Tämä on ensimmäinen artikkeli kaksiosaisessa sarjassa. Tässä artikkelissa käsitellään ensin sen historiaa ja suunnittelun haasteitatermistoriin perustuva lämpötilamittausjärjestelmät sekä niiden vertailu vastuslämpömittarin (RTD) lämpötilamittausjärjestelmiin. Siinä kuvataan myös termistorin valinta, konfiguraatioratkaisut ja sigma-delta analogia-digitaalimuuntimien (ADC) merkitys tällä sovellusalueella. Toisessa artikkelissa kerrotaan, kuinka lopullinen termistoripohjainen mittausjärjestelmä optimoidaan ja arvioidaan.
Kuten edellisessä artikkelisarjassa, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, kuvattiin, RTD on vastus, jonka resistanssi vaihtelee lämpötilan mukaan. Termistorit toimivat samalla tavalla kuin RTD:t. Toisin kuin RTD:t, joilla on vain positiivinen lämpötilakerroin, termistorilla voi olla positiivinen tai negatiivinen lämpötilakerroin. Negatiiviset lämpötilakerroin (NTC) termistorit vähentävät vastustaan lämpötilan noustessa, kun taas positiiviset lämpötilakertoimet (PTC) termistorit lisäävät vastustaan lämpötilan noustessa. Kuvassa Kuva 1 näyttää tyypillisten NTC- ja PTC-termistorien vasteominaisuudet ja vertaa niitä RTD-käyriin.
Lämpötila-alueen suhteen RTD-käyrä on lähes lineaarinen, ja anturi kattaa paljon laajemman lämpötila-alueen kuin termistorit (tyypillisesti -200 °C - +850 °C) termistorin epälineaarisen (eksponentiaalisen) luonteen vuoksi. RTD:t tarjotaan yleensä hyvin tunnetuissa standardoiduissa käyrissä, kun taas termistorikäyrät vaihtelevat valmistajan mukaan. Keskustelemme tästä yksityiskohtaisesti tämän artikkelin termistorin valintaoppaassa.
Termistorit on valmistettu komposiittimateriaaleista, yleensä keramiikasta, polymeereistä tai puolijohteista (yleensä metallioksideista) ja puhtaista metalleista (platina, nikkeli tai kupari). Termistorit voivat havaita lämpötilan muutokset nopeammin kuin RTD:t, mikä tarjoaa nopeamman palautteen. Siksi anturit käyttävät yleisesti termistoreita sovelluksissa, jotka vaativat alhaisia kustannuksia, pientä kokoa, nopeampaa vastetta, suurempaa herkkyyttä ja rajoitettua lämpötila-aluetta, kuten elektroniikkaohjaus, kodin ja rakennuksen ohjaus, tieteelliset laboratoriot tai kaupallisten termoparien kylmäliitoksen kompensointi. tai teollisiin sovelluksiin. tarkoituksiin. Sovellukset.
Useimmissa tapauksissa tarkkaan lämpötilamittaukseen käytetään NTC-termistoreita, ei PTC-termistoreita. Saatavilla on joitain PTC-termistoreita, joita voidaan käyttää ylivirtasuojapiireissä tai nollattavissa olevina sulakkeina turvallisuussovelluksissa. PTC-termistorin resistanssi-lämpötilakäyrä näyttää hyvin pienen NTC-alueen ennen kytkentäpisteen (tai Curie-pisteen) saavuttamista, jonka yläpuolella resistanssi nousee jyrkästi useita suuruusluokkia useiden celsiusasteiden alueella. Ylivirtaolosuhteissa PTC-termistori synnyttää voimakkaan itsekuumenemisen, kun kytkentälämpötila ylittyy, ja sen vastus nousee jyrkästi, mikä vähentää järjestelmän tulovirtaa ja estää siten vaurioita. PTC-termistoreiden kytkentäpiste on tyypillisesti välillä 60°C - 120°C, eikä se sovellu lämpötilamittausten ohjaamiseen monissa sovelluksissa. Tämä artikkeli keskittyy NTC-termistoreihin, joilla voidaan tyypillisesti mitata tai valvoa lämpötiloja välillä -80 °C - +150 °C. NTC-termistoreiden vastusarvot vaihtelevat muutamasta ohmista 10 MΩ:iin 25 °C:ssa. Kuten kuvasta näkyy. 1, termistoreiden resistanssin muutos Celsius-astetta kohden on selvempi kuin vastuslämpömittareissa. Termistoreihin verrattuna termistorin korkea herkkyys ja korkea resistanssiarvo yksinkertaistavat sen tulopiiriä, koska termistorit eivät vaadi mitään erityistä johdotuskokoonpanoa, kuten 3- tai 4-johtimista, kompensoimaan johtovastusta. Termistorisuunnittelussa käytetään vain yksinkertaista 2-johdinkokoonpanoa.
Erittäin tarkka termistoripohjainen lämpötilan mittaus vaatii tarkan signaalinkäsittelyn, analogia-digitaalimuunnoksen, linearisoinnin ja kompensoinnin, kuten kuvassa 1 on esitetty. 2.
Vaikka signaaliketju saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta, koko emolevyn kokoon, kustannuksiin ja suorituskykyyn vaikuttaa useita monimutkaisia tekijöitä. ADI:n tarkkuus-ADC-portfolio sisältää useita integroituja ratkaisuja, kuten AD7124-4/AD7124-8, jotka tarjoavat useita etuja lämpöjärjestelmän suunnittelussa, koska suurin osa sovelluksessa tarvittavista rakennuspaloista on sisäänrakennettu. Termistoripohjaisten lämpötilanmittausratkaisujen suunnittelussa ja optimoinnissa on kuitenkin erilaisia haasteita.
Tässä artikkelissa käsitellään kaikkia näitä ongelmia ja annetaan suosituksia niiden ratkaisemiseksi ja tällaisten järjestelmien suunnitteluprosessin yksinkertaistamiseksi entisestään.
Niitä on monenlaisiaNTC termistoritmarkkinoilla tänään, joten oikean termistorin valitseminen sovellukseesi voi olla pelottava tehtävä. Huomaa, että termistorit on lueteltu niiden nimellisarvon mukaan, joka on niiden nimellisvastus 25 °C:ssa. Siksi 10 kΩ termistorin nimellisvastus on 10 kΩ 25 °C:ssa. Termistoreilla on nimellis- tai perusresistanssiarvot, jotka vaihtelevat muutamasta ohmista 10 MΩ:iin. Termistorit, joilla on alhainen resistanssi (nimellisvastus 10 kΩ tai vähemmän), tukevat tyypillisesti alhaisempia lämpötila-alueita, kuten -50 °C - +70 °C. Termistorit, joilla on korkeampi resistanssi, kestävät jopa 300°C lämpötiloja.
Termistorielementti on valmistettu metallioksidista. Termistorit ovat saatavilla pallo-, radiaali- ja SMD-muodoissa. Termistorihelmet ovat epoksipinnoitettuja tai lasikapseloituja lisäsuojan takaamiseksi. Epoksipinnoitetut pallotermistorit, radiaali- ja pintatermistorit sopivat jopa 150°C lämpötiloihin. Lasihelmitermistorit soveltuvat korkeiden lämpötilojen mittaamiseen. Kaikenlaiset pinnoitteet/pakkaukset suojaavat myös korroosiolta. Joissakin termistoreissa on myös lisäkotelot, jotka lisäävät suojaa ankarissa ympäristöissä. Helmitermistoreilla on nopeampi vasteaika kuin radiaali-/SMD-termistoreilla. Ne eivät kuitenkaan ole yhtä kestäviä. Siksi käytetyn termistorin tyyppi riippuu loppusovelluksesta ja ympäristöstä, jossa termistori sijaitsee. Termistorin pitkän aikavälin stabiilisuus riippuu sen materiaalista, pakkauksesta ja suunnittelusta. Esimerkiksi epoksipinnoitettu NTC-termistori voi muuttua 0,2 °C vuodessa, kun taas suljettu termistori vain 0,02 °C vuodessa.
Termistoreilla on eri tarkkuus. Tavallisten termistoreiden tarkkuus on tyypillisesti 0,5 °C - 1,5 °C. Termistorin resistanssiarvolla ja beeta-arvolla (suhde 25°C - 50°C/85°C) on toleranssi. Huomaa, että termistorin beeta-arvo vaihtelee valmistajan mukaan. Esimerkiksi eri valmistajien 10 kΩ NTC-termistoreilla on erilaiset beeta-arvot. Tarkempia järjestelmiä varten voidaan käyttää termistoreja, kuten Omega™ 44xxx -sarjaa. Niiden tarkkuus on 0,1 °C tai 0,2 °C lämpötila-alueella 0 °C - 70 °C. Siksi mitattavissa olevien lämpötilojen alue ja kyseisellä lämpötila-alueella vaadittava tarkkuus määräävät, soveltuvatko termistorit tähän sovellukseen. Huomaa, että mitä suurempi Omega 44xxx -sarjan tarkkuus on, sitä korkeammat ovat kustannukset.
Resistanssin muuntamiseen Celsius-asteiksi käytetään yleensä beeta-arvoa. Beeta-arvo määritetään tuntemalla kaksi lämpötilapistettä ja vastaava vastus kussakin lämpötilapisteessä.
RT1 = Lämpötilavastus 1 RT2 = Lämpötilavastus 2 T1 = Lämpötila 1 (K) T2 = Lämpötila 2 (K)
Käyttäjä käyttää beta-arvoa, joka on lähinnä projektissa käytettyä lämpötila-aluetta. Useimmissa termistoreiden tietolomakkeissa on beta-arvo sekä resistanssitoleranssi 25 °C:ssa ja toleranssi beeta-arvolle.
Tarkemmat termistorit ja erittäin tarkat pääteratkaisut, kuten Omega 44xxx -sarja, käyttävät Steinhart-Hart-yhtälöä resistanssin muuntamiseen Celsius-asteiksi. Yhtälö 2 vaatii kolme vakiota A, B ja C, jotka anturivalmistaja toimittaa. Koska yhtälökertoimet luodaan käyttämällä kolmea lämpötilapistettä, tuloksena oleva yhtälö minimoi linearisoinnin aiheuttaman virheen (tyypillisesti 0,02 °C).
A, B ja C ovat vakioita, jotka on johdettu kolmesta lämpötilan asetuspisteestä. R = termistorin resistanssi ohmeina T = lämpötila K astetta
Kuvassa Kuva 3 näyttää anturin nykyisen virityksen. Käyttövirta syötetään termistoriin ja sama virta johdetaan tarkkuusvastukseen; tarkkuusvastusta käytetään referenssinä mittauksessa. Referenssivastuksen arvon on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin termistorin resistanssin suurin arvo (riippuen järjestelmän alimmasta mitatusta lämpötilasta).
Herätysvirtaa valittaessa on jälleen otettava huomioon termistorin maksimiresistanssi. Tämä varmistaa, että anturin ja referenssivastuksen jännite on aina elektroniikan hyväksymällä tasolla. Kenttävirtalähde vaatii jonkin verran ylätilaa tai lähtösovitusta. Jos termistorilla on suuri vastus alimmassa mitattavassa lämpötilassa, tämä johtaa erittäin alhaiseen käyttövirtaan. Siksi termistorin yli korkeassa lämpötilassa muodostuva jännite on pieni. Ohjelmoitavia vahvistusasteita voidaan käyttää näiden matalan tason signaalien mittauksen optimointiin. Vahvistus on kuitenkin ohjelmoitava dynaamisesti, koska termistorin signaalitaso vaihtelee suuresti lämpötilan mukaan.
Toinen vaihtoehto on asettaa vahvistus, mutta käyttää dynaamista käyttövirtaa. Siksi termistorin signaalitason muuttuessa käyttövirran arvo muuttuu dynaamisesti niin, että termistorin yli kehittyvä jännite on elektronisen laitteen määritetyllä tuloalueella. Käyttäjän on varmistettava, että myös referenssivastuksen yli kehittyvä jännite on elektroniikan hyväksymällä tasolla. Molemmat vaihtoehdot vaativat korkean tason ohjausta, jatkuvaa termistorin jännitteen valvontaa, jotta elektroniikka voi mitata signaalin. Onko helpompaa vaihtoehtoa? Harkitse jännitteen herättämistä.
Kun termistoriin syötetään tasajännite, termistorin läpi kulkeva virta skaalautuu automaattisesti termistorin resistanssin muuttuessa. Nyt käyttämällä tarkkuusmittausvastusta referenssivastuksen sijaan, sen tarkoituksena on laskea termistorin läpi kulkeva virta, jolloin termistorin resistanssi voidaan laskea. Koska käyttöjännitettä käytetään myös ADC-referenssisignaalina, vahvistusastetta ei tarvita. Prosessorin tehtävänä ei ole valvoa termistorin jännitettä, määrittää, voidaanko elektroniikka mitata signaalitasoa, ja laskea, mitä taajuusmuuttajan vahvistusta/virta-arvoa on säädettävä. Tämä on tässä artikkelissa käytetty menetelmä.
Jos termistorilla on pieni resistanssiarvo ja resistanssialue, voidaan käyttää jännitteen tai virran herättämistä. Tässä tapauksessa käyttövirta ja vahvistus voidaan korjata. Piiristä tulee siis kuvan 3 mukainen. Tämä menetelmä on kätevä siinä mielessä, että on mahdollista ohjata virtaa anturin ja referenssivastuksen kautta, mikä on arvokasta pienitehoisissa sovelluksissa. Lisäksi termistorin itsekuumeneminen on minimoitu.
Jänniteherätystä voidaan käyttää myös termistoreissa, joilla on pieni vastus. Käyttäjän on kuitenkin aina varmistettava, että anturin läpi kulkeva virta ei ole liian korkea anturille tai sovellukselle.
Jänniteherätys yksinkertaistaa toteutusta käytettäessä termistoria, jolla on suuri vastus ja laaja lämpötila-alue. Suurempi nimellisvastus tarjoaa hyväksyttävän nimellisvirran tason. Suunnittelijoiden on kuitenkin varmistettava, että virta on hyväksyttävällä tasolla koko sovelluksen tukemalla lämpötila-alueella.
Sigma-Delta ADC:t tarjoavat useita etuja termistorimittausjärjestelmän suunnittelussa. Ensinnäkin, koska sigma-delta ADC näyttelee uudelleen analogista tuloa, ulkoinen suodatus pidetään minimissä ja ainoa vaatimus on yksinkertainen RC-suodatin. Ne tarjoavat joustavuutta suodatintyypin ja ulostulon siirtonopeuden suhteen. Sisäänrakennettua digitaalista suodatusta voidaan käyttää häiriön vaimentamiseen verkkovirralla toimivissa laitteissa. 24-bittisten laitteiden, kuten AD7124-4/AD7124-8, täydellinen resoluutio on jopa 21,7 bittiä, joten ne tarjoavat korkean resoluution.
Sigma-delta ADC:n käyttö yksinkertaistaa huomattavasti termistorin suunnittelua ja vähentää spesifikaatioita, järjestelmän kustannuksia, levytilaa ja markkinoilletuloaikaa.
Tässä artikkelissa käytetään AD7124-4/AD7124-8:aa ADC:nä, koska ne ovat hiljaisia, matalavirtaisia, tarkkoja ADC:itä, joissa on sisäänrakennettu PGA, sisäänrakennettu referenssi, analoginen tulo ja referenssipuskuri.
Riippumatta siitä, käytätkö taajuusmuuttajan virtaa vai jännitettä, suositellaan ratiometristä konfiguraatiota, jossa referenssijännite ja anturin jännite tulevat samasta taajuusmuuttajalähteestä. Tämä tarkoittaa, että virityslähteen muutokset eivät vaikuta mittauksen tarkkuuteen.
Kuvassa Kuvassa 5 on esitetty termistorin ja tarkkuusvastuksen RREF vakiokäyttövirta, RREF:n yli kehittynyt jännite on termistorin mittauksen vertailujännite.
Kenttävirran ei tarvitse olla tarkka ja se voi olla vähemmän vakaa, koska kaikki kenttävirran virheet eliminoidaan tässä konfiguraatiossa. Yleensä virran heräte on parempi kuin jänniteherätys ylivoimaisen herkkyyden ohjauksen ja paremman kohinansietokyvyn ansiosta, kun anturi sijaitsee etäisissä paikoissa. Tämän tyyppistä bias-menetelmää käytetään tyypillisesti RTD:issä tai termistoreissa, joiden resistanssiarvot ovat alhaiset. Kuitenkin termistorilla, jolla on korkeampi resistanssiarvo ja suurempi herkkyys, kunkin lämpötilan muutoksen synnyttämä signaalitaso on suurempi, joten käytetään jännitteen herättämistä. Esimerkiksi 10 kΩ termistorin resistanssi on 10 kΩ 25°C:ssa. -50 °C:ssa NTC-termistorin resistanssi on 441,117 kΩ. AD7124-4/AD7124-8:n tarjoama 50 µA:n minimikäyttövirta tuottaa 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, mikä on liian korkea ja ylittää useimpien tällä sovellusalueella käytettävien ADC:iden toiminta-alueen. Termistorit on myös yleensä kytketty tai sijoitettu lähelle elektroniikkaa, joten käyttövirran sietokykyä ei tarvita.
Tunnistusvastuksen lisääminen sarjaan jännitteenjakopiiriksi rajoittaa termistorin läpi kulkevan virran sen minimiresistanssiarvoon. Tässä kokoonpanossa sensorivastuksen RSENSE arvon on oltava yhtä suuri kuin termistorin resistanssin arvo 25 °C:n vertailulämpötilassa, jotta lähtöjännite on yhtä suuri kuin vertailujännitteen keskipiste sen nimellislämpötilassa. 25°CC Vastaavasti, jos käytetään 10 kΩ termistoria, jonka resistanssi on 10 kΩ 25°C:ssa, RSENSE:n tulee olla 10 kΩ. Lämpötilan muuttuessa myös NTC-termistorin resistanssi muuttuu, ja myös käyttöjännitteen suhde termistorin yli muuttuu, jolloin lähtöjännite on verrannollinen NTC-termistorin resistanssiin.
Jos valittu jänniteohje, jota käytetään termistorin ja/tai RSENSE:n virransyöttöön, vastaa mittaukseen käytettyä ADC-referenssijännitettä, järjestelmä asetetaan ratiometriseen mittaukseen (Kuva 7) niin, että mikä tahansa herätteeseen liittyvä virhejännitelähde esijännitetään poistettavaksi.
Huomaa, että joko sensorivastuksen (jänniteohjattu) tai referenssivastuksen (virtakäyttöinen) tulee olla alhainen alkutoleranssi ja pieni ryömintä, koska molemmat muuttujat voivat vaikuttaa koko järjestelmän tarkkuuteen.
Useita termistoreita käytettäessä voidaan käyttää yhtä herätejännitettä. Jokaisella termistorilla on kuitenkin oltava oma tarkkuusvastus, kuten kuvassa 1 on esitetty. 8. Toinen vaihtoehto on käyttää ulkoista multiplekseriä tai matalaresistanssikytkintä päällä-tilassa, mikä mahdollistaa yhden tarkkuusvastuksen jakamisen. Tällä kokoonpanolla jokainen termistori tarvitsee jonkin verran asettumisaikaa mitattuna.
Yhteenvetona voidaan todeta, että termistoripohjaista lämpötilanmittausjärjestelmää suunniteltaessa on otettava huomioon monia kysymyksiä: anturin valinta, anturin johdotus, komponenttien valinnan kompromissit, ADC-konfiguraatio ja kuinka nämä erilaiset muuttujat vaikuttavat järjestelmän yleiseen tarkkuuteen. Tämän sarjan seuraavassa artikkelissa kerrotaan, kuinka voit optimoida järjestelmäsi suunnittelun ja kokonaisvirhebudjetin saavuttaaksesi tavoitteesi.
Postitusaika: 30.9.2022