Tämä on kaksiosaisen sarjan ensimmäinen artikkeli. Tässä artikkelissa käsitellään ensin historiaa ja suunnittelun haasteitatermistoripohjainen lämpötilamittausjärjestelmiä sekä niiden vertailua vastuslämpömittariin (RTD) perustuviin lämpötilanmittausjärjestelmiin. Artikkelissa kuvataan myös termistorin valinta, kokoonpanon kompromissit ja sigma-delta-analogia-digitaalimuuntimien (ADC) merkitys tällä sovellusalueella. Toisessa artikkelissa kuvataan, miten lopullinen termistoripohjainen mittausjärjestelmä optimoidaan ja arvioidaan.
Kuten edellisessä artikkelisarjassa, RTD-lämpötila-anturijärjestelmien optimointi, 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. Negatiivisen lämpötilakertoimen (NTC) termistorit pienentävät resistanssiaan lämpötilan noustessa, kun taas positiivisen lämpötilakertoimen (PTC) termistorit lisäävät resistanssiaan lämpötilan noustessa. Kuvassa 1 on esitetty tyypillisten NTC- ja PTC-termistorien vasteominaisuudet ja verrattu 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 toimitetaan yleensä tunnettujen standardoitujen käyrien muodossa, kun taas termistorikäyrät vaihtelevat valmistajan mukaan. Käsittelemme tätä yksityiskohtaisesti tämän artikkelin termistorin valintaoppaassa.
Termistorit valmistetaan komposiittimateriaaleista, yleensä keraamista, polymeereistä tai puolijohteista (yleensä metallioksideista) ja puhtaista metalleista (platina, nikkeli tai kupari). Termistorit pystyvät havaitsemaan lämpötilan muutoksia nopeammin kuin vastusanturit, mikä tarjoaa nopeamman takaisinkytkennän. Siksi termistoreita käytetään yleisesti antureissa sovelluksissa, jotka vaativat edullista hintaa, pientä kokoa, nopeampaa vasteaikaa, suurempaa herkkyyttä ja rajoitettua lämpötila-aluetta, kuten elektroniikan ohjauksessa, koti- ja rakennusvalvonnassa, tieteellisissä laboratorioissa tai kylmäliitosten kompensoinnissa termoelementeille kaupallisissa tai teollisissa sovelluksissa. Sovellukset.
Useimmissa tapauksissa tarkkaan lämpötilan mittaukseen käytetään NTC-termistoreita, ei PTC-termistoreita. Saatavilla on joitakin PTC-termistoreita, joita voidaan käyttää ylivirtasuojauspiireissä tai nollattavina sulakkeina turvallisuussovelluksissa. PTC-termistorin resistanssi-lämpötila-käyrä osoittaa hyvin pienen NTC-alueen ennen kytkentäpisteen (tai Curie-pisteen) saavuttamista, jonka yläpuolella resistanssi nousee jyrkästi useita kertaluokkia useiden celsiusasteiden alueella. Ylivirtaolosuhteissa PTC-termistori kuumenee voimakkaasti, kun kytkentälämpötila ylitetään, ja sen resistanssi nousee jyrkästi, mikä vähentää järjestelmän tulovirtaa ja estää siten vaurioita. PTC-termistorien kytkentäpiste on tyypillisesti 60 °C:n ja 120 °C:n välillä, eikä se sovellu lämpötilamittausten ohjaamiseen monissa sovelluksissa. Tämä artikkeli keskittyy NTC-termistoreihin, jotka voivat tyypillisesti mitata tai valvoa lämpötiloja -80 °C:sta +150 °C:een. NTC-termistorien resistanssiarvot vaihtelevat muutamasta ohmista 10 MΩ:iin 25 °C:ssa. Kuten kuvassa 1 on esitetty, termistorien resistanssin muutos celsiusastetta kohden on selvempi kuin vastuslämpömittareiden. Termistoriin verrattuna termistorin korkea herkkyys ja korkea resistanssiarvo yksinkertaistavat sen tulopiiriä, koska termistorit eivät vaadi erityistä johdotuskokoonpanoa, kuten 3- tai 4-johtimista, johtimen resistanssin kompensoimiseksi. Termistorirakenteessa käytetään vain yksinkertaista 2-johtimista kokoonpanoa.
Tarkka termistoripohjainen lämpötilan mittaus vaatii tarkkaa signaalinkäsittelyä, analogia-digitaalimuunnosta, linearisointia ja kompensointia, kuten kuvassa 2 on esitetty.
Vaikka signaaliketju saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta, koko emolevyn kokoon, kustannuksiin ja suorituskykyyn vaikuttaa useita monimutkaisia tekijöitä. ADI:n tarkkuus-AD-muuntimien valikoima sisältää useita integroituja ratkaisuja, kuten AD7124-4/AD7124-8, jotka tarjoavat useita etuja lämpöjärjestelmien suunnittelussa, koska useimmat sovelluksen tarvitsemat rakennuspalikat ovat sisäänrakennettuja. Termistoripohjaisten lämpötilanmittausratkaisujen suunnittelussa ja optimoinnissa on kuitenkin useita haasteita.
Tässä artikkelissa käsitellään kaikkia näitä ongelmia ja annetaan suosituksia niiden ratkaisemiseksi ja tällaisten järjestelmien suunnitteluprosessin yksinkertaistamiseksi entisestään.
On olemassa laaja valikoimaNTC-termistoritmarkkinoilla tänään, joten oikean termistorin valitseminen sovellukseesi voi olla pelottava tehtävä. Huomaa, että termistorit luetellaan nimellisarvon mukaan, joka on niiden nimellisresistanssi 25 °C:ssa. Siksi 10 kΩ:n termistorin nimellisresistanssi on 10 kΩ 25 °C:ssa. Termistorien nimellis- tai perusresistanssiarvot vaihtelevat muutamasta ohmista 10 MΩ:iin. Alhaisen resistanssin omaavat termistorit (nimellisresistanssi 10 kΩ tai vähemmän) tukevat tyypillisesti alempia lämpötila-alueita, kuten -50 °C - +70 °C. Korkeamman resistanssin omaavat termistorit kestävät jopa 300 °C:n lämpötiloja.
Termistorielementti on valmistettu metallioksidista. Termistoreita on saatavana pallo-, säteittäis- ja pintatermistoreina. Termistorihelmet on päällystetty epoksilla tai lasikapseloitu lisäsuojauksen takaamiseksi. Epoksipäällysteiset pallo-, säteittäis- ja pintatermistorit soveltuvat jopa 150 °C:n lämpötiloihin. Lasihelmitermistorit soveltuvat korkeiden lämpötilojen mittaamiseen. Kaikenlaiset pinnoitteet/pakkaukset suojaavat myös korroosiolta. Joissakin termistoreissa on myös lisäkotelot lisäsuojauksen takaamiseksi ankarissa ympäristöissä. Helmitermistoreilla on nopeampi vasteaika kuin säteittäis-/SMD-termistoreilla. Ne eivät kuitenkaan ole yhtä kestäviä. Siksi käytetyn termistorin tyyppi riippuu loppusovelluksesta ja ympäristöstä, jossa termistori sijaitsee. Termistorin pitkäaikainen stabiilius riippuu sen materiaalista, pakkauksesta ja suunnittelusta. Esimerkiksi epoksipäällysteinen NTC-termistori voi muuttua 0,2 °C vuodessa, kun taas suljettu termistori muuttuu vain 0,02 °C vuodessa.
Termistoreita on saatavilla eri tarkkuuksilla. Vakiotermistorien 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:n NTC-termistoreilla on eri 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 mitattavien lämpötila-alueiden ja kyseisellä lämpötila-alueella vaadittavan tarkkuuden perusteella termistorit sopivat tähän sovellukseen. Huomaa, että mitä suurempi Omega 44xxx -sarjan tarkkuus on, sitä korkeampi on hinta.
Resistanssin muuntamiseksi celsiusasteiksi käytetään yleensä beeta-arvoa. Beeta-arvo määritetään tietämällä kaksi lämpötilapistettä ja vastaava resistanssi kussakin lämpötilapisteessä.
RT1 = Lämpötilankesto 1 RT2 = Lämpötilankesto 2 T1 = Lämpötila 1 (K) T2 = Lämpötila 2 (K)
Käyttäjä käyttää projektissa käytettyä lämpötila-aluetta lähimpänä olevaa beta-arvoa. Useimmissa termistorien datalehdissä luetellaan beta-arvo sekä resistanssitoleranssi 25 °C:ssa ja beeta-arvon toleranssi.
Tarkemmat termistorit ja tarkat pääteratkaisut, kuten Omega 44xxx -sarja, käyttävät Steinhart-Hart-yhtälöä resistanssin muuntamiseen celsiusasteiksi. Yhtälö 2 vaatii kolme vakiota A, B ja C, jotka anturin valmistaja jälleen toimittaa. Koska yhtälön kertoimet 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 asetusarvosta. R = termistorin resistanssi ohmeina T = lämpötila kelvinasteina
Kuvassa 3 on esitetty anturin virtaheräte. Termistoriin syötetään käyttövirta ja sama virta tarkkuusvastukseen; tarkkuusvastusta käytetään mittauksen referenssinä. Referenssivastuksen arvon on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin termistorin resistanssin suurin arvo (riippuen järjestelmässä mitatusta alimmasta lämpötilasta).
Herätevirtaa valittaessa on jälleen otettava huomioon termistorin maksimiresistanssi. Tämä varmistaa, että anturin ja referenssivastuksen välinen jännite on aina elektroniikan hyväksymällä tasolla. Kenttävirtalähde vaatii jonkin verran liikkumavaraa tai lähtösovitusta. Jos termistorilla on suuri resistanssi alimmassa mitattavassa lämpötilassa, tämä johtaa erittäin pieneen käyttövirtaan. Siksi termistorin yli syntyvä jännite korkeassa lämpötilassa on pieni. Ohjelmoitavia vahvistusvaiheita voidaan käyttää näiden matalatasoisten signaalien mittauksen optimointiin. Vahvistus on kuitenkin ohjelmoitava dynaamisesti, koska termistorin signaalitaso vaihtelee suuresti lämpötilan mukaan.
Toinen vaihtoehto on asettaa vahvistus, mutta käyttää dynaamista käyttövirtaa. Näin ollen termistorin signaalitason muuttuessa käyttövirran arvo muuttuu dynaamisesti siten, että termistorin yli kehittyvä jännite on elektronisen laitteen määritellyn tuloalueen sisällä. Käyttäjän on varmistettava, että referenssivastuksen yli kehittyvä jännite on myös elektroniikan hyväksymällä tasolla. Molemmat vaihtoehdot vaativat korkeatasoista ohjausta ja termistorin yli olevan jännitteen jatkuvaa valvontaa, jotta elektroniikka voi mitata signaalia. Onko olemassa helpompaa vaihtoehtoa? Harkitse jänniteherätystä.
Kun termistoriin syötetään tasajännite, termistorin läpi kulkeva virta skaalautuu automaattisesti termistorin resistanssin muuttuessa. Nyt kun referenssivastuksen sijaan käytetään tarkkuusmittausvastusta, sen tarkoituksena on laskea termistorin läpi kulkeva virta, jolloin termistorin resistanssi voidaan laskea. Koska käyttöjännitettä käytetään myös ADC:n referenssisignaalina, vahvistusaste ei ole tarpeen. Suorittimen tehtävänä ei ole valvoa termistorijännitettä, määrittää, voidaanko elektroniikka mitata signaalitasoa, eikä laskea, mitä käyttövahvistuksen/virran arvoa on säädettävä. Tätä menetelmää käytetään tässä artikkelissa.
Jos termistorilla on pieni resistanssiluokitus ja resistanssialue, voidaan käyttää jännite- tai virtaherätettä. Tässä tapauksessa käyttövirta ja vahvistus voidaan kiinnittää. Siten piiri on kuvan 3 mukainen. Tämä menetelmä on kätevä, koska virtaa voidaan ohjata anturin ja referenssivastuksen kautta, mikä on hyödyllistä pienitehoisissa sovelluksissa. Lisäksi termistorin itsekuumeneminen minimoituu.
Jänniteherätettä voidaan käyttää myös termistoreille, joilla on pieni resistanssi. Käyttäjän on kuitenkin aina varmistettava, että anturin läpi kulkeva virta ei ole liian suuri anturille tai sovellukselle.
Jänniteheräte yksinkertaistaa toteutusta käytettäessä termistoria, jolla on suuri resistanssi ja laaja lämpötila-alue. Suurempi nimellisvastus tarjoaa hyväksyttävän nimellisvirran. Suunnittelijoiden on kuitenkin varmistettava, että virta on hyväksyttävällä tasolla koko sovelluksen tukemalla lämpötila-alueella.
Sigma-Delta-AD-muuntimet tarjoavat useita etuja termistorimittausjärjestelmän suunnittelussa. Ensinnäkin, koska sigma-Delta-AD-muunnin ottaa analogiatulosignaalista uudelleennäytteistyksen, ulkoinen suodatus pysyy minimissä ja ainoa vaatimus on yksinkertainen RC-suodatin. Ne tarjoavat joustavuutta suodatintyypin ja lähtönopeuden suhteen. Sisäänrakennettua digitaalista suodatusta voidaan käyttää häiriöiden vaimentamiseen verkkovirtakäyttöisissä laitteissa. 24-bittisillä laitteilla, kuten AD7124-4/AD7124-8, on jopa 21,7 bitin täysi resoluutio, joten ne tarjoavat korkean resoluution.
Sigma-delta-AD-muuntimen käyttö yksinkertaistaa termistorin suunnittelua huomattavasti ja samalla vähentää erittelyjä, järjestelmäkustannuksia, piirilevyn tilaa ja markkinoille saattamista.
Tässä artikkelissa käytetään AD7124-4/AD7124-8-mallia AD-muuntimena, koska ne ovat vähäkohinaisia, pienivirtaisia ja tarkkoja AD-muuntimia, joissa on sisäänrakennettu PGA, sisäänrakennettu referenssi, analogitulo ja referenssipuskuri.
Riippumatta siitä, käytätkö käyttövirtaa vai -jännitettä, suositellaan ratiometristä konfiguraatiota, jossa referenssijännite ja anturijännite tulevat samasta käyttölähteestä. Tämä tarkoittaa, että herätelähteen muutokset eivät vaikuta mittauksen tarkkuuteen.
Kuvassa 5 on esitetty termistorin ja tarkkuusvastuksen RREF vakiokäyttövirta, jonka yli kehittyvä jännite on termistorin mittaamiseen käytettävä referenssijännite.
Kenttävirran ei tarvitse olla tarkka, ja se voi olla vähemmän vakaa, koska tässä kokoonpanossa kenttävirran virheet eliminoidaan. Yleensä virtaherätettä suositaan jänniteherätteeseen verrattuna paremman herkkyyden säädön ja paremman kohinansietokyvyn vuoksi, kun anturi sijaitsee syrjäisissä paikoissa. Tämän tyyppistä esijännitettä käytetään tyypillisesti RTD-antureissa tai termistoreissa, joilla on pienet resistanssiarvot. Kuitenkin termistorilla, jolla on suurempi resistanssiarvo ja herkkyys, jokaisen lämpötilanmuutoksen synnyttämä signaalitaso on suurempi, joten käytetään jänniteherätettä. Esimerkiksi 10 kΩ:n termistorin resistanssi on 10 kΩ 25 °C:ssa. -50 °C:ssa NTC-termistorin resistanssi on 441,117 kΩ. AD7124-4/AD7124-8:n tuottama 50 µA:n pienin käyttövirta tuottaa 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, mikä on liian korkea ja useimpien tällä sovellusalueella käytettyjen ADC-muuntimien toiminta-alueen ulkopuolella. Termistorit on myös yleensä kytketty elektroniikkaan tai sijaitsevat sen lähellä, joten käyttövirran sietokykyä ei vaadita.
Jännitteenjakajana käytettävän aistivastuksen sarjaan kytkeminen rajoittaa termistorin läpi kulkevan virran sen pienimpään resistanssiarvoon. Tässä kokoonpanossa aistivastuksen RSENSE arvon on oltava yhtä suuri kuin termistorin resistanssin arvo 25 °C:n vertailulämpötilassa, jotta lähtöjännite on yhtä suuri kuin vertailujännitteen keskipiste nimellislämpötilassa 25 °C. Vastaavasti, jos käytetään 10 kΩ:n termistoria, jonka resistanssi on 10 kΩ 25 °C:ssa, RSENSE:n tulisi olla 10 kΩ. Lämpötilan muuttuessa myös NTC-termistorin resistanssi muuttuu ja myös termistorin yli olevan käyttöjännitteen suhde muuttuu, jolloin lähtöjännite on verrannollinen NTC-termistorin resistanssiin.
Jos termistorin ja/tai RSENSE:n virransyöttöön käytetty valittu jännitereferenssi vastaa mittauksessa käytettyä ADC:n referenssijännitettä, järjestelmä asetetaan ratiometriseen mittaukseen (kuva 7), jolloin kaikki herätteeseen liittyvät virhejännitelähteet esijännitetään niiden poistamiseksi.
Huomaa, että joko aistivastuksen (jänniteohjattu) tai referenssivastuksen (virtaohjattu) alkutoleranssin ja ajautumisen tulisi olla pieni, koska molemmat muuttujat voivat vaikuttaa koko järjestelmän tarkkuuteen.
Useita termistoreja käytettäessä voidaan käyttää yhtä herätejännitettä. Jokaisella termistorilla on kuitenkin oltava oma tarkkuusanturivastus, kuten kuvassa 8 on esitetty. Toinen vaihtoehto on käyttää ulkoista multiplekseria tai matalaresistanssista kytkintä päällä-tilassa, mikä mahdollistaa yhden tarkkuusanturivastuksen jakamisen. Tässä kokoonpanossa jokainen termistori tarvitsee jonkin verran asettumisaikaa mitattaessa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että termistoripohjaisen lämpötilanmittausjärjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon monia kysymyksiä: anturin valinta, anturin johdotus, komponenttien valinnan kompromissit, AD-muuntimen kokoonpano ja miten nämä eri muuttujat vaikuttavat järjestelmän kokonaistarkkuuteen. Tämän sarjan seuraavassa artikkelissa selitetään, miten voit optimoida järjestelmän suunnittelun ja järjestelmän kokonaisvirhebudjetin tavoitellun suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Julkaisun aika: 30.9.2022