Tai pirmasis straipsnis iš dviejų dalių serijos. Šiame straipsnyje pirmiausia bus aptarta istorija ir dizaino iššūkiai.termistoriaus pagrindu veikianti temperatūramatavimo sistemos, taip pat jų palyginimas su varžinio termometro (RTD) temperatūros matavimo sistemomis. Taip pat bus aprašytas termistoriaus pasirinkimas, konfigūracijos kompromisai ir sigma-delta analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) svarba šioje taikymo srityje. Antrajame straipsnyje bus išsamiai aprašyta, kaip optimizuoti ir įvertinti galutinę termistoriaus pagrindu veikiančią 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) termistorių varža mažėja kylant temperatūrai, o teigiamo temperatūros koeficiento (PTC) termistorių varža didėja kylant temperatūrai. 1 paveiksle parodytos tipinių NTC ir PTC termistorių atsako charakteristikos ir jos palyginamos 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 termistoriaus netiesinio (eksponentinio) pobūdžio. RTD paprastai pateikiami gerai žinomomis standartizuotomis kreivėmis, o termistoriaus kreivės skiriasi priklausomai nuo gamintojo. Tai išsamiai aptarsime šio straipsnio termistoriaus 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, užtikrindami greitesnį grįžtamąjį ryšį. Todėl termistoriai dažniausiai naudojami jutikliuose tose srityse, kurioms reikalinga maža kaina, mažas dydis, greitesnis atsakas, didesnis jautrumas ir ribotas temperatūros diapazonas, pavyzdžiui, elektronikos valdyme, namų ir pastatų valdyme, mokslinėse laboratorijose arba šaltųjų jungčių kompensavimui termoelementuose komerciniais ar pramoniniais tikslais. Pritaikymas.
Daugeliu atvejų tiksliam temperatūros matavimui naudojami NTC termistoriai, o ne PTC termistoriai. Yra keletas PTC termistorių, kurie gali būti naudojami viršsrovės apsaugos grandinėse arba kaip atstatomi saugikliai saugos reikmėms. PTC termistoriaus varžos ir temperatūros kreivė rodo labai mažą NTC sritį prieš pasiekiant perjungimo tašką (arba Curie tašką), virš kurio varža staigiai padidėja keliais dydžio eilėmis kelių laipsnių Celsijaus diapazone. Esant viršsrovės sąlygoms, PTC termistorius stipriai savaime įkaista, kai viršijama perjungimo temperatūra, o jo varža staigiai padidėja, o tai sumažina sistemos įėjimo srovę ir taip apsaugo nuo pažeidimų. PTC termistorių perjungimo taškas paprastai yra nuo 60 °C iki 120 °C ir netinka 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 varžos varža svyruoja nuo kelių omų iki 10 MΩ esant 25 °C temperatūrai. Kaip parodyta 1 pav., termistorių varžos pokytis vienam Celsijaus laipsniui yra didesnis nei varžinių termometrų. Palyginti su termistoriais, didelis termistoriaus jautrumas ir didelė varžos vertė supaprastina jo įvesties grandinę, nes termistoriams nereikia jokios specialios laidų konfigūracijos, pvz., 3 ar 4 laidų, kad būtų kompensuota laidų varža. Termistoriaus konstrukcijoje naudojama tik paprasta 2 laidų konfigūracija.
Didelio tikslumo termistoriaus pagrindu veikiantis temperatūros matavimas reikalauja tikslaus signalo apdorojimo, analoginio-skaitmeninio konvertavimo, tiesinimo ir kompensavimo, kaip parodyta 2 pav.
Nors signalo grandinė gali atrodyti paprasta, yra keletas sudėtingų aspektų, kurie turi įtakos visos pagrindinės plokštės dydžiui, kainai ir našumui. ADI tiksliųjų ADC portfelyje yra keletas integruotų sprendimų, tokių kaip AD7124-4/AD7124-8, kurie suteikia daug privalumų projektuojant šiluminės sistemos, nes dauguma programai reikalingų konstrukcinių blokų yra įmontuoti. Tačiau projektuojant ir optimizuojant termistorių pagrindu veikiančius temperatūros matavimo sprendimus kyla įvairių iššūkių.
Šiame straipsnyje aptariama kiekviena iš šių problemų ir pateikiamos rekomendacijos, kaip jas išspręsti ir dar labiau supaprastinti tokių sistemų projektavimo procesą.
Yra daugybė įvairiųNTC termistoriaišiandien rinkoje, todėl tinkamo termistoriaus pasirinkimas gali būti nelengva užduotis. Atminkite, kad termistoriai išvardyti pagal jų nominalią vertę, kuri yra jų nominali varža esant 25 °C temperatūrai. Todėl 10 kΩ termistoriaus nominali varža yra 10 kΩ esant 25 °C temperatūrai. Termistorių nominali arba bazinė varžos vertė svyruoja nuo kelių omų iki 10 MΩ. Termistoriai, kurių vardinė varža yra 10 kΩ arba mažesnė, paprastai palaiko žemesnius temperatūros diapazonus, pvz., nuo -50 °C iki +70 °C. Termistoriai, kurių varža yra didesnė, gali atlaikyti iki 300 °C temperatūrą.
Termistoriaus elementas pagamintas iš metalo oksido. Termistoriai būna rutulinės, radialinės ir SMD formos. Termistorių rutuliukai yra padengti epoksidine derva arba įsodinti į stiklą, kad būtų užtikrinta papildoma apsauga. Epoksidine derva padengti rutuliniai, radialiniai ir paviršiniai termistoriai tinka temperatūrai iki 150 °C. Stikliniai rutuliukai tinka matuoti aukštą temperatūrą. Visų tipų dangos / pakuotės taip pat apsaugo nuo korozijos. Kai kurie termistoriai taip pat turi papildomus korpusus, kad būtų užtikrinta papildoma apsauga atšiauriomis sąlygomis. Rutuliniai 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 derva padengtas NTC termistorius gali pasikeisti 0,2 °C per metus, o sandarus termistorius – tik 0,02 °C per metus.
Termistoriai būna skirtingo tikslumo. Standartinių termistorių tikslumas paprastai yra nuo 0,5 °C iki 1,5 °C. Termistoriaus varžos įvertinimas ir beta vertė (25 °C ir 50 °C / 85 °C santykis) turi toleranciją. Atkreipkite dėmesį, kad termistoriaus beta vertė skiriasi priklausomai nuo gamintojo. Pavyzdžiui, skirtingų gamintojų 10 kΩ NTC termistoriai turės skirtingas beta vertes. Tikslesnėms sistemoms galima naudoti tokius termistorius kaip „Omega™ 44xxx“ serija. Jų tikslumas yra 0,1 °C arba 0,2 °C, kai temperatūros diapazonas yra nuo 0 °C iki 70 °C. Todėl temperatūrų diapazonas, kurį galima išmatuoti, ir reikalingas tikslumas tame temperatūros diapazone lemia, ar termistoriai tinka šiam pritaikymui. Atkreipkite dėmesį, kad kuo didesnis „Omega 44xxx“ serijos tikslumas, tuo didesnė kaina.
Norint konvertuoti varžą į Celsijaus laipsnius, paprastai naudojama beta vertė. Beta vertė nustatoma žinant du temperatūros taškus ir atitinkamą varžą kiekviename temperatūros taške.
RT1 = Temperatūros varža 1 RT2 = Temperatūros varža 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 varžos tolerancija esant 25 °C temperatūrai ir beta vertės tolerancija.
Didesnio tikslumo termistoriai ir didelio tikslumo užbaigimo sprendimai, tokie kaip „Omega 44xxx“ serija, varžai konvertuoti į Celsijaus laipsnius naudoja Steinharto-Harto lygtį. 2 lygčiai reikalingos trys konstantos A, B ir C, kurias vėlgi pateikia jutiklio gamintojas. Kadangi lygties koeficientai generuojami naudojant tris temperatūros taškus, gauta lygtis sumažina tiesinimo metu atsirandančią paklaidą (paprastai 0,02 °C).
A, B ir C yra konstantos, gautos iš trijų temperatūros nustatymų. R = termistoriaus varža omais, T = temperatūra kelvino laipsniais.
3 pav. parodytas jutiklio sužadinimo srovės stiprumas. Termistoriui tiekiama pavaros srovė, o tiksliajam rezistoriui – tokia pati srovė; tikslusis rezistorius naudojamas kaip etalonas matavimui. Etaloninio rezistoriaus vertė turi būti didesnė arba lygi didžiausiai termistoriaus varžos vertei (priklausomai nuo žemiausios sistemoje išmatuotos temperatūros).
Renkantis sužadinimo srovę, vėl reikia atsižvelgti į maksimalią termistoriaus varžą. Tai užtikrina, kad įtampa tarp jutiklio ir etaloninio rezistoriaus visada būtų elektronikai priimtino lygio. Lauko srovės šaltiniui reikalinga tam tikra laisva eiga arba išėjimo suderinimas. Jei termistorius turi didelę varžą esant žemiausiam išmatuojamam temperatūros lygiui, tai lems labai mažą pavaros srovę. Todėl esant aukštai temperatūrai termistoriuje generuojama įtampa yra maža. Šių žemo lygio signalų matavimui optimizuoti galima naudoti programuojamus stiprinimo etapus. Tačiau stiprinimas turi būti programuojamas dinamiškai, nes termistoriaus signalo lygis labai kinta priklausomai nuo temperatūros.
Kitas variantas – nustatyti stiprinimo koeficientą, bet naudoti dinaminę pavaros srovę. Todėl, keičiantis termistoriaus signalo lygiui, pavaros srovės vertė keičiasi dinamiškai, kad termistoriuje sukuriama įtampa būtų nurodytame elektroninio įrenginio įvesties diapazone. Vartotojas turi užtikrinti, kad etaloniniame rezistoriuje sukuriama įtampa taip pat būtų elektronikai priimtino lygio. Abu variantai reikalauja aukšto valdymo lygio, nuolatinio termistoriaus įtampos stebėjimo, kad elektronika galėtų išmatuoti signalą. Ar yra paprastesnis variantas? Apsvarstykite įtampos sužadinimą.
Kai termistoriui prijungiama nuolatinė įtampa, srovė per termistorių automatiškai keičiasi pagal termistoriaus varžos kitimą. Dabar, naudojant tikslų matavimo rezistorių, o ne etaloninį rezistorių, jo paskirtis yra apskaičiuoti per termistorių tekančią srovę, taip sudarant sąlygas apskaičiuoti termistoriaus varžą. Kadangi pavaros įtampa taip pat naudojama kaip ADC etaloninis signalas, stiprinimo pakopos nereikia. Procesorius neatlieka termistoriaus įtampos stebėjimo, nustatymo, ar elektronika gali išmatuoti signalo lygį, ir skaičiavimo, kokią pavaros stiprinimo / srovės vertę reikia reguliuoti. Toks metodas naudojamas šiame straipsnyje.
Jei termistorius turi mažą varžos vertę ir varžos diapazoną, galima naudoti įtampos arba srovės sužadinimą. Tokiu atveju pavaros srovė ir stiprinimas gali būti fiksuoti. Taigi, grandinė bus tokia, kaip parodyta 3 paveiksle. Šis metodas yra patogus tuo, kad galima valdyti srovę per jutiklį ir etaloninį rezistorių, o tai yra vertinga mažos galios taikymuose. Be to, termistoriaus savaiminis įkaitimas yra sumažintas iki minimumo.
Įtampos sužadinimas taip pat gali būti naudojamas termistoriams, kurių varža maža. Tačiau naudotojas visada turi užtikrinti, kad srovė per jutiklį nebūtų per didelė jutikliui ar taikymui.
Įtampos sužadinimas supaprastina įgyvendinimą, kai naudojamas didelės varžos ir plataus temperatūros diapazono termistorius. Didesnė nominali varža užtikrina priimtiną nominalios srovės lygį. Tačiau projektuotojai turi užtikrinti, kad srovė būtų priimtino lygio visame programos palaikomame temperatūros diapazone.
Sigma-Delta ADC suteikia keletą privalumų projektuojant termistorių matavimo sistemą. Pirma, kadangi sigma-Delta ADC iš naujo atrenka analoginį įėjimą, išorinis filtravimas yra minimalus, o vienintelis reikalavimas yra paprastas RC filtras. Jie suteikia lankstumo renkantis filtro tipą ir išvesties duomenų perdavimo spartą. Integruotas skaitmeninis filtravimas gali būti naudojamas bet kokiems trukdžiams slopinti įrenginiuose, maitinamuose iš elektros tinklo. 24 bitų įrenginiai, tokie kaip AD7124-4/AD7124-8, turi iki 21,7 bitų pilną skiriamąją gebą, todėl jie užtikrina didelę skiriamąją gebą.
Sigma-delta ADC naudojimas labai supaprastina termistoriaus konstrukciją, tuo pačiu sumažinant specifikaciją, sistemos kainą, plokštės erdvę ir pateikimo į rinką laiką.
Šiame straipsnyje kaip ADC naudojamas AD7124-4/AD7124-8, nes tai yra mažo triukšmo, mažos srovės, tikslūs ADC su įmontuotu PGA, įmontuotu etalonu, analoginiu įėjimu ir etaloniniu buferiu.
Nepriklausomai nuo to, ar naudojate pavaros srovę, ar pavaros įtampą, rekomenduojama ratiometrinė konfigūracija, kai etaloninė įtampa ir jutiklio įtampa gaunamos iš to paties pavaros šaltinio. Tai reiškia, kad bet koks sužadinimo šaltinio pokytis neturės įtakos matavimo tikslumui.
5 pav. parodyta pastovi termistoriaus ir tikslaus rezistoriaus RREF pavaros srovė, o per RREF sukurta įtampa yra etaloninė įtampa termistoriaus matavimui.
Lauko srovė nebūtinai turi būti tiksli ir gali būti mažiau stabili, nes šioje konfigūracijoje bus pašalintos bet kokios lauko srovės paklaidos. Paprastai srovės sužadinimas yra labiau pageidaujamas nei įtampos sužadinimas dėl geresnio jautrumo valdymo ir geresnio atsparumo triukšmui, kai jutiklis yra atokiose vietose. Šis poslinkio metodas paprastai naudojamas RTD arba termistoriams, kurių varžos vertės yra mažos. Tačiau termistoriui, kurio varža didesnė ir jautrumas didesnis, kiekvieno temperatūros pokyčio generuojamas signalo lygis bus didesnis, todėl naudojamas įtampos sužadinimas. Pavyzdžiui, 10 kΩ termistoriaus varža yra 10 kΩ esant 25 °C temperatūrai. Esant -50 °C temperatūrai, NTC termistoriaus varža yra 441,117 kΩ. Minimali 50 µA pavaros srovė, kurią tiekia AD7124-4/AD7124-8, generuoja 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, kuri yra per didelė ir neatitinka daugumos šioje taikymo srityje naudojamų ADC veikimo diapazono. Termistoriai taip pat paprastai yra prijungti arba išdėstyti šalia elektronikos, todėl atsparumas pavaros srovei nereikalingas.
Prijungus jutiklinį rezistorių nuosekliai kaip įtampos daliklio grandinę, srovė per termistorių bus apribota iki minimalios varžos vertės. Šioje konfigūracijoje jutiklinio rezistoriaus RSENSE vertė turi būti lygi termistoriaus varžos vertei esant 25 °C etaloninei temperatūrai, kad išėjimo įtampa būtų lygi etaloninės įtampos vidurio taškui esant jos nominaliajai 25 °C temperatūrai. Panašiai, jei naudojamas 10 kΩ termistorius, kurio varža yra 10 kΩ esant 25 °C temperatūrai, RSENSE turėtų būti 10 kΩ. Keičiantis temperatūrai, taip pat keičiasi NTC termistoriaus varža ir termistoriaus pavaros įtampos santykis, todėl išėjimo įtampa tampa proporcinga NTC termistoriaus varžai.
Jei pasirinkta termistoriaus ir (arba) RSENSE maitinimui naudojama įtampos etaloninė vertė atitinka matavimui naudojamą ADC etaloninę įtampą, sistema nustatoma į ratiometrinį matavimą (7 pav.), kad bet koks sužadinimu susijęs klaidos įtampos šaltinis būtų šalinamas.
Atkreipkite dėmesį, kad arba jutimo rezistorius (valdomas įtampos, arba etaloninis rezistorius) turėtų turėti mažą pradinę toleranciją ir mažą poslinkį, nes abu kintamieji gali turėti įtakos visos sistemos tikslumui.
Naudojant kelis termistorius, galima naudoti vieną sužadinimo įtampą. Tačiau kiekvienas termistorius turi turėti savo tikslųjį jutiklio rezistorių, kaip parodyta 8 pav. Kita galimybė – naudoti išorinį multipleksorių arba mažos varžos jungiklį įjungtoje būsenoje, kuris leidžia dalytis vienu tiksliuoju jutiklio rezistoriumi. Naudojant šią konfigūraciją, kiekvienam termistoriui matuojant reikia tam tikro nusistovėjimo laiko.
Apibendrinant, projektuojant termistorių pagrindu veikiančią temperatūros matavimo sistemą, reikia apsvarstyti daug klausimų: jutiklio pasirinkimą, jutiklio laidų sujungimą, komponentų pasirinkimo kompromisus, ADC konfigūraciją ir kaip šie įvairūs kintamieji veikia bendrą sistemos tikslumą. Kitame šios serijos straipsnyje paaiškinama, kaip optimizuoti sistemos projektą ir bendrą sistemos klaidų biudžetą, kad būtų pasiektas tikslinis našumas.
Įrašo laikas: 2022 m. rugsėjo 30 d.