Hierdie is die eerste artikel in 'n tweedelige reeks. Hierdie artikel sal eers die geskiedenis en ontwerpuitdagings vantermistor-gebaseerde temperatuurmeetstelsels, sowel as hul vergelyking met weerstandstermometer (RTD) temperatuurmetingstelsels. Dit sal ook die keuse van termistor, konfigurasie-afwegings en die belangrikheid van sigma-delta analoog-na-digitale omsetters (ADC's) in hierdie toepassingsgebied beskryf. Die tweede artikel sal in detail beskryf hoe om die finale termistor-gebaseerde meetstelsel te optimaliseer en te evalueer.
Soos beskryf in die vorige artikelreeks, Optimalisering van RTD-temperatuursensorstelsels, is 'n RTD 'n weerstand waarvan die weerstand met temperatuur wissel. 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 (NTK) termistors verminder hul weerstand soos die temperatuur styg, terwyl positiewe temperatuurkoëffisiënt (PTK) termistors hul weerstand verhoog soos die temperatuur styg. Fig. 1 toon die reaksie-eienskappe van tipiese NTC- en PTC-termistors en vergelyk dit met RTD-krommes.
Wat die temperatuurreeks betref, is die RTD-kromme amper lineêr, en die sensor dek 'n baie wyer 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 krommes verskaf, terwyl termistorkrommes volgens vervaardiger verskil. Ons sal dit in detail bespreek in die termistorkeuse-gidsafdeling van hierdie artikel.
Termistors word gemaak van saamgestelde materiale, gewoonlik keramiek, polimere of halfgeleiers (gewoonlik metaaloksiede) en suiwer metale (platinum, nikkel of koper). Termistors kan temperatuurveranderinge vinniger as RTD's opspoor, wat vinniger terugvoer bied. Daarom word termistors algemeen deur sensors gebruik in toepassings wat lae koste, klein grootte, vinniger reaksie, hoër sensitiwiteit en beperkte temperatuurreeks vereis, soos elektroniese beheer, huis- en geboubeheer, wetenskaplike laboratoriums of koue-voegkompensasie vir termokoppels in kommersiële of industriële toepassings. doeleindes. Toepassings.
In die meeste gevalle word NTC-termistors gebruik vir akkurate temperatuurmeting, nie PTC-termistors nie. Sommige PTC-termistors is beskikbaar wat in oorstroombeskermingskringe of as herstelbare sekerings vir veiligheidstoepassings gebruik kan word. Die weerstand-temperatuurkurwe van 'n PTC-termistor toon 'n baie klein NTC-gebied voordat dit die skakelpunt (of Curie-punt) bereik, waarbo die weerstand skerp styg met verskeie ordes van grootte in die reeks van etlike grade Celsius. Onder oorstroomtoestande sal die PTC-termistor sterk selfverhitting genereer wanneer die skakeltemperatuur oorskry word, en die weerstand daarvan sal skerp styg, wat die insetstroom na die stelsel sal verminder en sodoende skade 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 reeks toepassings nie. Hierdie artikel fokus op NTC-termistors, wat tipies temperature van -80°C tot +150°C kan meet of monitor. NTC-termistors het weerstandsgraderings wat wissel van 'n paar ohm tot 10 MΩ by 25°C. Soos getoon in fig. 1, is die verandering in weerstand per graad Celsius vir termistors meer prominent as vir weerstandstermometers. In vergelyking met termistors, vereenvoudig die termistor se hoë sensitiwiteit en hoë weerstandswaarde die invoerkring, aangesien termistors geen spesiale bedradingskonfigurasie, soos 3-draads of 4-draads, benodig om vir loodweerstand te kompenseer nie. Die termistorontwerp gebruik slegs 'n eenvoudige 2-draadskonfigurasie.
Hoë-presisie termistor-gebaseerde temperatuurmeting vereis presiese seinverwerking, analoog-na-digitale omskakeling, linearisering en kompensasie, soos getoon in fig. 2.
Alhoewel die seinketting eenvoudig mag lyk, is daar verskeie kompleksiteite wat die grootte, koste en werkverrigting van die hele moederbord beïnvloed. ADI se presisie ADC-portefeulje sluit verskeie geïntegreerde oplossings in, soos die AD7124-4/AD7124-8, wat 'n aantal voordele vir termiese stelselontwerp bied, aangesien die meeste van die boustene wat vir 'n toepassing benodig word, ingebou is. Daar is egter verskeie uitdagings in die ontwerp en optimalisering van termistor-gebaseerde temperatuurmetingsoplossings.
Hierdie artikel bespreek elk van hierdie probleme en bied aanbevelings vir die oplossing daarvan en die verdere vereenvoudiging van die ontwerpproses vir sulke stelsels.
Daar is 'n wye verskeidenheid vanNTC-termistorsop die mark vandag, dus die keuse van die regte termistor vir jou toepassing kan 'n uitdagende taak wees. Let daarop dat termistors volgens hul nominale waarde gelys word, wat hul nominale weerstand teen 25°C is. Daarom het 'n 10 kΩ termistor 'n nominale weerstand van 10 kΩ teen 25°C. Termistors het nominale of basiese weerstandswaardes wat wissel van 'n paar ohm tot 10 MΩ. Termistors met lae weerstandsgraderings (nominale weerstand van 10 kΩ of minder) ondersteun tipies laer temperatuurreekse, soos -50°C tot +70°C. Termistors met hoër weerstandsgraderings kan temperature tot 300°C weerstaan.
Die termistor-element is van metaaloksied gemaak. Termistors is beskikbaar in bal-, radiale en SMD-vorms. Termistorkrale is epoksiebedek of glasomhul vir ekstra beskerming. Epoksiebedekte baltermistors, radiale en oppervlaktermistors is geskik vir temperature tot 150°C. Glaskraaltermistors is geskik vir die meting van hoë temperature. Alle soorte bedekkings/verpakking beskerm ook teen korrosie. Sommige termistors sal ook bykomende behuisings hê vir ekstra beskerming in strawwe omgewings. Kraaltermistors het 'n vinniger reaksietyd as radiale/SMD-termistors. Hulle is egter nie so duursaam nie. Daarom hang die tipe termistor wat gebruik word af van die eindtoepassing en die omgewing waarin die termistor geleë is. Die langtermynstabiliteit van 'n termistor hang af van die materiaal, verpakking en ontwerp daarvan. Byvoorbeeld, 'n epoksiebedekte NTC-termistor kan met 0.2°C per jaar verander, terwyl 'n verseëlde termistor slegs met 0.02°C per jaar verander.
Termistors kom in verskillende akkuraatheid. Standaardtermistors het tipies 'n akkuraatheid van 0.5°C tot 1.5°C. Die termistorweerstandgradering en beta-waarde (verhouding van 25°C tot 50°C/85°C) het 'n toleransie. Let daarop dat die beta-waarde van die termistor per 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 temperatuurreeks van 0°C tot 70°C. Daarom bepaal die reeks temperature wat gemeet kan word en die akkuraatheid wat oor daardie temperatuurreeks benodig word of termistors geskik is vir hierdie toepassing. Let asseblief daarop dat hoe hoër die akkuraatheid van die Omega 44xxx-reeks, hoe hoër die koste.
Om weerstand na grade Celsius om te skakel, 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 termistor-datablaaie lys 'n beta-waarde saam met 'n weerstandstoleransie by 25°C en 'n toleransie vir die beta-waarde.
Hoër-presisie termistors en hoë-presisie terminasie-oplossings soos die Omega 44xxx-reeks gebruik die Steinhart-Hart-vergelyking om weerstand na grade Celsius om te skakel. Vergelyking 2 vereis die drie konstantes A, B en C, weer eens verskaf deur die sensorvervaardiger. Omdat die vergelykingskoëffisiënte gegenereer word deur drie temperatuurpunte te gebruik, minimaliseer die gevolglike vergelyking die fout wat deur linearisering veroorsaak word (tipies 0.02 °C).
A, B en C is konstantes afgelei van drie temperatuurinstellings. R = termistorweerstand in ohm T = temperatuur in K grade
Fig. 3 toon die stroomopwekking van die sensor. Dryfstroom word op die termistor toegepas en dieselfde stroom word op die presisieweerstand toegepas; 'n presisieweerstand word as verwysing vir meting gebruik. Die waarde van die verwysingsweerstand moet groter as of gelyk wees aan die hoogste waarde van die termistorweerstand (afhangende van die laagste temperatuur wat in die stelsel gemeet is).
Wanneer die opwekkingsstroom gekies word, 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 is wat aanvaarbaar is vir die elektronika. Die veldstroombron benodig 'n mate van kopruimte of uitsetaanpassing. As die termistor 'n hoë weerstand by die laagste meetbare temperatuur het, sal dit lei tot 'n baie lae aandryfstroom. Daarom is die spanning wat oor die termistor by hoë temperatuur gegenereer word, klein. Programmeerbare versterkingsfases kan gebruik word om die meting van hierdie laevlakseine te optimaliseer. Die versterking moet egter dinamies geprogrammeer word, want die seinvlak van die termistor wissel baie met temperatuur.
Nog 'n opsie is om die versterking in te stel, maar dinamiese aandrywingsstroom te gebruik. Daarom, soos die seinvlak van die termistor verander, verander die aandrywingsstroomwaarde dinamies sodat die spanning wat oor die termistor ontwikkel word binne die gespesifiseerde invoerbereik van die elektroniese toestel is. Die gebruiker moet verseker dat die spanning wat oor die verwysingsweerstand ontwikkel word, ook op 'n vlak is wat aanvaarbaar is vir die elektronika. Beide opsies vereis '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 spanningsopwekking.
Wanneer GS-spanning op die termistor toegepas word, skaal die stroom deur die termistor outomaties soos die termistor se weerstand verander. Deur nou 'n presisie-meetweerstand in plaas van 'n verwysingsweerstand te gebruik, is die doel daarvan om die stroom wat deur die termistor vloei, te bereken, waardeur die termistorweerstand bereken kan word. Aangesien die aandrywingsspanning ook as die ADC-verwysingssein gebruik word, is geen versterkingstadium nodig nie. Die verwerker het nie die taak om die termistorspanning te monitor, te bepaal of die seinvlak deur die elektronika gemeet kan word, en te bereken watter aandrywingswins/stroomwaarde aangepas moet word nie. Dit is die metode wat in hierdie artikel gebruik word.
Indien die termistor 'n klein weerstandgradering en weerstandsbereik het, kan spanning- of stroomopwekking gebruik word. In hierdie geval kan die aandrywingsstroom en -wins vasgestel word. Dus sal die stroombaan wees soos getoon in Figuur 3. Hierdie metode is gerieflik omdat dit moontlik is om die stroom deur die sensor en die verwysingsweerstand te beheer, wat waardevol is in lae-krag toepassings. Boonop word selfverhitting van die termistor geminimaliseer.
Spanningsopwekking kan ook gebruik word vir termistors met lae weerstandgraderings. Die gebruiker moet egter altyd verseker dat die stroom deur die sensor nie te hoog is vir die sensor of toepassing nie.
Spanningsopwekking vereenvoudig implementering wanneer 'n termistor met 'n groot weerstandgradering en 'n wye temperatuurreeks gebruik word. Groter nominale weerstand bied 'n aanvaarbare vlak van gegradeerde stroom. Ontwerpers moet egter verseker 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 wanneer 'n termistor-metingstelsel ontwerp word. Eerstens, omdat die sigma-delta ADC die analoog-invoer hermonster, word eksterne filtering tot 'n minimum beperk en die enigste vereiste is 'n eenvoudige RC-filter. Hulle bied buigsaamheid in filtertipe en uitvoer-baudtempo. Ingeboude digitale filtering kan gebruik word om enige interferensie in toestelle wat deur die netstroom aangedryf word, te onderdruk. 24-bis toestelle soos die AD7124-4/AD7124-8 het 'n volle resolusie van tot 21.7 bisse, dus bied hulle hoë resolusie.
Die gebruik van 'n sigma-delta ADC vereenvoudig die termistorontwerp aansienlik terwyl dit spesifikasie, stelselkoste, bordruimte en tyd tot mark verminder.
Hierdie artikel gebruik die AD7124-4/AD7124-8 as die ADC omdat hulle lae-geraas, lae-stroom, presisie ADC's is met ingeboude PGA, ingeboude verwysing, analoog invoer en verwysingsbuffer.
Ongeag of jy aandrywingsstroom of aandrywingsspanning gebruik, word 'n ratiometriese konfigurasie aanbeveel waarin die verwysingspanning en sensorspanning van dieselfde aandrywingsbron afkomstig is. Dit beteken dat enige verandering in die opwekkingsbron nie die akkuraatheid van die meting sal beïnvloed nie.
Fig. 5 toon die konstante aandryfstroom vir die termistor en presisieweerstand RREF. Die spanning wat oor RREF ontwikkel word, is die verwysingspanning vir die meting van die termistor.
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 bo spanningsopwekking verkies as gevolg van beter sensitiwiteitsbeheer en beter ruisimmuniteit wanneer die sensor op afgeleë plekke geleë is. Hierdie tipe voorspanningsmetode 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 egter groter wees, dus word spanningsopwekking gebruik. Byvoorbeeld, 'n 10 kΩ termistor het 'n weerstand van 10 kΩ by 25°C. By -50°C is die weerstand van die NTC-termistor 441.117 kΩ. Die minimum aandrywingsstroom van 50 µA wat deur die AD7124-4/AD7124-8 verskaf word, genereer 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat te hoog is en buite die bedryfsbereik van die meeste beskikbare ADC's wat in hierdie toepassingsgebied gebruik word. Termistors word ook gewoonlik naby die elektronika gekoppel of geleë, dus is immuniteit teen dryfstroom nie nodig nie.
Deur 'n sensorweerstand in serie as 'n spanningsverdelerkring by te voeg, sal die stroom deur die termistor tot sy minimum weerstandswaarde beperk word. In hierdie konfigurasie moet die waarde van die sensorweerstand RSENSE 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°CC. Net so, as 'n 10 kΩ termistor met 'n weerstand van 10 kΩ by 25°C gebruik word, moet RSENSE 10 kΩ wees. Soos die temperatuur verander, verander die weerstand van die NTC-termistor ook, en die verhouding van die aandryfspanning oor die termistor verander ook, wat daartoe lei dat die uitsetspanning eweredig is aan die weerstand van die NTC-termistor.
Indien die gekose spanningsverwysing wat gebruik word om die termistor en/of RSENSE aan te dryf, ooreenstem met die ADC-verwysingspanning wat vir meting gebruik word, word die stelsel op ratiometriese meting gestel (Figuur 7) sodat enige opwekkingsverwante foutspanningsbron bevooroordeel sal wees om te verwyder.
Let daarop dat óf die sensorweerstand (spanningsgedrewe) óf die verwysingsweerstand (stroomgedrewe) 'n lae aanvanklike toleransie en lae drywing moet hê, aangesien beide veranderlikes die akkuraatheid van die hele stelsel kan beïnvloed.
Wanneer veelvuldige termistors gebruik word, kan een opwekkingspanning gebruik word. Elke termistor moet egter sy eie presisie-waarnemingsweerstand hê, soos getoon in fig. 8. Nog 'n opsie is om 'n eksterne multiplekser of lae-weerstandskakelaar in die aan-toestand te gebruik, wat dit moontlik maak om een presisie-waarnemingsweerstand te deel. Met hierdie konfigurasie benodig elke termistor 'n mate van stabiliseringstyd wanneer dit gemeet word.
Kortliks, wanneer 'n termistor-gebaseerde temperatuurmetingstelsel ontwerp word, is daar baie vrae om te oorweeg: sensorkeuse, sensorbedrading, komponentkeuse-afwegings, ADC-konfigurasie, en hoe hierdie verskillende veranderlikes die algehele akkuraatheid van die stelsel beïnvloed. Die volgende artikel in hierdie reeks verduidelik hoe om jou stelselontwerp en algehele stelselfoutbegroting te optimaliseer om jou teikenprestasie te bereik.
Plasingstyd: 30 September 2022