Dit is die eerste artikel in 'n tweedelige reeks. Hierdie artikel bespreek eerstens die geskiedenis en ontwerpuitdagings vantermistor-gebaseerde temperatuurMetingstelsels, sowel as hul vergelyking met die weerstand termometer (RTD) temperatuurmetingstelsels. Dit sal ook die keuse van termistor, konfigurasie-inruilings en die belangrikheid van Sigma-delta-analoog-tot-digitale omsetters (ADC's) in hierdie toepassingsgebied beskryf. In die tweede artikel word uiteengesit hoe om die finale thermistor-gebaseerde metingstelsel te optimaliseer en te evalueer.
Soos beskryf in die vorige artikelreeks, is die optimalisering van RTD -temperatuursensorstelsels, 'n RTD 'n weerstand waarvan die weerstand wissel met temperatuur. Termistors werk soortgelyk aan RTD's. Anders as RTD's, wat slegs 'n positiewe temperatuurkoëffisiënt het, kan 'n termistor 'n positiewe of negatiewe temperatuurkoëffisiënt hê. Negatiewe temperatuurkoëffisiënt (NTC) termistors verminder hul weerstand namate die temperatuur styg, terwyl die positiewe temperatuurkoëffisiënt (PTC) -termistors hul weerstand verhoog namate die temperatuur styg. Op fig. 1 toon die responskenmerke van tipiese NTC- en PTC -termistors en vergelyk dit met RTD -krommes.
Wat die temperatuurbereik betref, is die RTD -kromme byna lineêr, en die sensor dek 'n veel groter temperatuurreeks as termistors (tipies -200 ° C tot +850 ° C) as gevolg van die nie -lineêre (eksponensiële) aard van die termistor. RTD's word gewoonlik in bekende gestandaardiseerde kurwes voorsien, terwyl termistorkrommes volgens die vervaardiger verskil. Ons sal dit breedvoerig bespreek in die afdeling Thermistor Selector Guide van hierdie artikel.
Termistors is gemaak van saamgestelde materiale, gewoonlik keramiek, polimere of halfgeleiers (gewoonlik metaaloksiede) en suiwer metale (platinum, nikkel of koper). Termistors kan temperatuurveranderinge vinniger opspoor as RTD's, wat vinniger terugvoer gee. Daarom word termistors gereeld deur sensors gebruik in toepassings wat lae koste, klein grootte, vinniger respons, hoër sensitiwiteit en beperkte temperatuurbereik benodig, soos elektroniese beheer, tuis- en boubeheer, wetenskaplike laboratoriums, of vergoeding vir koue aansluiting vir termokoppels in kommersiële of industriële toepassings. doeleindes. Aansoeke.
In die meeste gevalle word NTC -termistors gebruik vir akkurate temperatuurmeting, nie PTC -termistors nie. Sommige PTC -termistors is beskikbaar wat gebruik kan word in oorstroombeskermingsbane of as hervestigbare versmeltings vir veiligheidstoepassings. Die weerstand-temperatuurkurwe van 'n PTC-termistor toon 'n baie klein NTC-streek voordat u die skakelpunt (of curie-punt) bereik, waarbinne die weerstand skerp styg met verskeie grootte-ordes in die reeks van verskillende grade Celsius. Onder die oormatige toestande sal die PTC-termistor sterk selfverhitting opwek wanneer die skakeltemperatuur oorskry word, en die weerstand daarvan sal skerp styg, wat die insetstroom na die stelsel sal verminder en sodoende skade sal voorkom. Die skakelpunt van PTC -termistors is tipies tussen 60 ° C en 120 ° C en is nie geskik vir die beheer van temperatuurmetings in 'n wye verskeidenheid toepassings nie. Hierdie artikel fokus op NTC -termistors, wat die temperatuur tipies kan meet of monitor wat wissel van -80 ° C tot +150 ° C. NTC -termistors het weerstandsgraderings wat wissel van 'n paar ohm tot 10 MΩ by 25 ° C. Soos getoon in Fig. 1, die verandering in weerstand per graad Celsius vir termistors is meer uitgesproke as vir weerstand termometers. In vergelyking met termistors, vereenvoudig die hoë sensitiwiteit van die termistor en die hoë weerstandwaarde die insetstroombane, aangesien termistors geen spesiale bedradingskonfigurasie, soos 3-draad of 4-draad, benodig om te kompenseer vir loodweerstand nie. Die Thermistor-ontwerp gebruik slegs 'n eenvoudige 2-draadkonfigurasie.
Hoë-presisie-termistor-gebaseerde temperatuurmeting vereis presiese seinverwerking, analoog-tot-digitale omskakeling, linearisering en kompensasie, soos getoon in Fig. 2.
Alhoewel die seinketting eenvoudig kan lyk, is daar verskillende ingewikkeldhede wat die grootte, koste en werkverrigting van die hele moederbord beïnvloed. ADI se presisie-ADC-portefeulje bevat verskeie geïntegreerde oplossings, soos die AD7124-4/AD7124-8, wat 'n aantal voordele bied vir die ontwerp van termiese stelsels, aangesien die meeste van die boustene wat nodig is vir 'n toepassing is, ingebou is. Daar is egter verskillende uitdagings in die ontwerp en optimalisering van termistor-gebaseerde temperatuurmetingsoplossings.
Hierdie artikel bespreek elk van hierdie kwessies en bied aanbevelings om dit op te los en die ontwerpproses vir sulke stelsels verder te vereenvoudig.
Daar is 'n groot verskeidenheidNTC ThermistorsDit is 'n vreesaanjaende taak op die mark vandag, dus die keuse van die regte termistor vir u aansoek kan 'n vreesaanjaende taak wees. Let daarop dat termistors gelys word deur hul nominale waarde, wat hul nominale weerstand by 25 ° C is. Daarom het 'n termistor van 10 kΩ 'n nominale weerstand van 10 kΩ by 25 ° C. Termistors het nominale of basiese weerstandswaardes wat wissel van 'n paar ohm tot 10 MΩ. Termistors met 'n lae weerstandigheidsbeoordeling (nominale weerstand van 10 kΩ of minder) ondersteun tipies laer temperatuurreekse, soos -50 ° C tot +70 ° C. Termistors met hoër weerstandsgraderings kan die temperatuur tot 300 ° C weerstaan.
Die termistorelement is van metaaloksied. Termistors is beskikbaar in bal-, radiale- en SMD -vorms. Termistorkrale is epoxy bedek of glas wat vir ekstra beskerming opgeneem is. Epoxy bedekte baltermistors, radiale en oppervlaktermistors is geskik vir temperature tot 150 ° C. Thermistors van glaskrale is geskik vir die meting van hoë temperature. Alle soorte bedekkings/verpakking beskerm ook teen korrosie. Sommige termistors het ook bykomende huise vir ekstra beskerming in harde omgewings. Kraaltermistors het 'n vinniger responstyd as radiale/SMD -termistors. Hulle is egter nie so duursaam nie. Daarom hang die tipe termistor wat gebruik word, afhang van die eindtoepassing en die omgewing waarin die termistor geleë is. Die langtermynstabiliteit van 'n termistor hang af van die materiaal, verpakking en ontwerp. Byvoorbeeld, 'n epoxy-bedekte NTC-termistor kan 0,2 ° C per jaar verander, terwyl 'n verseëlde termistor slegs 0,02 ° C per jaar verander.
Termistors kom in verskillende akkuraatheid voor. Standaardtermistors het tipies 'n akkuraatheid van 0,5 ° C tot 1,5 ° C. Die thermistorweerstandsgradering en beta -waarde (verhouding van 25 ° C tot 50 ° C/85 ° C) het 'n verdraagsaamheid. Let daarop dat die beta -waarde van die termistor volgens die vervaardiger verskil. Byvoorbeeld, 10 kΩ NTC -termistors van verskillende vervaardigers sal verskillende beta -waardes hê. Vir meer akkurate stelsels kan termistors soos die Omega ™ 44xxx -reeks gebruik word. Hulle het 'n akkuraatheid van 0,1 ° C of 0,2 ° C oor 'n temperatuurbereik van 0 ° C tot 70 ° C. Daarom bepaal die temperatuurreeks wat gemeet kan word en die akkuraatheid wat benodig word oor die temperatuurbereik of termistors geskik is vir hierdie toepassing. Let daarop dat hoe hoër die akkuraatheid van die Omega 44xxx -reeks is, hoe hoër is die koste.
Om weerstand teen grade Celsius te omskep, word die beta -waarde gewoonlik gebruik. Die beta -waarde word bepaal deur die twee temperatuurpunte en die ooreenstemmende weerstand by elke temperatuurpunt te ken.
RT1 = Temperatuurweerstand 1 RT2 = Temperatuurweerstand 2 T1 = Temperatuur 1 (K) T2 = Temperatuur 2 (K)
Die gebruiker gebruik die beta -waarde naaste aan die temperatuurreeks wat in die projek gebruik word. Die meeste Thermistor -datablaaie noem 'n beta -waarde saam met 'n weerstandsverdraagsaamheid by 25 ° C en 'n verdraagsaamheid vir die beta -waarde.
Hoër presisie-termistors en oplossings met 'n hoë presisie-beëindiging, soos die omega 44xxx-reeks, gebruik die Steinhart-Hart-vergelyking om weerstand te omskep na grade Celsius. Vergelyking 2 benodig die drie konstantes A, B en C, weer deur die sensorvervaardiger. Aangesien die vergelykingskoëffisiënte met behulp van drie temperatuurpunte gegenereer word, verminder die resulterende vergelyking die fout wat deur linearisering aangebring is (tipies 0,02 ° C).
A, B en C is konstantes afgelei van drie temperatuurstelpunte. R = termistorweerstand in ohm t = temperatuur in k grade
Op fig. 3 toon die huidige opwinding van die sensor. Dryfstroom word op die termistor toegepas en dieselfde stroom word op die presisieweerstand toegepas; 'N Presisieweerstand word gebruik as verwysing vir meting. Die waarde van die verwysingsweerstand moet groter wees as of gelyk aan die hoogste waarde van die termistorweerstand (afhangende van die laagste temperatuur gemeet in die stelsel).
Wanneer die opwindingsstroom kies, moet die maksimum weerstand van die termistor weer in ag geneem word. Dit verseker dat die spanning oor die sensor en die verwysingsweerstand altyd op 'n vlak aanvaarbaar is vir die elektronika. Die veld huidige bron benodig 'n mate van kopruimte of uitsetaanpassing. As die termistor 'n hoë weerstand by die laagste meetbare temperatuur het, sal dit 'n baie lae dryfstroom tot gevolg hê. Daarom is die spanning wat oor die termistor by hoë temperatuur gegenereer word, klein. Programmeerbare winsfases kan gebruik word om die meting van hierdie lae vlakseine te optimaliseer. Die wins moet egter dinamies geprogrammeer word omdat die seinvlak van die termistor baie verskil van temperatuur.
'N Ander opsie is om die wins in te stel, maar dinamiese dryfstroom te gebruik. Namate die seinvlak vanaf die termistor verander, verander die dryfstroomwaarde dinamies, sodat die spanning wat oor die termistor ontwikkel is, binne die gespesifiseerde invoerbereik van die elektroniese toestel is. Die gebruiker moet toesien dat die spanning wat oor die verwysingsweerstand ontwikkel word, ook op 'n vlak aanvaarbaar is vir die elektronika. Albei opsies benodig 'n hoë vlak van beheer, konstante monitering van die spanning oor die termistor sodat die elektronika die sein kan meet. Is daar 'n makliker opsie? Oorweeg spanning -opwinding.
Wanneer GS -spanning op die termistor toegepas word, skaal die stroom deur die termistor outomaties namate die weerstand van die termistor verander. Met behulp van 'n presisie meetweerstand in plaas van 'n verwysingsweerstand, is die doel daarvan om die stroom wat deur die termistor vloei, te bereken, waardeur die termistorweerstand bereken kan word. Aangesien die dryfspanning ook as die ADC -verwysingssein gebruik word, is geen winsstadium nodig nie. Die verwerker het nie die taak om die termistorspanning te monitor nie, om te bepaal of die seinvlak deur die elektronika gemeet kan word, en bereken watter dryfversterking/stroomwaarde aangepas moet word. Dit is die metode wat in hierdie artikel gebruik word.
As die termistor 'n klein weerstandsgradering en weerstandsbereik het, kan spanning of stroomopwekking gebruik word. In hierdie geval kan die dryfstroom en wins reggestel word. Die stroombaan sal dus wees soos getoon in Figuur 3. Hierdie metode is gerieflik deurdat dit moontlik is om die stroom deur die sensor en die verwysingsweerstand te beheer, wat waardevol is in lae -kragtoepassings. Daarbenewens word selfverhitting van die termistor tot die minimum beperk.
Spanning -opwinding kan ook gebruik word vir termistors met lae weerstandigheidsbeoordelings. Die gebruiker moet egter altyd sorg dat die stroom deur die sensor nie te hoog is vir die sensor of toepassing nie.
Spanningsopwekking vergemaklik die implementering by die gebruik van 'n termistor met 'n groot weerstandsgradering en 'n wye temperatuurbereik. Groter nominale weerstand bied 'n aanvaarbare vlak van die nominale stroom. Ontwerpers moet egter toesien dat die stroom op 'n aanvaarbare vlak is oor die hele temperatuurreeks wat deur die toepassing ondersteun word.
Sigma-Delta ADC's bied verskeie voordele by die ontwerp van 'n termistor-metingstelsel. Eerstens, omdat die Sigma-delta ADC die analoog-inset hermonster, word eksterne filter tot 'n minimum beperk, en die enigste vereiste is 'n eenvoudige RC-filter. Dit bied buigsaamheid in die filtertipe en die uitset -baud -koers. Ingeboude digitale filter kan gebruik word om enige interferensie in hooftoestelle te onderdruk. 24-bis-toestelle soos die AD7124-4/AD7124-8 het 'n volledige resolusie van tot 21,7 bisse, dus bied dit 'n hoë resolusie.
Die gebruik van 'n Sigma-delta ADC vereenvoudig die termistor-ontwerp baie, terwyl die spesifikasie, stelselkoste, boordruimte en tyd om te bemark, verminder word.
Hierdie artikel gebruik die AD7124-4/AD7124-8 as die ADC omdat dit lae geraas, lae stroom, presisie-ADC's is met ingeboude PGA, ingeboude verwysing, analoog-invoer en verwysingsbuffer.
Ongeag of u dryfstroom of dryfspanning gebruik, word 'n verhoudingsinstelling aanbeveel waarin die verwysingspanning en sensorspanning van dieselfde dryfbron kom. Dit beteken dat enige verandering in die opwindingsbron nie die akkuraatheid van die meting sal beïnvloed nie.
Op fig. 5 toon die konstante dryfstroom vir die termistor en die presisie -weerstandsref, die spanning wat oor RREF ontwikkel is, is die verwysingsspanning om die termistor te meet.
Die veldstroom hoef nie akkuraat te wees nie en kan minder stabiel wees, aangesien enige foute in die veldstroom in hierdie konfigurasie uitgeskakel sal word. Oor die algemeen word stroomopwekking verkies bo spanning -opwinding as gevolg van uitstekende sensitiwiteitskontrole en beter geraasimmuniteit wanneer die sensor op afgeleë plekke geleë is. Hierdie tipe vooroordeel -metode word tipies gebruik vir RTD's of termistors met lae weerstandswaardes. Vir 'n termistor met 'n hoër weerstandswaarde en hoër sensitiwiteit, sal die seinvlak wat deur elke temperatuurverandering gegenereer word groter wees, dus word spanning -opwekking gebruik. Byvoorbeeld, 'n termistor van 10 kΩ het 'n weerstand van 10 kΩ by 25 ° C. By -50 ° C is die weerstand van die NTC -termistor 441.117 kΩ. Die minimum dryfstroom van 50 µA wat deur die AD7124-4/AD7124-8 voorsien word, genereer 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat te hoog is en buite die bedryfsreeks van die meeste beskikbare ADC's wat in hierdie toepassingsarea gebruik word. Termistors is ook gewoonlik gekoppel of naby die elektronika geleë, dus is immuniteit om stroom te dryf nie nodig nie.
As u 'n sintuigweerstand in serie as 'n spanningsverdeler -stroombaan byvoeg, sal die stroom deur die termistor tot sy minimum weerstandswaarde beperk. In hierdie konfigurasie moet die waarde van die sintuigweerstand gelyk wees aan die waarde van die termistorweerstand by 'n verwysingstemperatuur van 25 ° C, sodat die uitsetspanning gelyk sal wees aan die middelpunt van die verwysingspanning by sy nominale temperatuur van 25 ° C op soortgelyke wyse, as 'n 10 kΩ -termistor met 'n weerstand van 10 kΩ by 25 ° C gebruik word, moet Rsense 10 kΩ wees. Namate die temperatuur verander, verander die weerstand van die NTC -termistor ook, en die verhouding van die dryfspanning oor die termistor verander ook, wat daartoe lei dat die uitsetspanning eweredig is aan die weerstand van die NTC -termistor.
As die geselekteerde spanningsverwysing wat gebruik word om die termistor en/of rsense aan te dryf, ooreenstem met die ADC-verwysingsspanning wat vir meting gebruik word, is die stelsel ingestel op verhoudingsmeting (Figuur 7), sodat enige opwekkingsverwante foutspanningsbron bevooroordeeld sal wees om te verwyder.
Let daarop dat óf die sintuigweerstand (spanningsgedrewe) óf die verwysingsweerstand (stroomgedrewe) 'n lae aanvanklike verdraagsaamheid en lae drywing moet hê, aangesien beide veranderlikes die akkuraatheid van die hele stelsel kan beïnvloed.
As u veelvuldige termistors gebruik, kan een opwindingspanning gebruik word. Elke termistor moet egter sy eie presisie -sintuigweerstand hê, soos getoon in Fig. 8. 'n Ander opsie is om 'n eksterne multiplexer of 'n lae-weerstandskakelaar in die AAN-toestand te gebruik, waardeur een presisie-sintuigweerstand kan deel. Met hierdie konfigurasie het elke termistor 'n mate van aflooptyd nodig as dit gemeet word.
Samevattend is daar baie vrae wat u moet oorweeg by die ontwerp van 'n termistor-gebaseerde temperatuurmetingstelsel: sensorseleksie, sensorbedrading, komponentkeuse-inruilings, ADC-konfigurasie en hoe hierdie verskillende veranderlikes die algehele akkuraatheid van die stelsel beïnvloed. Die volgende artikel in hierdie reeks verduidelik hoe u u stelselontwerp en algehele stelselfoutbegroting moet optimaliseer om u teikenprestasie te bereik.
Postyd: Sep-30-2022