią suteikia AD7124-4/AD7124-8, sukuria 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, o tai yra per didelė ir nepatenka į daugumos šioje taikymo srityje naudojamų ADC veikimo diapazoną. Termistoriai taip pat dažniausiai jungiami arba yra šalia elektronikos, todėl atsparumas pavaros srovei nereikalingas.
Įtraukus jutimo rezistorių nuosekliai kaip įtampos daliklio grandinę, srovė per termistorių bus apribota iki minimalios varžos vertės. Šioje konfigūracijoje jutiklio rezistoriaus RSENSE vertė turi būti lygi termistoriaus varžos vertei esant 25 °C etaloninei temperatūrai, kad išėjimo įtampa būtų lygi etaloninės įtampos vidurio taškui esant vardinei temperatūrai 25°CC Panašiai, jei naudojamas 10 kΩ termistorius, kurio varža 10 kΩ esant 25°C temperatūrai, RSENSE turėtų būti 10 kΩ. Keičiantis temperatūrai, kinta ir NTC termistoriaus varža, taip pat keičiasi pavaros įtampos per termistorių santykis, todėl išėjimo įtampa yra proporcinga NTC termistoriaus varžai.
Jei pasirinkta atskaitos įtampa, naudojama termistoriui ir (arba) RSENSE maitinti, atitinka matavimui naudojamą ADC etaloninę įtampą, sistemoje nustatomas ratiometrinis matavimas (7 pav.), kad būtų pašalintas bet koks su sužadinimu susijęs klaidos įtampos šaltinis.
Atkreipkite dėmesį, kad jutimo rezistorius (varomas įtampa) arba atskaitos rezistorius (varomas srovės) turi turėti mažą pradinę toleranciją ir mažą dreifu, nes abu kintamieji gali turėti įtakos visos sistemos tikslumui.
Naudojant kelis termistorius, galima naudoti vieną žadinimo įtampą. Tačiau kiekvienas termistorius turi turėti savo tikslumo jutimo rezistorių, kaip parodyta fig. 8. Kitas variantas – įjungtoje būsenoje naudoti išorinį multiplekserį arba mažos varžos jungiklį, kuris leidžia dalytis vienu tikslaus jutimo rezistorius. Esant tokiai konfigūracijai, kiekvienam termistoriui matuojant reikia šiek tiek nusistovėjimo laiko.
Apibendrinant galima teigti, kad projektuojant termistoriumi pagrįstą temperatūros matavimo sistemą, reikia atsižvelgti į daugybę klausimų: jutiklio pasirinkimas, jutiklio laidai, komponentų pasirinkimo kompromisai, ADC konfigūracija ir kaip šie įvairūs kintamieji veikia bendrą sistemos tikslumą. Kitame šios serijos straipsnyje paaiškinama, kaip optimizuoti sistemos dizainą ir bendrą sistemos klaidų biudžetą, kad būtų pasiektas tikslinis našumas.
Paskelbimo laikas: 2022-09-30