Tämä on kaksiosaisen sarjan ensimmäinen artikkeli. Tässä artikkelissa keskustellaan ensin historian ja suunnittelun haasteistatermistoripohjainen lämpötilaMittausjärjestelmät sekä niiden vertailu resistenssilämpömittarin (RTD) lämpötilan mittausjärjestelmiin. Se kuvaa myös termistorin, konfiguraatiokompromissien valintaa ja sigma-delta-analogisen-digitaalimuuntimien (ADC) merkitystä tällä sovellusalueella. Toisessa artikkelissa kerrotaan yksityiskohtaisesti, kuinka optimoida ja arvioida lopullinen termistoripohjainen mittausjärjestelmä.
Kuten edellisessä artikkelisarjassa on kuvattu, RTD -lämpötila -anturijärjestelmien optimointi, RTD on vastus, jonka vastus 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 niiden vastustuskyvyn lämpötilan noustessa, kun taas positiivinen lämpötilakerroin (PTC) termistorit lisäävät niiden vastustuskyvyn lämpötilan noustessa. Kuviossa 1 näyttää tyypillisten NTC- ja PTC -termistorien vasteominaisuudet ja vertaa niitä RTD -käyriin.
Lämpötila -alueen suhteen RTD -käyrä on melkein lineaarinen, ja anturi kattaa paljon leveämmän lämpötila -alueen kuin termistorit (tyypillisesti -200 ° C - +850 ° C) termistin epälineaarisen (eksponentiaalisen) luonteen vuoksi. RTD: t toimitetaan yleensä tunnetuissa standardisoiduissa käyrissä, kun taas termistorikäyrät vaihtelevat valmistajan mukaan. Keskustelemme tästä yksityiskohtaisesti tämän artikkelin termistorivalintaoppaasta.
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 yleensä termistoreita sovelluksissa, jotka vaativat alhaisia kustannuksia, pieniä kokoa, nopeampaa vastetta, suurempaa herkkyyttä ja rajoitettua lämpötila -aluetta, kuten elektroniikan hallintaa, kodin ja rakennusten hallintaa, tieteellisiä laboratorioita tai kylmän liitoskompensointia lämpöparilla kaupallisissa tai teollisissa sovelluksissa. tarkoitukset. Sovellukset.
Useimmissa tapauksissa NTC -termistoreita käytetään tarkkaan lämpötilan mittaamiseen, ei PTC -termisreihin. Saatavana on joitain PTC -termistoreita, joita voidaan käyttää ylivirtasuojapiirissä tai uudelleensijoittavina sulakkeina turvallisuussovelluksissa. PTC-termistorin vastustuslämpökäyrä osoittaa erittäin pienen NTC-alueen ennen kytkentäpisteen (tai Curie-piste) saavuttamista, jonka yläpuolella vastus nousee voimakkaasti useilla suuruusluokilla useiden celsiusasteiden alueella. Ylivirta-olosuhteissa PTC-termistori tuottaa voimakkaan itsekämmityksen, kun kytkentälämpötila ylitetään, ja sen vastus nousee voimakkaasti, mikä vähentää syöttövirtaa järjestelmään, estäen siten vaurioita. PTC -termistorien kytkentäpiste on tyypillisesti välillä 60 ° C - 120 ° C, eikä se sovellu lämpötilan mittausten säätelemiseen laajalla sovellusalueella. Tässä artikkelissa keskitytään NTC -termistoreihin, jotka voivat tyypillisesti mitata tai seurata lämpötiloja välillä -80 ° C - +150 ° C. NTC -termistoreilla on vastusluokitukset muutamasta ohmista 10 MΩ 25 ° C: ssa. Kuten kuviossa 1 esitetään 1, resistenssin muutos Celsius -astetta kohti termistoreille on selvempi kuin vastuslämpömittarien. Termistoreihin verrattuna termistorin korkea herkkyys ja korkea vastusarvo yksinkertaistavat sen tulopiiriä, koska termistorit eivät vaadi erityistä johdotuskokoonpanoa, kuten 3-johtoa tai 4-johtoa, kompensoimaan lyijyvastuksen. Termistorisuunnittelu käyttää vain yksinkertaista 2-johdin kokoonpanoa.
Korkean tarkkuuden termistoripohjainen lämpötilan mittaus vaatii tarkan signaalinkäsittelyn, analogisen digitaalisen muuntamisen, linearisoinnin ja kompensointin, kuten kuviossa 1 esitetään. 2.
Vaikka signaaliketju voi tuntua yksinkertaiselta, on olemassa useita monimutkaisuuksia, jotka vaikuttavat koko emolevyn kokoon, kustannuksiin ja suorituskykyyn. ADI: n tarkkuus ADC-portfolio sisältää useita integroituja ratkaisuja, kuten AD7124-4/AD7124-8, jotka tarjoavat useita etuja lämpöjärjestelmän suunnittelulle, koska suurin osa sovelluksesta tarvittavista rakennuspalikoista on sisäänrakennettu. Termistoripohjaisten lämpötilan mittausratkaisujen suunnittelussa ja optimoinnissa on kuitenkin erilaisia haasteita.
Tässä artikkelissa käsitellään kutakin näistä aiheista ja antaa suosituksia niiden ratkaisemiseksi ja tällaisten järjestelmien suunnitteluprosessin yksinkertaistamiseksi edelleen.
On laaja valikoimaNTC -termistoritMarkkinoilla tänään, joten oikean termistorin valitseminen sovelluksellesi voi olla pelottava tehtävä. Huomaa, että termistorit on lueteltu niiden nimellisarvolla, joka on niiden nimellinen vastus 25 ° C: ssa. Siksi 10 kΩ: n termistorin nimellinen vastus on 10 kΩ 25 ° C: ssa. Termistoreilla on nimelliset tai perusvastusarvot, jotka vaihtelevat muutamasta ohmista 10 MΩ. Termistorit, joiden vastusluokitukset ovat alhaiset (nimellinen vastus 10 kΩ tai vähemmän), tukevat tyypillisesti alhaisempia lämpötila -alueita, kuten -50 ° C - +70 ° C. Termistorit, joilla on korkeampi vastusluokitus, kestävät lämpötilat jopa 300 ° C.
Termistorielementti on valmistettu metallioksidista. Termistoreita on saatavana pallo-, säteittäisissä ja SMD -muodoissa. Termistorihelmet ovat epoksia päällystettyjä tai lasi, joka on kapseloitu lisäämään suojausta. Epoksipäällystetyt palloristimorit, säteittäiset ja pintatermistorit sopivat lämpötiloihin, joiden lämpötila on jopa 150 ° C. Lasihelmethermittorit soveltuvat korkeiden lämpötilojen mittaamiseen. Kaikentyyppiset pinnoitteet/pakkaukset suojaavat myös korroosiolta. Joillakin termistoreilla on myös ylimääräisiä koteloita lisäämään suojaa ankarissa ympäristöissä. Helmitermistoreilla on nopeampi vasteaika kuin radiaaliset/SMD -termistorit. Ne eivät kuitenkaan ole yhtä kestäviä. Siksi käytetty termistorityyppi riippuu loppusovelluksesta ja ympäristöstä, jossa termistori sijaitsee. Termistorin pitkäaikainen stabiilisuus riippuu sen materiaalista, pakkauksista ja suunnittelusta. Esimerkiksi epoksipäällysteinen NTC-termistori voi muuttaa 0,2 ° C vuodessa, kun taas suljettu termistori muuttuu vain 0,02 ° C vuodessa.
Termistoreita on erilainen tarkkuudella. Vakiotermistorien tarkkuus on tyypillisesti 0,5 ° C - 1,5 ° C. Termistoriresistenssiluokituksella ja beeta -arvolla (suhteella 25 ° C - 50 ° C/85 ° C) on toleranssi. Huomaa, että termistorin beeta -arvo vaihtelee valmistajan mukaan. Esimerkiksi 10 kΩ: n NTC -termistoreilla eri valmistajilta on erilaiset beeta -arvot. Tarkempiin järjestelmiin voidaan käyttää termistoreita, kuten Omega ™ 44xxx -sarjaa. Niiden tarkkuus on 0,1 ° C tai 0,2 ° C lämpötila -alueella 0 ° C - 70 ° C. Siksi lämpötilojen alue, joka voidaan mitata ja kyseisen lämpötila -alueen aikana vaadittu tarkkuus määrittää, sopivatko termistorit tähän sovellukseen. Huomaa, että mitä korkeampi Omega 44xxx -sarjan tarkkuus, sitä korkeampi kustannukset.
Resistenssin muuttamiseksi celsiusasteisiin beeta -arvoa käytetään yleensä. Beeta -arvo määritetään tuntemalla kaksi lämpötilapistettä ja vastaava vastus kussakin lämpötilapisteessä.
RT1 = Lämpötilan vastus 1 RT2 = Lämpötilan vastus 2 T1 = Lämpötila 1 (K) T2 = Lämpötila 2 (K)
Käyttäjä käyttää beeta -arvoa, joka on lähinnä projektissa käytettyä lämpötila -aluetta. Useimmissa termistoritiedotteissa luetellaan beeta -arvo sekä vastustoleranssi 25 ° C: ssa ja toleranssi beeta -arvolle.
Korkeammat tarkkuustermistorit ja korkeat tarkkuusratkaisut, kuten Omega 44xxx -sarja, käyttävät Steinhart-Hart-yhtälöä muuttamaan resistenssi celsiusasteiksi. Yhtälö 2 vaatii kolme vakioa A, B ja C, jonka anturivalmistaja tarjoaa jälleen. Koska yhtälökertoimet generoidaan 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 = termistoriresistenssi ohmissa t = lämpötila k -asteina
Kuviossa 3 näyttää anturin nykyisen virityksen. Ajoneuvovirta käytetään termistoriin ja sama virta käytetään tarkkuusvastukseen; Tarkkuusvastusta käytetään mittauksen vertailuna. Referenssikunnan arvon on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin termistoriresistenssin korkein arvo (järjestelmässä mitatusta alimmasta lämpötilasta riippuen).
Valittaessa viritysvirta termistorin maksimiresistanssi on jälleen otettava huomioon. Tämä varmistaa, että anturin ja referenssivastuksen jännite on aina elektroniikan hyväksyttävä taso. Kenttävirtalähde vaatii jonkin verran pää- tai lähtöselvitystä. Jos termistorissa on korkea vastus alimmassa mitattavissa olevassa lämpötilassa, tämä johtaa erittäin alhaiseen käyttövirtaan. Siksi termistorin yli tuotettu jännite korkeassa lämpötilassa on pieni. Ohjelmoitavia vahvistusvaiheita voidaan käyttää näiden matalan tason signaalien mittauksen optimoimiseksi. Vahvistus on kuitenkin ohjelmoitava dynaamisesti, koska termistorin signaalitaso vaihtelee suuresti lämpötilan mukaan.
Toinen vaihtoehto on asettaa vahvistus, mutta käyttää dynaamista käyttövirtaa. Siksi, kun termistorin signaalitaso muuttuu, aseman virta -arvo muuttuu dynaamisesti siten, että termistorissa kehitetty jännite on elektronisen laitteen määritetyn tuloalueen sisällä. Käyttäjän on varmistettava, että referenssivastuksen läpi kehitetty jännite on myös elektroniikan hyväksyttävä taso. Molemmat vaihtoehdot vaativat korkean hallintatason, jännitteen jatkuvan seurannan termistorissa, jotta elektroniikka voi mitata signaalin. Onko olemassa helpompaa vaihtoehtoa? Harkitse jännitteen viritystä.
Kun DC -jännite levitetään termistoriin, termistorin läpi kulkeva virta skaalaa automaattisesti, kun termistorin vastus muuttuu. Nyt, käyttämällä tarkkuusmittausvastusta referenssivastuksen sijasta, sen tarkoituksena on laskea termistorin läpi virtaava virta, jolloin termistoriresistenssi voidaan laskea. Koska käyttöjännitettä käytetään myös ADC -referenssisignaalina, vahvistusvaihetta ei tarvita. Prosessorilla ei ole termistorijännitteen tarkkailua, määritetään, voidaanko signaalitaso mitata elektroniikka ja laskee, mikä aseman vahvistus/virta -arvo on säädettävä. Tämä on tässä artikkelissa käytetty menetelmä.
Jos termistorissa on pieni vastusluokitus ja vastusalue, voidaan käyttää jännitettä tai virran viritystä. Tässä tapauksessa käyttövirta ja vahvistus voidaan korjata. Siten piiri on kuvan 3 mukainen. Tämä menetelmä on kätevä siinä mielessä, että virtaa on mahdollista hallita anturin ja vertailuvastuksen kautta, mikä on arvokasta pienitehoisissa sovelluksissa. Lisäksi termistorin itsekämmitys minimoidaan.
Jännitteen viritystä voidaan käyttää myös termistoreilla, joilla on alhainen vastusluokitus. Käyttäjän on kuitenkin aina varmistettava, että anturin kautta oleva virta ei ole liian korkea anturille tai sovellukselle.
Jännitteen viritys yksinkertaistaa toteutusta käytettäessä termistoria, jolla on suuri vastusluokka ja laaja lämpötila -alue. Suurempi nimellinen vastus tarjoaa hyväksyttävän nimellisvirran tason. Suunnittelijoiden on kuitenkin varmistettava, että virta on hyväksyttävällä tasolla koko sovelluksen tukeman lämpötila -alueen aikana.
Sigma-Delta ADC: t tarjoavat useita etuja suunnitellessaan termistorimittausjärjestelmää. Ensinnäkin, koska Sigma-Delta ADC -sovellus tulee uudelleen analogisen tulon, ulkoinen suodatus pidetään minimissä ja ainoa vaatimus on yksinkertainen RC-suodatin. Ne tarjoavat joustavuutta suodatintyypin ja lähtöprosessin suhteen. Sisäänrakennettua digitaalista suodatusta voidaan käyttää minkä tahansa verkkovirtalaitteiden häiriöiden tukahduttamiseen. 24-bittisissä laitteissa, kuten AD7124-4/AD7124-8, on täysi resoluutio enintään 21,7 bittiä, joten ne tarjoavat korkean resoluution.
Sigma-delta ADC: n käyttö yksinkertaistaa huomattavasti termistorisuunnittelua vähentäen samalla spesifikaatioita, järjestelmän kustannuksia, levyn tilaa ja markkinataikaa.
Tässä artikkelissa käytetään AD7124-4/AD7124-8 ADC: ksi, koska ne ovat alhainen kohina, matalavirta, tarkkuus ADC: t, joissa on sisäänrakennettu PGA, sisäänrakennettu referenssi, analoginen tulo ja referenssipuskurit.
Riippumatta siitä, käytätkö käyttövirta- tai käyttöjännitettä, suositellaan ratiometristä konfiguraatiota, jossa vertailujännite ja anturijännite tulevat samasta aseman lähteestä. Tämä tarkoittaa, että kaikki virityslähteen muutokset eivät vaikuta mittauksen tarkkuuteen.
Kuviossa 5 esittää termistorien ja tarkkuusvastuksen RREF: n vakiokäyttövirran, RREF: n yli kehitetty jännite on vertailujännite termistorin mittaamiseksi.
Kenttävirran ei tarvitse olla tarkka ja voi olla vähemmän vakaa, koska kenttävirran virheet poistetaan tässä kokoonpanossa. Yleensä virran viritys on edullista yli jännitteen viritystä, joka johtuu herkkyyden hallinnasta ja paremmasta kohinan immuniteetista, kun anturi sijaitsee syrjäisissä paikoissa. Tämän tyyppistä bias -menetelmää käytetään tyypillisesti RTD -levyihin tai termistoreihin, joilla on alhaiset vastusarvot. Kuitenkin termistorissa, jolla on korkeampi vastusarvo ja suurempi herkkyys, kunkin lämpötilan muutoksen tuottama signaalitaso on kuitenkin suurempi, joten jännitteen viritystä käytetään. Esimerkiksi 10 kΩ: n termistorin vastus on 10 kΩ 25 ° C: ssa. -50 ° C: ssa NTC -termistorin vastus on 441.117 kΩ. AD7124-4/AD7124-8: n toimittama 50 µA: n vähimmäiskäyttövirta tuottaa 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, joka on liian korkea ja tällä sovellusalueella käytettyjen ADC: ien toiminta-alueella ja ulkopuolella. Termistorit on myös yleensä kytketty tai sijaitsevat lähellä elektroniikkaa, joten immuniteettia käyttövirtaan ei vaadita.
Sarjan aistivastuksen lisääminen jännitteenjakajapiiriksi rajoittaa virran termistorin kautta sen minimiresistenssin arvoon. Tässä konfiguraatiossa aistivastuksen RSENSE -arvon on oltava yhtä suuri kuin termistoriresistenssin arvo 25 ° C: n vertailulämpötilassa, joten lähtöjännite on yhtä suuri kuin vertailujännitteen keskipiste sen nimellislämpötilassa 25 ° CC: n lämpötilassa, jos 10 kΩ: n termistori on 10 kΩ. Lämpötilan muuttuessa myös NTC -termistorin vastus muuttuu, ja myös lämpöjännitteen suhde termistorin yli muuttuu, mikä johtaa siihen, että lähtöjännite on verrannollinen NTC -termistorin vastuskykyyn.
Jos termistorin ja/tai rsensen tehostamiseen käytetty valittu jänniteviite vastaa mittaukseen käytettyä ADC-vertailujännitettä, järjestelmä asetetaan ratiometriseen mittaukseen (kuva 7) siten, että kaikki viritykseen liittyvä virhejännitteen lähde on puolueellinen poistamiseksi.
Huomaa, että joko aistivastuksella (jännitteenvetoinen) tai referenssivastuksella (virranvetoinen) tulisi olla alhainen alustava toleranssi ja matala ajautuminen, koska molemmat muuttujat voivat vaikuttaa koko järjestelmän tarkkuuteen.
Kun käytetään useita termistoreita, voidaan käyttää yhtä viritysjännitettä. Jokaisella termistorilla on kuitenkin oltava oma tarkkuustunnus, kuten kuviossa 1 esitetään. 8. Toinen vaihtoehto on käyttää ulkoista multiplekseriä tai matala-vastuskytkintä ON-tilassa, mikä mahdollistaa yhden tarkan aistivastuksen jakamisen. Tämän kokoonpanon avulla jokainen termistori tarvitsee jonkin verran asettumisaikaa mitattaessa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että suunnitellessasi termistoripohjaista lämpötilan mittausjärjestelmää on otettava huomioon monia kysymyksiä: anturin valinta, anturin johdotus, komponenttien valinnan kompromissit, ADC-kokoonpanot ja kuinka nämä eri muuttujat vaikuttavat järjestelmän yleiseen tarkkuuteen. Tämän sarjan seuraava artikkeli selittää, kuinka järjestelmän suunnittelu ja järjestelmävirhebudjetti voidaan optimoida tavoitehokkuuden saavuttamiseksi.
Viestin aika: syyskuu-30-2022