Hierdie is die eerste artikel in 'n tweedelige reeks.Hierdie artikel sal eers die geskiedenis en ontwerpuitdagings vantermistor-gebaseerde temperatuurmetingstelsels, asook hul vergelyking met weerstandstermometer (RTD) temperatuurmetingstelsels.Dit sal ook die keuse van termistor, konfigurasie-afwegings en die belangrikheid van sigma-delta analoog-na-digitaal-omsetters (ADC's) in hierdie toepassingsgebied beskryf.Die tweede artikel sal besonderhede verskaf oor hoe om die finale termistor-gebaseerde metingstelsel 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 verskil.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 verlaag hul weerstand soos die temperatuur styg, terwyl positiewe temperatuurkoëffisiënt (PTC) termistors hul weerstand verhoog soos die temperatuur styg.Op fig.1 toon die responseienskappe van tipiese NTC- en PTC-termistors en vergelyk dit met RTD-kurwes.
Wat temperatuurreeks betref, is die RTD-kromme byna lineêr, en die sensor dek 'n baie 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 verskaf, terwyl termistorkurwes volgens vervaardiger verskil.Ons sal dit in detail bespreek in die termistorseleksiegids-afdeling 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 opspoor as RTD's, wat vinniger terugvoer verskaf.Daarom word termistors algemeen gebruik deur sensors 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 aansluitingsvergoeding 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 oorstroombeskermingskringe of as herinstelbare versmeltings vir veiligheidstoepassings.Die weerstand-temperatuur-kromme van 'n PTC-termistor toon 'n baie klein NTC-gebied voordat die skakelpunt (of Curie-punt) bereik word, waarbo die weerstand skerp styg met verskeie ordes van grootte in die reeks van verskeie grade Celsius.Onder oorstroomtoestande sal die PTC-termistor sterk selfverhitting genereer wanneer die skakeltemperatuur oorskry word, en sy weerstand 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 wat wissel van -80°C tot +150°C kan meet of monitor.NTC-termistors het weerstandgraderings wat wissel van 'n paar ohm tot 10 MΩ by 25°C.Soos in fig.1, is die verandering in weerstand per graad Celsius vir termistors meer uitgesproke as vir weerstandstermometers.In vergelyking met termistors, vereenvoudig die termistor se hoë sensitiwiteit en hoë weerstandswaarde sy insetkringe, aangesien termistors geen spesiale bedradingkonfigurasie, soos 3-draad of 4-draad, benodig om te kompenseer vir loodweerstand nie.Die termistorontwerp gebruik slegs 'n eenvoudige 2-draadkonfigurasie.
Hoë-presisie termistor-gebaseerde temperatuurmeting vereis presiese seinverwerking, analoog-na-digitaal omskakeling, linearisering en kompensasie, soos in fig.2.
Alhoewel die seinketting eenvoudig kan 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 meeste van die boublokke 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 kwessies en verskaf 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, so 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 by 25°C is.Daarom het 'n 10 kΩ termistor '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 lae weerstandgraderings (nominale weerstand van 10 kΩ of minder) ondersteun tipies laer temperatuurreekse, soos -50°C tot +70°C.Termistors met hoër weerstandgraderings kan temperature tot 300°C weerstaan.
Die termistorelement is gemaak van metaaloksied.Termistors is beskikbaar in bal, radiale en SMD vorms.Termistor krale is epoksie bedek of glas ingekapsuleer vir ekstra beskerming.Epoksie-bedekte bal termistors, radiale en oppervlak termistors is geskik vir temperature tot 150°C.Glaskrale termistors 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 moeilike 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 sy materiaal, verpakking en ontwerp.Byvoorbeeld, 'n epoksiebedekte NTC-termistor kan 0,2°C per jaar verander, terwyl 'n verseëlde termistor net 0,02°C per jaar verander.
Termistors kom in verskillende akkuraatheid.Standaard termistors het tipies 'n akkuraatheid van 0,5°C tot 1,5°C.Die termistorweerstandgradering en betawaarde (verhouding van 25°C tot 50°C/85°C) het 'n toleransie.Let daarop dat die beta-waarde van die termistor volgens 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 vereis word of termistors geskik is vir hierdie toepassing.Neem asseblief kennis dat hoe hoër die akkuraatheid van die Omega 44xxx-reeks is, hoe hoër is 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 betawaarde naaste aan die temperatuurreeks wat in die projek gebruik word.Die meeste termistordatablaaie lys 'n betawaarde saam met 'n weerstandstoleransie by 25°C en 'n toleransie vir die betawaarde.
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 verskaf deur die sensorvervaardiger.Omdat die vergelykingskoëffisiënte gegenereer word deur gebruik te maak van drie temperatuurpunte, verminder die resulterende vergelyking die fout wat deur linearisering ingestel word (tipies 0,02 °C).
A, B en C is konstantes wat van drie temperatuurstelpunte afgelei word.R = termistorweerstand in ohm T = temperatuur in K grade
Op fig.3 toon die huidige opwekking van die sensor.Aandryfstroom 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 vir die elektronika aanvaarbaar is.Die veldstroombron vereis 'n mate van kopruimte of uitsetpassing.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 versterkingstadiums kan gebruik word om die meting van hierdie laevlak seine te optimaliseer.Die wins moet egter dinamies geprogrammeer word omdat die seinvlak van die termistor baie verskil met temperatuur.
Nog 'n opsie is om die wins te stel, maar gebruik dinamiese dryfstroom.Daarom, soos die seinvlak van die termistor verander, verander die dryfstroomwaarde dinamies sodat die spanning wat oor die termistor ontwikkel word binne die gespesifiseerde insetreeks van die elektroniese toestel is.Die gebruiker moet verseker dat die spanning wat oor die verwysingsweerstand ontwikkel word ook op 'n vlak is wat vir die elektronika aanvaarbaar is.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 spanning opwekking.
Wanneer GS-spanning op die termistor toegepas word, skaal die stroom deur die termistor outomaties soos die termistor se weerstand verander.Nou, 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, sodat die termistorweerstand bereken kan word.Aangesien die dryfspanning ook as die ADC-verwysingsein gebruik word, is geen versterkingstadium 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 om te bereken watter aandryfversterking/stroomwaarde aangepas moet word.Dit is die metode wat in hierdie artikel gebruik word.
As die termistor 'n klein weerstandgradering en weerstandsreeks het, kan spanning of stroomopwekking gebruik word.In hierdie geval kan die dryfstroom en wins vasgestel word.Die stroombaan sal dus wees soos in Figuur 3 getoon. Hierdie metode is gerieflik deurdat dit moontlik is om die stroom deur die sensor en die verwysingsweerstand te beheer, wat waardevol is in laekragtoepassings.Daarbenewens word selfverhitting van die termistor tot die minimum beperk.
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 nominale 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 termistormetingstelsel ontwerp word.Eerstens, omdat die sigma-delta ADC die analoog insette hermonster, word eksterne filtering tot 'n minimum beperk en die enigste vereiste is 'n eenvoudige RC-filter.Hulle bied buigsaamheid in filter tipe en uitset baud rate.Ingeboude digitale filtering kan gebruik word om enige steuring in netaangedrewe toestelle te onderdruk.24-bis-toestelle soos die AD7124-4/AD7124-8 het 'n volle resolusie van tot 21,7 bisse, so hulle bied 'n hoë resolusie.
Die gebruik van 'n sigma-delta ADC vereenvoudig die termistorontwerp aansienlik, terwyl spesifikasie, stelselkoste, bordspasie en tyd tot mark verminder word.
Hierdie artikel gebruik die AD7124-4/AD7124-8 as die ADC omdat hulle lae geraas, lae stroom, presisie ADC's met ingeboude PGA, ingeboude verwysing, analoog insette en verwysingsbuffer is.
Ongeag of jy dryfstroom of dryfspanning gebruik, word 'n ratiometriese konfigurasie aanbeveel waarin die verwysingsspanning en sensorspanning van dieselfde dryfbron kom.Dit beteken dat enige verandering in die opwekkingsbron nie die akkuraatheid van die meting sal beïnvloed nie.
Op fig.5 toon die konstante dryfstroom vir die termistor en presisieweerstand RREF, die spanning wat oor RREF ontwikkel word, is die verwysingsspanning 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 spanningopwekking verkies as gevolg van uitstekende sensitiwiteitsbeheer en beter geraasimmuniteit wanneer die sensor op afgeleë plekke geleë is.Hierdie tipe vooroordeelmetode 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 spanningopwekking 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 dryfstroom 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 bedryfsgebied van die meeste beskikbare ADC's wat in hierdie toepassingsgebied gebruik word.Termistors is ook gewoonlik gekoppel of naby die elektronika geleë, dus is immuniteit om stroom aan te dryf nie nodig nie.
Die byvoeging van 'n voelweerstand in serie as 'n spanningverdelerkring sal die stroom deur die termistor tot sy minimum weerstandswaarde beperk.In hierdie konfigurasie moet die waarde van die voelweerstand 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 verwysingsspanning 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 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 ratiometriese meting (Figuur 7) sodat enige opwekkingsverwante foutspanningsbron bevooroordeeld sal wees om te verwyder.
Let daarop dat óf die sensorweerstand (spanningsgedrewe) óf die verwysingsweerstand (stroomaangedrewe) '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 opwekkingsspanning gebruik word.Elke termistor moet egter sy eie presisiesensorweerstand hê, soos in fig.8. Nog 'n opsie is om 'n eksterne multiplekser of lae-weerstand skakelaar in die aan-toestand te gebruik, wat dit moontlik maak om een presisie-sensorweerstand te deel.Met hierdie konfigurasie benodig elke termistor 'n bietjie afsaktyd wanneer dit gemeet word.
Ter opsomming, wanneer 'n termistor-gebaseerde temperatuurmetingstelsel ontwerp word, is daar baie vrae om te oorweeg: sensorkeuse, sensorbedrading, komponentkeuse-afruilings, 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.
Postyd: 30 September 2022