Acesta este primul articol dintr-o serie în două părți.Acest articol va discuta mai întâi despre istoria și provocările de proiectare aletemperatura pe bază de termistorsisteme de măsurare, precum și compararea acestora cu sistemele de măsurare a temperaturii cu termorezistență (RTD).De asemenea, va descrie alegerea termistorului, compromisurile de configurare și importanța convertoarelor analog-digitale (ADC) sigma-delta în această zonă de aplicație.Al doilea articol va detalia modul de optimizare și evaluare a sistemului final de măsurare bazat pe termistor.
După cum este descris în seria de articole anterioare, Optimizarea sistemelor de senzori de temperatură RTD, un RTD este un rezistor a cărui rezistență variază în funcție de temperatură.Termistorii funcționează similar cu RTD-urile.Spre deosebire de RTD, care au doar un coeficient de temperatură pozitiv, un termistor poate avea un coeficient de temperatură pozitiv sau negativ.Termistorii cu coeficient de temperatură negativ (NTC) își scad rezistența pe măsură ce temperatura crește, în timp ce termistorii cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC) își măresc 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 domeniul de temperatură, curba RTD este aproape liniară, iar senzorul acoperă un domeniu 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 standardizate bine-cunoscute, 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.
Termistorii sunt fabricați din materiale compozite, de obicei ceramică, polimeri sau semiconductori (de obicei oxizi de metal) și metale pure (platină, nichel sau cupru).Termistorii pot detecta schimbările de temperatură mai repede decât RTD-urile, oferind un 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 gamă limitată de temperatură, cum ar fi controlul electronicelor, controlul casei și clădirilor, laboratoarele științifice sau compensarea joncțiunii la rece pentru termocupluri în comerț. sau aplicatii industriale.scopuri.Aplicații.
În cele mai multe cazuri, termistorii NTC sunt utilizați pentru măsurarea precisă a temperaturii, nu termistorii PTC.Sunt disponibile unele termistoare PTC care pot fi utilizate în circuite de protecție la supracurent sau ca siguranțe resetabile pentru aplicații de siguranță.Curba 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 crește brusc cu câteva ordine de mărime în intervalul de câteva grade Celsius.În condiții de supracurent, termistorul PTC va genera o autoîncălzire puternică atunci când temperatura de comutare este depășită, iar rezistența sa va crește brusc, ceea ce va reduce curentul de intrare în 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 de temperatură într-o gamă largă de aplicații.Acest articol se concentrează pe termistorii NTC, care de obicei pot măsura sau monitoriza temperaturi cuprinse între -80°C și +150°C.Termistorii NTC au niveluri de rezistență care variază de la câțiva ohmi la 10 MΩ la 25°C.După cum se arată în fig.1, modificarea rezistenței pe grad Celsius pentru termistori este mai pronunțată decât pentru termometrele de rezistență.În comparație cu termistorii, sensibilitatea ridicată a termistorului și valoarea ridicată a rezistenței simplifică circuitul său de intrare, deoarece termistorii nu necesită nicio configurație specială de cablare, cum ar fi cu 3 fire sau 4 fire, pentru a compensa rezistența conductorului.Designul termistorului folosește doar o configurație simplă cu 2 fire.
Măsurarea temperaturii de înaltă precizie pe bază de termistor necesită procesare 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 de precizie 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 elementelor de bază necesare unei aplicații sunt încorporate.Cu toate acestea, există diverse provocări în proiectarea și optimizarea soluțiilor de măsurare a temperaturii pe bază de termistor.
Acest articol discută fiecare dintre aceste probleme și oferă recomandări pentru rezolvarea lor și simplificarea în continuare a procesului de proiectare pentru astfel de sisteme.
Există o mare varietate determistori NTCpe piață astăzi, așa că alegerea termistorului potrivit pentru aplicația dvs. poate fi o sarcină descurajantă.Rețineți că termistorii sunt enumerați după 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 nominale sau de bază ale rezistenței care variază de la câțiva ohmi la 10 MΩ.Termistorii cu rezistență scăzută (rezistență nominală de 10 kΩ sau mai puțin) suportă în mod obișnuit intervale de temperatură mai scăzute, cum ar fi -50°C până la +70°C.Termistorii cu rezistență mai mare pot rezista la temperaturi de până la 300°C.
Elementul termistor este realizat din oxid metalic.Termistorii sunt disponibili în forme bile, radiale și SMD.Perlele termistorului sunt acoperite cu epoxid sau încapsulate cu sticlă pentru o protecție suplimentară.Termistorii cu bile acoperiți cu epoxi, termistorii radiali și de suprafață sunt potriviti pentru temperaturi de până la 150°C.Termistoarele de sticlă sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor ridicate.Toate tipurile de acoperiri/ambalaje protejează, de asemenea, împotriva coroziunii.Unii termistori vor avea, de asemenea, carcase suplimentare pentru protecție suplimentară în medii dure.Termistorii cu sferă au un timp de răspuns mai rapid decât termistorii radiali/SMD.Cu toate acestea, nu sunt la fel de durabile.Prin urmare, tipul de termistor utilizat depinde de aplicația finală și de mediul în care se află termistorul.Stabilitatea pe termen lung a unui termistor depinde de materialul, ambalajul și designul acestuia.De exemplu, un termistor NTC acoperit cu epoxi poate schimba 0,2°C pe an, în timp ce un termistor etanș se modifică doar 0,02°C pe an.
Termistorii vin cu precizie diferită.Termistorii standard au de obicei o precizie de 0,5°C până la 1,5°C.Valoarea rezistenței termistorului și valoarea beta (raportul de la 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 utilizați termistori precum seria Omega™ 44xxx.Au o precizie de 0,1°C sau 0,2°C într-un interval de temperatură de la 0°C la 70°C.Prin urmare, intervalul de temperaturi care pot fi măsurate și precizia necesară în acel interval de temperatură determină dacă termistorii sunt potriviți pentru această aplicație.Vă rugăm să rețineți că cu cât este mai mare acuratețea seriei Omega 44xxx, cu atât costul este mai mare.
Pentru a converti rezistența în grade Celsius, se folosește de obicei valoarea beta.Valoarea beta este determinată prin cunoașterea celor două puncte de temperatură și a rezistenței corespunzătoare la fiecare punct de temperatură.
RT1 = Rezistență la temperatură 1 RT2 = Rezistență 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.Cele mai multe fișe de date ale termistorilor listează o valoare beta împreună cu o toleranță de rezistență la 25°C și o toleranță pentru valoarea beta.
Termistorii de mai mare precizie și soluțiile de terminare de înaltă precizie, cum ar fi seria Omega 44xxx, utilizează ecuația Steinhart-Hart pentru a converti rezistența în grade Celsius.Ecuația 2 necesită cele trei constante A, B și C, furnizate din nou de producătorul senzorului.Deoarece coeficienții ecuației sunt generați folosind trei puncte de temperatură, ecuația rezultată minimizează eroarea introdusă de liniarizare (de obicei 0,02 °C).
A, B și C sunt constante derivate din trei puncte de referință de temperatură.R = rezistența termistorului în ohmi T = temperatura în K grade
Pe fig.3 arată excitația curentă a senzorului.Curentul de antrenare este aplicat termistorului și același curent este aplicat rezistenței de precizie;un rezistor de precizie este folosit 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 temperatura cea mai scăzută măsurată în sistem).
La selectarea curentului de excitație, trebuie luată din nou în considerare rezistența maximă a termistorului.Acest lucru asigură că tensiunea pe senzor și pe rezistența de referință este întotdeauna la un nivel acceptabil pentru electronică.Sursa de curent de câmp necesită o anumită capacitate sau potrivire a ieșirii.Dacă termistorul are o rezistență ridicată la cea mai scăzută temperatură măsurabilă, acest lucru va duce la un curent de antrenare foarte scăzut.Prin urmare, tensiunea generată pe termistor la temperatură ridicată este mică.Etapele de amplificare 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 în funcție de temperatură.
O altă opțiune este să setați câștigul, dar să utilizați curentul dinamic de acționare.Prin urmare, pe măsură ce nivelul semnalului de la termistor se modifică, valoarea curentului de acţionare se modifică dinamic, astfel încât tensiunea dezvoltată la termistor se află în domeniul de intrare specificat al dispozitivului electronic.Utilizatorul trebuie să se asigure că tensiunea dezvoltată pe rezistorul de referință este, de asemenea, la un nivel acceptabil pentru electronică.Ambele opțiuni necesită un nivel ridicat de control, monitorizare constantă a tensiunii pe termistor, astfel încât electronica să poată măsura semnalul.Există o variantă mai ușoară?Luați în considerare excitația de tensiune.
Când tensiunea de curent continuu este aplicată la termistor, curentul prin termistor crește automat pe măsură ce rezistența termistorului se modifică.Acum, folosind un rezistor de măsurare de precizie în loc de un rezistor de referință, scopul său este de a calcula curentul care curge prin termistor, permițând astfel calcularea rezistenței termistorului.Deoarece tensiunea de comandă este folosită și ca semnal de referință ADC, nu este necesară nicio etapă de câștig.Procesorul nu are sarcina de a monitoriza tensiunea termistorului, de a determina dacă nivelul semnalului poate fi măsurat de electronică și de a calcula ce valoare a câștigului/curentului trebuie ajustată.Aceasta este metoda folosită în acest articol.
Dacă termistorul are o rezistență nominală și un domeniu de rezistență mic, poate fi utilizată excitația de tensiune sau curent.În acest caz, curentul de antrenare și câștigul pot fi fixate.Astfel, circuitul va fi așa cum se arată în Figura 3. Această metodă este convenabilă prin faptul că este posibil să se controleze curentul prin senzor și rezistorul de referință, ceea ce este valoros în aplicațiile cu putere redusă.În plus, autoîncălzirea termistorului este redusă la minimum.
Excitația de tensiune poate fi utilizată și pentru termistori cu rezistență scăzută.Cu toate acestea, utilizatorul trebuie să se asigure întotdeauna că curentul prin senzor nu este prea mare pentru senzor sau aplicație.
Excitarea de tensiune simplifică implementarea atunci când se utilizează un termistor cu o rezistență mare și un domeniu larg de temperatură.Rezistența nominală mai mare asigură 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 suportat de aplicație.
ADC-urile Sigma-Delta oferă mai multe avantaje la proiectarea unui sistem de măsurare cu termistori.În primul rând, deoarece ADC-ul sigma-delta reeșantionează intrarea analogică, filtrarea externă este menținută la minimum și singura cerință este un filtru RC simplu.Acestea oferă flexibilitate în ceea ce privește tipul de filtru și rata de ieșire în baud.Filtrarea digitală încorporată poate fi utilizată pentru a suprima orice interferență în dispozitivele alimentate de la rețea.Dispozitivele pe 24 de biți, cum ar fi AD7124-4/AD7124-8, au o rezoluție completă de până la 21,7 biți, deci oferă o rezoluție înaltă.
Utilizarea unui ADC sigma-delta simplifică foarte mult designul termistorului, reducând în același timp specificațiile, costul sistemului, spațiul pe placă și timpul de lansare pe piață.
Acest articol folosește AD7124-4/AD7124-8 ca ADC, deoarece sunt ADC-uri cu zgomot redus, curent scăzut, de precizie cu PGA încorporat, referință încorporată, intrare analogică și tampon de referință.
Indiferent dacă utilizați curent sau tensiune de unitate, se recomandă o configurație ratiometrică în care tensiunea de referință și tensiunea senzorului provin de la aceeași sursă de acționare.Aceasta înseamnă că orice modificare a sursei de excitație nu va afecta acuratețea măsurării.
Pe fig.5 prezintă curentul constant de antrenare pentru termistorul și rezistența de precizie RREF, tensiunea dezvoltată peste 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 în curentul de câmp vor fi eliminate în această configurație.În general, excitația curentului este preferată în detrimentul excitației cu tensiune datorită controlului superior al sensibilității și a unei imunități mai bune la zgomot atunci când senzorul este amplasat în locații îndepărtate.Acest tip de metodă de polarizare este utilizat în mod obișnuit pentru RTD-uri sau termistori cu valori scăzute de rezistență.Cu toate acestea, pentru un termistor cu o valoare mai mare a rezistenței și o sensibilitate mai mare, nivelul semnalului generat de fiecare schimbare de temperatură va fi mai mare, astfel încât este utilizată 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 acţionare de 50 µA furnizat de AD7124-4/AD7124-8 generează 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, care este prea mare şi în afara domeniului de operare al majorităţii ADC-urilor disponibile utilizate în această zonă de aplicaţie.De asemenea, termistorii sunt de obicei conectați sau amplasați în apropierea componentelor electronice, așa că nu este necesară imunitatea la curentul de comandă.
Adăugarea unui rezistor de sens în serie ca circuit divizor de tensiune va limita curentul prin termistor la valoarea minimă a rezistenței sale.În această configurație, valoarea rezistenței de sens RSENSE trebuie să fie egală cu valoarea rezistenței termistorului la o temperatură de referință de 25°C, astfel încât tensiunea de ieșire să fie egală cu punctul de mijloc al tensiunii de referință la temperatura sa nominală de 25°CC În mod similar, dacă se folosește un termistor de 10 kΩ cu o rezistență de 10 kΩ la 25°C, RSENSE ar trebui să fie de 10 kΩ.Pe măsură ce temperatura se schimbă, rezistența termistorului NTC se modifică și raportul tensiunii de acţionare peste termistor se modifică, rezultând că tensiunea de ieșire este proporțională cu rezistența termistorului NTC.
Dacă referința de tensiune selectată utilizată pentru alimentarea termistorului și/sau RSENSE se potrivește cu tensiunea de referință ADC utilizată pentru măsurare, sistemul este setat la măsurarea ratiometrică (Figura 7), astfel încât orice sursă de tensiune de eroare legată de excitație să fie polarizată pentru eliminare.
Rețineți că fie rezistorul de sens (acționat de tensiune), fie rezistorul de referință (acționat de curent) ar trebui să aibă o toleranță inițială scăzută și o deviere scăzută, deoarece ambele variabile pot afecta precizia întregului sistem.
Când se utilizează mai multe termistoare, poate fi utilizată o singură tensiune de excitație.Cu toate acestea, fiecare termistor trebuie să aibă propriul său rezistor de detectare de precizie, așa cum se arată în fig.8. O altă opțiune este să utilizați un multiplexor extern sau un comutator cu rezistență scăzută în starea de pornire, care permite partajarea unui rezistor de detectare de precizie.Cu această configurație, fiecare termistor are nevoie de un timp de stabilizare 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 senzorului, cablarea senzorului, compromisurile de selecție a componentelor, configurația ADC și modul în care aceste variabile afectează acuratețea generală a sistemului.Următorul articol din această serie explică cum să vă optimizați proiectarea sistemului și bugetul general de eroare a sistemului pentru a vă atinge performanța țintă.
Ora postării: 30-sept-2022