Tai yra pirmasis straipsnis dviejų dalių serijoje. Šiame straipsnyje pirmiausia bus aptarti istorijos ir dizaino iššūkiaiTermistoriaus pagrindu sukurta temperatūraMatavimo sistemos, taip pat jų palyginimas su atsparumo termometro (RTD) temperatūros matavimo sistemos. Tai taip pat apibūdins termistoriaus pasirinkimą, konfigūracijos kompromisus ir „Sigma-Delta“ analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) svarbą šioje programos srityje. Antrame straipsnyje bus išsamiai aprašyta, kaip optimizuoti ir įvertinti galutinę termistorių pagrįstą matavimo sistemą.
Kaip aprašyta ankstesnėje straipsnių serijoje, optimizuojant RTD temperatūros jutiklių sistemas, RTD yra rezistorius, kurio pasipriešinimas kinta priklausomai nuo temperatūros. Termistoriai veikia panašiai kaip RTD. Skirtingai nuo RTD, kuriame yra tik teigiamas temperatūros koeficientas, termistorius gali turėti teigiamą ar neigiamą temperatūros koeficientą. Neigiamos temperatūros koeficientas (NTC) termistoriai sumažina jų atsparumą, kai kyla temperatūra, o teigiamos temperatūros koeficientas (PTC) termistoriai padidina jų atsparumą, kai temperatūra kyla. Fig. 1 parodytos tipinių NTC ir PTC termistorių atsako charakteristikos ir lygina jas 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 yra gerai žinomose standartizuotose kreivėse, o termotorių kreivės skiriasi pagal gamintoją. Tai išsamiai aptarsime šio straipsnio „Termistoriaus pasirinkimo vadove“ skyriuje.
Termistoriai yra gaminami iš kompozicinių medžiagų, paprastai keramikos, polimerų ar puslaidininkių (paprastai metalo oksidų) ir grynųjų metalų (platinos, nikelio ar vario). Termistoriai gali aptikti temperatūros pokyčius greičiau nei RTD, teikdami greitesnį atsiliepimą. Todėl termistoriai dažniausiai naudojami jutikliais, kuriems reikalingas mažas sąnaudas, mažą dydį, greitesnį atsaką, didesnį jautrumą ir ribotą temperatūros diapazoną, tokius kaip elektronikos valdymas, namų ir pastatų valdymas, mokslinės laboratorijos ar šaltos sankryžos kompensacija už termoelementus komercinėmis ar pramoninėmis reikmėmis. tikslai. Paraiškos.
Daugeliu atvejų NTC termistoriai naudojami tiksliam temperatūros matavimui, o ne PTC termistoriams. Galimi kai kurie PTC termistoriai, kurie gali būti naudojami viršįtampių apsaugos grandinėse arba kaip atsijungę saugos saugos priemonės. PTC termistoriaus pasipriešinimo temperatūros kreivė rodo labai mažą NTC regioną, prieš pasiekiant jungiklio tašką (arba Curie tašką), virš kurio pasipriešinimas smarkiai kyla keliomis laipsniais kelių laipsnių Celsijaus diapazone. Esant perteklinėms sąlygoms, PTC termistorius sugeneruos stiprią savęs šildymą, kai perjungimo temperatūra bus viršijama, o jo atsparumas smarkiai pakils, o tai sumažins sistemos įvesties srovę ir taip užkirs kelią pažeidimui. PTC termistorių perjungimo taškas paprastai yra nuo 60 ° C iki 120 ° C ir jis netinka kontroliuoti temperatūros matavimus įvairiose srityse. Šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys skiriamas NTC termistoriams, kurie paprastai gali išmatuoti arba stebėti temperatūrą nuo –80 ° C iki +150 ° C. NTC termistorių atsparumo įvertinimai svyruoja nuo kelių omų iki 10 MΩ esant 25 ° C. Kaip parodyta pav. 1, termistorių atsparumo pokyčiai vienam laipsniui Celsijaus yra ryškesnis nei atsparumo termometrams. Palyginti su termistoriais, aukštas termistoriaus jautrumas ir didelė pasipriešinimo vertė supaprastina jo įvesties grandinę, nes termistoriams nereikia jokios specialios laidų konfigūracijos, tokios kaip 3 laidai ar 4 laidai, kad būtų kompensuotas atsparumas švino atsparumui. Termistoriaus dizaine naudojama tik paprasta 2 laidų konfigūracija.
Aukšto tikslumo termistoriaus pagrindu pagrįstas temperatūros matavimas reikalauja tikslaus signalo apdorojimo, analoginio-skaitmeninio konvertavimo, linearizacijos ir kompensacijos, kaip parodyta Fig. 2.
Nors signalo grandinė gali atrodyti paprasta, yra keletas sudėtingumų, turinčių įtakos visos pagrindinės plokštės dydžiui, kainai ir našumui. ADI tikslumo ADC portfelis apima keletą integruotų sprendimų, tokių kaip AD7124-4/AD7124-8, kurie suteikia daugybę šiluminės sistemos projektavimo pranašumų, nes daugumai programos reikalingų statybinių blokų yra įmontuoti. Tačiau kuriant ir optimizuojant termistorių pagrįstų temperatūros matavimo sprendimus yra įvairių iššūkių.
Šiame straipsnyje aptariama kiekviena iš šių klausimų ir pateikiamos rekomendacijos, kaip jas išspręsti ir dar labiau supaprastinti tokių sistemų projektavimo procesą.
Yra daugybėNTC termistoriaiŠiandien rinkoje, todėl pasirinkus tinkamą jūsų programos termistorių, gali būti bauginanti užduotis. Atminkite, kad termistoriai yra išvardyti pagal jų nominalią vertę, tai yra jų nominalus pasipriešinimas 25 ° C temperatūroje. Todėl 10 kΩ termistoriaus nominalus atsparumas yra 10 kΩ esant 25 ° C. Termistoriai turi nominalias ar pagrindines pasipriešinimo vertes nuo kelių omų iki 10 MΩ. Termistoriai, turintys mažą atsparumo reitingą (nominalus atsparumas 10 kΩ ar mažiau), paprastai palaiko mažesnes temperatūros diapazonus, tokius kaip nuo –50 ° C iki +70 ° C. Termistoriai, turintys didesnį atsparumo įvertinimus, gali atlaikyti iki 300 ° C temperatūrą.
Termistoriaus elementas yra pagamintas iš metalo oksido. Termistoriai yra rutuliniuose, radialinėse ir SMD formose. Termistoriniai karoliukai yra padengti epoksidiniu būdu arba stiklas, kapsuliuotas, kad būtų galima apsaugoti. Epoksidiniai rutuliniai termistoriai, radialiniai ir paviršiaus termistoriai yra tinkami temperatūrai iki 150 ° C. Stiklo karoliukų termistoriai yra tinkami matuoti aukštą temperatūrą. Visų tipų dangos/pakuotės taip pat apsaugo nuo korozijos. Kai kurie termistoriai taip pat turės papildomų korpusų, kad būtų papildoma apsauga atšiaurioje aplinkoje. Karoliukų termistoriai turi greitesnį reakcijos laiką nei radialiniai/SMD termistoriai. Tačiau jie nėra tokie patvarūs. Todėl naudojamas termistoriaus tipas priklauso nuo galutinio taikymo ir aplinkos, kurioje yra termistorius. Ilgalaikis termistoriaus stabilumas priklauso nuo jo medžiagos, pakuotės ir dizaino. Pavyzdžiui, epoksidinis NTC termistorius per metus gali pasikeisti 0,2 ° C, o uždarytas termistorius per metus keičiasi tik 0,02 ° C.
Termistoriai būna skirtingai. Standartiniai termistorių tikslumas paprastai yra nuo 0,5 ° C iki 1,5 ° C. Termistoriaus pasipriešinimo įvertinimas ir beta vertė (santykis 25 ° C iki 50 ° C/85 ° C) turi toleranciją. Atminkite, kad termistoriaus beta vertė skiriasi pagal gamintoją. Pavyzdžiui, 10 kΩ NTC termistoriai iš skirtingų gamintojų turės skirtingas beta vertes. Tikslesnėms sistemoms galima naudoti tokius termistorius kaip „Omega ™ 44xxx“ serija. Jų tikslumas yra 0,1 ° C arba 0,2 ° C temperatūros diapazone nuo 0 ° C iki 70 ° C. Todėl temperatūros diapazonas, kurį galima išmatuoti, ir reikalaujamas tikslumo, reikalingas tame temperatūros diapazone, lemia, ar termotoriai yra tinkami šiam taikymui. Atminkite, kad kuo didesnis „Omega 44xxx“ serijos tikslumas, tuo didesnės išlaidos.
Norėdami konvertuoti atsparumą Celsijaus laipsniams, paprastai naudojama beta vertė. Beta vertė nustatoma žinant du temperatūros taškus ir atitinkamą pasipriešinimą kiekviename temperatūros taške.
RT1 = Temperatūros atsparumas 1 RT2 = Temperatūros atsparumas 2 T1 = Temperatūra 1 (k) T2 = temperatūra 2 (k)
Vartotojas naudoja beta vertę, artimiausią projekte naudojamą temperatūros diapazoną. Daugelyje termistorių duomenų lapų pateikiama beta vertė kartu su atsparumo tolerancija 25 ° C temperatūroje ir beta vertės tolerancija.
Aukštesni tikslūs termistoriai ir aukšto tikslumo nutraukimo sprendimai, tokie kaip „Omega 44xxx“ serija, naudoja Steinhart-Hart lygtį, kad konvertuotų atsparumą Celsijaus laipsniams. 2 lygčiai reikalaujama trijų A, B ir C konstantų, kurias vėl teikia jutiklio gamintojas. Kadangi lygties koeficientai generuojami naudojant tris temperatūros taškus, gauta lygtis sumažina tiesos klaidą (paprastai 0,02 ° C).
A, B ir C yra konstantos, gaunamos iš trijų temperatūros kontrolinių taškų. R = Termistoriaus atsparumas omuose t = temperatūra k laipsniais
Fig. 3 rodo dabartinį jutiklio sužadinimą. Drienos srovė taikoma termistoriui, o ta pati srovė taikoma tikslaus rezistoriui; Tikslus rezistorius naudojamas kaip pamatinė matavimui. Atskaitos rezistoriaus vertė turi būti didesnė arba lygi aukščiausia termistoriaus atsparumo vertei (atsižvelgiant į žemiausią sistemoje matuojamą temperatūrą).
Renkantis sužadinimo srovę, vėl reikia atsižvelgti į maksimalų termistoriaus pasipriešinimą. Tai užtikrina, kad jutiklio ir etaloninio rezistoriaus įtampa visada yra tokia, kokia yra elektronikai. Lauko srovės šaltinis reikalauja tam tikro aukščio ar išvesties atitikimo. Jei termistorius turi didelį pasipriešinimą žemiausioje išmatuojamoje temperatūroje, tai sukels labai mažą pavaros srovę. Todėl aukštoje temperatūroje esanti įtampa, sukuriama per termistorių, yra maža. Programuojami padidėjimo etapai gali būti naudojami siekiant optimizuoti šių žemo lygio signalų matavimą. Tačiau padidėjimas turi būti užprogramuotas dinamiškai, nes termistoriaus signalo lygis labai skiriasi priklausomai nuo temperatūros.
Kita galimybė yra nustatyti pelną, tačiau naudokite dinaminę disko srovę. Todėl keičiantis termistoriaus signalo lygiui, pavaros srovės vertė keičiasi dinamiškai, kad visame termistoriuje sukurta įtampa būtų nurodytame elektroninio įrenginio įvesties diapazone. Vartotojas turi įsitikinti, kad visame etaloninio rezistoriuje sukurta įtampa taip pat yra tokia, kokia yra elektronikai. Abiem galimybėms reikalingas aukštas kontrolės lygis, nuolatinis įtampos stebėjimas per termistorių, kad elektronika galėtų išmatuoti signalą. Ar yra lengvesnis variantas? Apsvarstykite įtampos sužadinimą.
Kai termistoriui taikoma nuolatinės srovės įtampa, srovė per termistorių automatiškai padidėja keičiantis termistoriaus pasipriešinimui. Dabar, naudojant tikslų matavimo rezistorių, o ne etaloninį rezistorių, jo tikslas yra apskaičiuoti srovę, tekančią per termistorių, taip leidžiant apskaičiuoti termistoriaus pasipriešinimą. Kadangi pavaros įtampa taip pat naudojama kaip ADC etaloninis signalas, nereikia padidinimo stadijos. Procesorius neturi darbo stebėti termistoriaus įtampos, nustatant, ar signalo lygį galima išmatuoti elektronika, ir apskaičiuoti, kokią disko padidėjimą/srovę reikia sureguliuoti. Tai yra šiame straipsnyje naudojamas metodas.
Jei termistorius turi nedidelį atsparumo įvertinimą ir atsparumo diapazoną, gali būti naudojamas įtampa ar srovė. Tokiu atveju pavaros srovė ir padidėjimas gali būti ištaisyti. Taigi grandinė bus tokia, kaip parodyta 3 paveiksle. Šis metodas yra patogus tuo, kad galima valdyti srovę per jutiklį ir atskaitos rezistorių, kuris yra vertingas esant mažai galios. Be to, termistoriaus savarankiškas šildymas yra sumažintas iki minimumo.
Įtampos sužadinimas taip pat gali būti naudojamas termistoriams, kurių pasipriešinimo įvertinimas yra mažas. Tačiau vartotojas visada turi užtikrinti, kad srovė per jutiklį nėra per aukšta jutikliui ar taikymui.
Įtampos sužadinimas supaprastina įgyvendinimą, kai naudojamas termistorius, turintis didelį pasipriešinimo įvertinimą ir plačią temperatūros diapazoną. Didesnis nominalus pasipriešinimas suteikia priimtiną vardinės srovės lygį. Tačiau dizaineriai turi užtikrinti, kad srovė būtų priimtina per visą temperatūros diapazoną, kurį palaiko programa.
Projektuojant termistoriaus matavimo sistemą „Sigma-Delta ADC“ suteikia keletą pranašumų. Pirma, kadangi „Sigma-Delta ADC“ perpildo analoginį įvestį, išorinis filtravimas yra minimalus ir vienintelis reikalavimas yra paprastas RC filtras. Jie suteikia lankstumo filtro tipo ir išvesties perdavimo spartos. Integruotas skaitmeninis filtravimas gali būti naudojamas siekiant slopinti bet kokius trikdžius į tinklo maitinamus įrenginius. 24 bitų įrenginiai, tokie kaip AD7124-4/AD7124-8, turi visą skiriamąją gebą iki 21,7 bitų, todėl jie suteikia didelę skiriamąją gebą.
„Sigma-Delta ADC“ naudojimas labai supaprastina termistoriaus dizainą, tuo pačiu sumažinant specifikaciją, sistemos sąnaudas, plokštės vietą ir laiką į rinką.
Šiame straipsnyje ADC naudoja AD7124-4/AD7124-8 kaip ADC, nes jie yra mažo triukšmo, mažos srovės, tikslios ADC su įmontuota PGA, įmontuota nuoroda, analoginis įvestis ir atskaitos buferis.
Nepaisant to, ar naudojate disko srovę, ar pavaros įtampą, rekomenduojama ratiometrinė konfigūracija, kurioje atskaitos įtampa ir jutiklio įtampa yra iš to paties pavaros šaltinio. Tai reiškia, kad bet koks sužadinimo šaltinio pokytis neturės įtakos matavimo tikslumui.
Fig. 5 rodo nuolatinę termistoriaus ir tikslaus rezistoriaus RREF pavaros srovę, visoje RREF sukurta įtampa yra etaloninė įtampa termistoriui matuoti.
Lauko srovė nebūtinai turi būti tiksli ir gali būti mažiau stabili, nes šioje konfigūracijoje bus pašalintos visos lauko srovės klaidos. Paprastai pirmenybė teikiama dabartiniam sužadinimui, palyginti su įtampos sužadinimu dėl geresnio jautrumo kontrolės ir geresnio triukšmo imuniteto, kai jutiklis yra atokiose vietose. Šio tipo šališkumo metodas paprastai naudojamas RTD arba termistoriams, kurių pasipriešinimo vertės yra mažos. Tačiau termistoriui, turinčiam didesnę pasipriešinimo vertę ir didesnį jautrumą, kiekvieno temperatūros pokyčio sukuriamas signalo lygis bus didesnis, todėl naudojamas įtampos sužadinimas. Pavyzdžiui, 10 kΩ termistoriaus atsparumas yra 10 kΩ esant 25 ° C. Esant -50 ° C, NTC termistoriaus atsparumas yra 441,117 kΩ. Minimali 50 µA pavaros srovė, kurią suteikia AD7124-4/AD7124-8, sukuria 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, kuris yra per didelis ir už jo ribų, esančių šioje programos srityje naudojamų ADC. Termistoriai taip pat paprastai yra sujungti arba esantys šalia elektronikos, todėl nereikia imuniteto vairuoti srovę.
Pridėjus jutimo rezistorių nuosekliai kaip įtampos daliklio grandinę, per termistorių per termistorių apribos jo minimalią pasipriešinimo vertę. Šioje konfigūracijoje jutimo rezistoriaus vertė turi būti lygi termotoriaus atsparumo vertei, esant etaloninei temperatūrai 25 ° C, kad išėjimo įtampa būtų lygi etaloninės įtampos vidurio taškui, esant nominalioje temperatūroje 25 ° cc, panašiai, jei 10 kΩ termistorius, kurio atsparumas 10 kΩ 25 ° C, turėtų būti naudojamas 10 kΩ. Keičiantis temperatūrai, taip pat keičiasi NTC termistoriaus atsparumas, taip pat keičiasi ir pavaros įtampos santykis visame termistoriuje, todėl išėjimo įtampa yra proporcinga NTC termistoriaus atsparumui.
Jei atrinkta įtampos atskaitos atskaitos termistoriui ir (arba) RSENSE atitinka matavimui naudojamą ADC etaloninę įtampą, sistema nustatoma iki santykio matavimo (7 paveikslas), kad bet koks su sužadinimu susijęs paklaidų įtampos šaltinis būtų šališkas pašalinti.
Atkreipkite dėmesį, kad jutimo rezistorius (skatinamas įtampa) arba etaloninio rezistoriaus (srovės varomas) turėtų turėti mažą pradinį toleranciją ir mažą dreifą, nes abu kintamieji gali turėti įtakos visos sistemos tikslumui.
Naudojant kelis termistorius, galima naudoti vieną sužadinimo įtampą. Tačiau kiekvienas termistorius turi turėti savo tikslaus jutimo rezistorių, kaip parodyta Fig. 8. Kita galimybė yra naudoti išorinį multiplekserio arba mažo atsparumo jungiklį į ON būseną, kuri leidžia bendrinti vieną tikslaus jutimo rezistorių. Naudojant šią konfigūraciją, kiekvienam termistoriui reikia šiek tiek nusistovėjimo laiko, kai jis yra matuojamas.
Apibendrinant, projektuojant termistorių pagrįstą temperatūros matavimo sistemą, reikia atsižvelgti į daugybę klausimų: jutiklių pasirinkimas, jutiklio laidai, komponentų pasirinkimo kompromisai, ADC konfigūracija ir kaip šie įvairūs kintamieji daro įtaką bendram sistemos tikslumui. Kitame šios serijos straipsnyje paaiškinta, kaip optimizuoti savo sistemos dizainą ir bendrą sistemos klaidų biudžetą, kad būtų pasiektas jūsų tikslinis našumas.
Pašto laikas: 2012 m. Rugsėjo 30 d