Acesta este primul articol dintr-o serie din două părți. Acest articol va discuta mai întâi despre istoricul și designul provocărilorTemperatura bazată pe termistorSisteme de măsurare, precum și compararea lor cu sistemele de măsurare a temperaturii termometrului de rezistență (RTD). De asemenea, va descrie alegerea termistorului, a compromisurilor de configurare și a importanței convertoarelor analog-digitale Sigma-Delta (ADC) în această zonă de aplicație. Cel de-al doilea articol va detalia modul de optimizare și evaluare a sistemului final de măsurare bazat pe termistor.
Așa cum s -a descris în seria de articole anterioare, optimizarea sistemelor de senzori de temperatură RTD, un RTD este un rezistor a cărui rezistență variază cu temperatura. Termistorii funcționează în mod similar cu RTD. Spre deosebire de RTD, care au doar un coeficient de temperatură pozitiv, un termistor poate avea un coeficient de temperatură pozitiv sau negativ. Termistorii coeficientului de temperatură negativă (NTC) își scad rezistența pe măsură ce temperatura crește, în timp ce termistorii coeficientului de temperatură pozitiv (PTC) își cresc rezistența pe măsură ce temperatura crește. Pe fig. 1 prezintă caracteristicile de răspuns ale termistorilor tipici NTC și PTC și le compară cu curbele RTD.
În ceea ce privește intervalul de temperatură, curba RTD este aproape liniară, iar senzorul acoperă un interval de temperatură mult mai larg decât termistorii (de obicei -200 ° C până la +850 ° C) datorită naturii neliniare (exponențiale) a termistorului. RTD-urile sunt de obicei furnizate în curbe binecunoscute standardizate, în timp ce curbele termistorului variază în funcție de producător. Vom discuta acest lucru în detaliu în secțiunea Ghid de selecție a termistorului din acest articol.
Termistoarele sunt fabricate din materiale compozite, de obicei ceramică, polimeri sau semiconductori (de obicei oxizi metalici) și metale pure (platină, nichel sau cupru). Termistorii pot detecta schimbările de temperatură mai repede decât RTD -urile, oferind feedback mai rapid. Prin urmare, termistorii sunt utilizați în mod obișnuit de senzori în aplicații care necesită costuri reduse, dimensiuni mici, răspuns mai rapid, sensibilitate mai mare și interval de temperatură limitat, cum ar fi controlul electronic, controlul locuinței și clădirilor, laboratoarele științifice sau compensarea joncțiunilor la rece pentru termocuple în comerț comercial sau aplicații industriale. scopuri. Aplicații.
În cele mai multe cazuri, termistoarele NTC sunt utilizate pentru măsurarea exactă a temperaturii, nu pentru termistorii PTC. Unele termistoare PTC sunt disponibile care pot fi utilizate în circuite de protecție la supracurent sau ca siguranțe resetabile pentru aplicații de siguranță. Curba de rezistență-temperatură a unui termistor PTC arată o regiune NTC foarte mică înainte de a ajunge la punctul de comutare (sau punctul Curie), deasupra căreia rezistența se ridică brusc cu mai multe ordine de mărime în intervalul de mai multe grade Celsius. În condiții de supracurență, termistorul PTC va genera o auto-încălzire puternică atunci când temperatura de comutare este depășită, iar rezistența sa va crește brusc, ceea ce va reduce curentul de intrare la sistem, prevenind astfel deteriorarea. Punctul de comutare al termistorilor PTC este de obicei între 60 ° C și 120 ° C și nu este potrivit pentru controlul măsurătorilor temperaturii într -o gamă largă de aplicații. Acest articol se concentrează pe termistorii NTC, care pot măsura sau monitoriza de obicei temperaturile cuprinse între -80 ° C și +150 ° C. Termistorii NTC au calificări de rezistență variind de la câțiva ohmi la 10 MΩ la 25 ° C. Așa cum se arată în Fig. 1, modificarea rezistenței la grad Celsius pentru termistori este mai pronunțată decât pentru termometrele de rezistență. În comparație cu termistorii, valoarea de sensibilitate ridicată a termistorului și rezistență ridicată simplifică circuitele sale de intrare, deoarece termistorii nu necesită nicio configurație specială de cablare, cum ar fi 3 fire sau 4 fire, pentru a compensa rezistența la plumb. Designul Thermistor folosește doar o configurație simplă cu 2 fire.
Măsurarea temperaturii pe bază de termistor de înaltă precizie necesită o prelucrare precisă a semnalului, conversie analog-digitală, liniarizare și compensare, așa cum se arată în Fig. 2.
Deși lanțul de semnal poate părea simplu, există mai multe complexități care afectează dimensiunea, costul și performanța întregii plăci de bază. Portofoliul ADC ADC al ADI include mai multe soluții integrate, cum ar fi AD7124-4/AD7124-8, care oferă o serie de avantaje pentru proiectarea sistemului termic, deoarece majoritatea blocurilor de construcție necesare pentru o aplicație sunt încorporate. Cu toate acestea, există diverse provocări în proiectarea și optimizarea soluțiilor de măsurare a temperaturii bazate pe termistor.
Acest articol discută fiecare dintre aceste probleme și oferă recomandări pentru rezolvarea acestora și simplificarea în continuare a procesului de proiectare pentru astfel de sisteme.
Există o mare varietate deTermistori NTCPe piață astăzi, astfel încât alegerea termistorului potrivit pentru aplicația dvs. poate fi o sarcină descurajantă. Rețineți că termistoarele sunt listate prin valoarea lor nominală, care este rezistența lor nominală la 25 ° C. Prin urmare, un termistor de 10 kΩ are o rezistență nominală de 10 kΩ la 25 ° C. Termistorii au valori de rezistență nominale sau de bază, de la câțiva ohmi la 10 MΩ. Termistorii cu ratinguri de rezistență scăzută (rezistență nominală de 10 kΩ sau mai puțin) susțin de obicei intervale de temperatură mai scăzute, cum ar fi -50 ° C până la +70 ° C. Termistorii cu ratinguri de rezistență mai mari pot rezista la temperaturi de până la 300 ° C.
Elementul termistor este confecționat din oxid de metal. Termistoarele sunt disponibile în forme cu bile, radiale și SMD. Perlele termistor sunt acoperite cu epoxid sau sunt încapsulate din sticlă pentru o protecție suplimentară. Termistoarele cu bilă acoperite cu epoxid, termistoarele radiale și de suprafață sunt potrivite pentru temperaturi de până la 150 ° C. Termistoarele de mărgele de sticlă sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor ridicate. Toate tipurile de acoperiri/ambalaje se protejează de asemenea împotriva coroziunii. Unii termistori vor avea, de asemenea, carcase suplimentare pentru o protecție suplimentară în medii dure. Termistorii cu margele au un timp de răspuns mai rapid decât termistorii radial/SMD. Cu toate acestea, nu sunt la fel de durabile. Prin urmare, tipul de termistor utilizat depinde de aplicarea finală și de mediul în care este localizat termistorul. Stabilitatea pe termen lung a unui termistor depinde de materialul, ambalajul și designul său. De exemplu, un termistor NTC acoperit epoxidic poate schimba 0,2 ° C pe an, în timp ce un termistor sigilat schimbă doar 0,02 ° C pe an.
Termistorii au o precizie diferită. Termistorii standard au de obicei o precizie de 0,5 ° C la 1,5 ° C. Evaluarea de rezistență la termistor și valoarea beta (raport de 25 ° C la 50 ° C/85 ° C) au o toleranță. Rețineți că valoarea beta a termistorului variază în funcție de producător. De exemplu, termistorii NTC de 10 kΩ de la diferiți producători vor avea valori beta diferite. Pentru sisteme mai precise, pot fi utilizate termistoare precum seria Omega ™ 44XXX. Au o precizie de 0,1 ° C sau 0,2 ° C pe un interval de temperatură de la 0 ° C la 70 ° C. Prin urmare, gama de temperaturi care pot fi măsurate și precizia necesară în acest interval de temperatură determină dacă termistorii sunt potriviți pentru această aplicație. Vă rugăm să rețineți că cu cât este mai mare precizia seriei Omega 44xxx, cu atât este mai mare costul.
Pentru a converti rezistența în grade Celsius, valoarea beta este de obicei utilizată. Valoarea beta este determinată prin cunoașterea celor două puncte de temperatură și rezistența corespunzătoare la fiecare punct de temperatură.
RT1 = Rezistența la temperatură 1 RT2 = Rezistența la temperatură 2 T1 = temperatura 1 (k) T2 = temperatura 2 (k)
Utilizatorul folosește valoarea beta cea mai apropiată de intervalul de temperatură utilizat în proiect. Majoritatea fișierelor de date termistor listează o valoare beta împreună cu o toleranță la rezistență la 25 ° C și o toleranță pentru valoarea beta.
Termistorii cu precizie mai mare și soluțiile de terminare de înaltă precizie, cum ar fi seria Omega 44XXX, folosesc ecuația Steinhart-Hart pentru a converti rezistența la grade Celsius. Ecuația 2 necesită cele trei constante A, B și C, furnizate din nou de producătorul de senzori. Deoarece coeficienții ecuației sunt generați folosind trei puncte de temperatură, ecuația rezultată reduce la minimum eroarea introdusă prin liniarizare (de obicei 0,02 ° C).
A, B și C sunt constante derivate din trei puncte de referință a temperaturii. R = rezistența termistorului în ohmi t = temperatura în grade k
Pe fig. 3 prezintă excitația actuală a senzorului. Curentul de acționare este aplicat la termistor și același curent se aplică rezistenței de precizie; Un rezistor de precizie este utilizat ca referință pentru măsurare. Valoarea rezistenței de referință trebuie să fie mai mare sau egală cu cea mai mare valoare a rezistenței termistorului (în funcție de cea mai scăzută temperatură măsurată în sistem).
Atunci când selectați curentul de excitație, trebuie luată în considerare din nou rezistența maximă a termistorului. Acest lucru asigură că tensiunea de -a lungul senzorului și rezistența de referință este întotdeauna la un nivel acceptabil pentru electronică. Sursa curentă a câmpului necesită o potrivire a unei camere sau de ieșire. Dacă termistorul are o rezistență ridicată la cea mai mică temperatură măsurabilă, aceasta va duce la un curent de acționare foarte scăzut. Prin urmare, tensiunea generată pe termistor la temperaturi ridicate este mică. Etapele de câștig programabile pot fi utilizate pentru a optimiza măsurarea acestor semnale de nivel scăzut. Cu toate acestea, câștigul trebuie programat dinamic, deoarece nivelul semnalului de la termistor variază foarte mult cu temperatura.
O altă opțiune este să setați câștigul, dar să folosiți curent de acționare dinamic. Prin urmare, pe măsură ce nivelul semnalului de la termistor se schimbă, valoarea curentului de acționare se schimbă dinamic, astfel încât tensiunea dezvoltată pe termistor se află în intervalul de intrare specificat al dispozitivului electronic. Utilizatorul trebuie să se asigure că tensiunea dezvoltată de -a lungul rezistenței de referință este, de asemenea, la un nivel acceptabil pentru electronice. Ambele opțiuni necesită un nivel ridicat de control, monitorizarea constantă a tensiunii pe termistor, astfel încât electronica să poată măsura semnalul. Există o opțiune mai ușoară? Luați în considerare excitația de tensiune.
Când tensiunea continuă este aplicată la termistor, curentul prin termistor se scalează automat pe măsură ce rezistența termistorului se schimbă. Acum, folosind un rezistor de măsurare a preciziei în loc de o rezistență de referință, scopul său este de a calcula curentul care curge prin termistor, permițând astfel calcularea rezistenței termistorului. Deoarece tensiunea de acționare este, de asemenea, utilizată ca semnal de referință ADC, nu este necesară nicio etapă de câștig. Procesorul nu are treaba de a monitoriza tensiunea termistorului, determinând dacă nivelul semnalului poate fi măsurat de către electronică și calculând ce valoarea de câștig/curent trebuie ajustată. Aceasta este metoda utilizată în acest articol.
Dacă termistorul are un mic rating de rezistență și un interval de rezistență, tensiunea sau excitația curentă poate fi utilizată. În acest caz, curentul de acționare și câștigul pot fi rezolvate. Astfel, circuitul va fi așa cum se arată în figura 3. Această metodă este convenabilă prin faptul că este posibilă controlul curentului prin senzor și rezistența de referință, ceea ce este valoros în aplicațiile cu putere redusă. În plus, auto-încălzirea termistorului este redusă la minimum.
Excitația de tensiune poate fi, de asemenea, utilizată pentru termistori cu calificări de rezistență scăzută. Cu toate acestea, utilizatorul trebuie să se asigure întotdeauna că curentul prin senzor nu este prea mare pentru senzor sau aplicație.
Excitația de tensiune simplifică implementarea atunci când se utilizează un termistor cu o evaluare mare de rezistență și o gamă largă de temperatură. Rezistența nominală mai mare oferă un nivel acceptabil de curent nominal. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să se asigure că curentul este la un nivel acceptabil pe întregul interval de temperatură susținut de aplicație.
ADC-urile Sigma-Delta oferă mai multe avantaje atunci când proiectați un sistem de măsurare a termistorului. În primul rând, deoarece Sigma-Delta ADC reșurează intrarea analogică, filtrarea externă este menținută la minimum și singura cerință este un filtru RC simplu. Acestea oferă flexibilitate în tipul de filtru și rata de transfer de ieșire. Filtrarea digitală încorporată poate fi utilizată pentru a suprima orice interferență în dispozitivele alimentate. Dispozitivele pe 24 de biți, cum ar fi AD7124-4/AD7124-8, au o rezoluție completă de până la 21,7 biți, astfel încât acestea oferă o rezoluție ridicată.
Utilizarea unui ADC Sigma-Delta simplifică foarte mult proiectarea termistorului, reducând în același timp specificațiile, costul sistemului, spațiul plăcii și timpul de piață.
Acest articol folosește AD7124-4/AD7124-8 ca ADC, deoarece sunt zgomot redus, curent cu curent scăzut, ADC-uri de precizie cu PGA încorporat, referință încorporată, intrare analogică și tampon de referință.
Indiferent dacă utilizați curent de acționare sau tensiune de acționare, se recomandă o configurație rapolată în care tensiunea de referință și tensiunea senzorului provin din aceeași sursă de acționare. Aceasta înseamnă că orice modificare a sursei de excitație nu va afecta exactitatea măsurării.
Pe fig. 5 prezintă curentul de acționare constant pentru termistorul și rezistența de precizie RREF, tensiunea dezvoltată pe RREF este tensiunea de referință pentru măsurarea termistorului.
Curentul de câmp nu trebuie să fie precis și poate fi mai puțin stabil, deoarece orice erori din curentul de câmp vor fi eliminate în această configurație. În general, excitația curentă este preferată decât excitația tensiunii datorită controlului superior al sensibilității și imunității mai bune a zgomotului atunci când senzorul este localizat în locații îndepărtate. Acest tip de metodă de prejudecată este de obicei utilizat pentru RTD sau termistoare cu valori de rezistență scăzută. Cu toate acestea, pentru un termistor cu o valoare de rezistență mai mare și o sensibilitate mai mare, nivelul semnalului generat de fiecare schimbare de temperatură va fi mai mare, astfel încât se utilizează excitația de tensiune. De exemplu, un termistor de 10 kΩ are o rezistență de 10 kΩ la 25 ° C. La -50 ° C, rezistența termistorului NTC este de 441.117 kΩ. Curentul minim de acționare de 50 µA furnizat de AD7124-4/AD7124-8 generează 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, care este prea mare și în afara gamei de operare a majorității ADC-urilor disponibile utilizate în această zonă de aplicație. Termistorii sunt, de asemenea, conectați sau localizați în apropierea electronicelor, astfel încât imunitatea la curent nu este necesară.
Adăugarea unui rezistor de sens în serie ca circuit de divizor de tensiune va limita curentul prin termistor la valoarea sa de rezistență minimă. În această configurație, valoarea sensului de rezistență a sensului trebuie să fie egală cu valoarea rezistenței termistorului la o temperatură de referință de 25 ° C, astfel încât tensiunea de ieșire va fi egală cu punctul mediu 25 ° CC În mod similar, dacă se utilizează un termistor de 10 kΩ cu o rezistență de 10 kΩ la 25 ° C, RSENSE trebuie să fie de 10 kΩ. Pe măsură ce temperatura se schimbă, rezistența termistorului NTC se schimbă, iar raportul dintre tensiunea de acționare pe termistor se schimbă și, ceea ce duce la tensiunea de ieșire proporțională cu rezistența termistorului NTC.
Dacă referința de tensiune selectată utilizată pentru a alimenta termistorul și/sau rsense se potrivește cu tensiunea de referință ADC utilizată pentru măsurare, sistemul este setat la măsurarea raportului (Figura 7), astfel încât orice sursă de tensiune de eroare legată de excitație va fi părtinitoare pentru a fi eliminată.
Rețineți că fie rezistența de sens (condusă de tensiune), fie rezistența de referință (condusă de curent) ar trebui să aibă o toleranță inițială scăzută și o derivă scăzută, deoarece ambele variabile pot afecta precizia întregului sistem.
Când utilizați mai multe termistoare, se poate folosi o tensiune de excitație. Cu toate acestea, fiecare termistor trebuie să aibă propria rezistență de sens de precizie, așa cum se arată în Fig. 8. O altă opțiune este utilizarea unui multiplexor extern sau a unui comutator cu rezistență redusă în starea ON, ceea ce permite schimbul de rezistență la un sens de precizie. Cu această configurație, fiecare termistor are nevoie de un timp de decontare atunci când este măsurat.
În rezumat, atunci când proiectați un sistem de măsurare a temperaturii bazat pe termistor, există multe întrebări de luat în considerare: selecția senzorilor, cablarea senzorilor, compromisurile de selecție a componentelor, configurația ADC și modul în care aceste diferite variabile afectează precizia generală a sistemului. Următorul articol din această serie explică modul de optimizare a proiectării sistemului și a bugetului general de eroare a sistemului pentru a obține performanța țintă.
Timpul post: 30-2022