Ово је први чланак у двостепеној серији. Овај чланак ће прво расправљати о историји и дизајну изазовимаТемпература заснована на термичкојСистеми мерења, као и њихово поређење са термометром отпорности (РТД) системи за мерење температуре температуре. Такође ће описати избор термистора, конфигурационе компромисе и важност сигма-делта аналогне дигиталне претвараче (АДЦ) у овој области апликације. Други чланак ће детаљно описати како да оптимизира и процени коначни систем мерења заснованог на термистору.
Као што је описано у претходним серијама чланака, оптимизација система сензора РТД-а, РТД је отпорник чији отпор варира са температуром. Термистори раде слично на РТДС. За разлику од РТДС-а, који има само позитиван коефицијент температуре, термистор може имати позитиван или негативан коефицијент температуре. Негативни коефицијент температуре (НТЦ) Термистори смањују њихов отпор као што температура расте, док термистори позитивних температура (ПТЦ) повећавају њихов отпор као температура како расте температура. На Сл. 1 приказује карактеристике одговора типичних НТЦ и ПТЦ термистора и упоређује их са РТД кривинама.
У погледу температурне опсеге, РТД крива је скоро линеарна, а сензор прекрива много шире температурне опсега од термистора (обично -200 ° Ц до + 850 ° Ц) због нелинеарне (експонентне) природе термистора. РТДС се обично пружају у добро познатим стандардизованим кривинама, док термистор криве варирају од произвођача. О томе ћемо детаљно расправљати у одељку Водича за селекцију Термистора овог члана.
Термистори су направљени од композитних материјала, обично керамике, полимера или полуводича (обично металних оксида) и чистих метала (платина, никла или бакар). Термистори могу открити промене температуре брже од РТД-а, пружајући брже повратне информације. Због тога се термистори обично користе у апликацијама које захтевају ниска цена, мале величине, већа осетљивост и ограничена температурна опсег, као што је контрола електронике, контрола електронике, кућне и грађевинске компензације или компензације хладне спојнице за термопорове у комерцијалним или индустријским апликацијама. сврхе. Апликације.
У већини случајева НТЦ термистори се користе за тачну мерење температуре, а не ПТЦ термистора. Доступни су неки ПТЦ термистори који се могу користити у пренасентним заштитним круговима или као расељеним осигурачима за безбедносне апликације. Кривуља температуре отпора ПТЦ термистора приказује врло мали НТЦ регион пре него што достигне тачку прекидача (или Цурие Поинт), изнад којег се отпорност нагло порасте на више наруџбине у опсегу неколико степени Целзијуса. Под пренапонским условима, ПТЦ термистор ће створити снажно самогревање када је прекорачена температура пребацивања, а његова отпорност ће се нагло порасти, што ће умањити улазну струју у систем, чиме се спречава оштећење. Прекидачка тачка ПТЦ термистора је обично између 60 ° Ц и 120 ° Ц и није погодна за контролу мерења температуре у широком спектру апликација. Овај се чланак фокусира на НТЦ термисторе који обично могу мерити или надгледати температуре у распону од -80 ° Ц до + 150 ° Ц. НТЦ термистори имају отпорност о рејтингу у распону од неколико ома до 10 мΩ на 25 ° Ц. Као што је приказано на Сл. 1, промена отпора по степену Целзијуса за термисторе је израженија од термометра отпора. У поређењу са термисторима, висока осетљивост и висока вредност високог отпора поједностављују његов улазни круг, јер термистори не захтевају посебну конфигурацију ожичења, као што је 3-жица или 4-жица која ће надокнадити отпорност на вођство. Дизајн термистора користи само једноставну дворичну конфигурацију.
Мерење температуре на високом прецизном термистору захтева прецизну обраду сигнала, аналогно-дигитално претворба, линеаризацију и накнаду, као што је приказано на Сл. 2.
Иако ланац сигнала може изгледати једноставно, постоји неколико сложености који утичу на величину, трошкове и перформансе целокупне матичне плоче. АДИ-ова прецизни АДЦ портфељ укључује неколико интегрисаних решења, као што су АД7124-4 / АД7124-8, који пружају бројне предности за дизајн топлотног система, јер је уграђен већина грађевинских блокова потребан за пријаву. Међутим, постоје различити изазови у дизајнирању и оптимизацији решења за мерење температуре термисторског температуре.
Овај чланак говори о свакој од ових питања и даје препоруке за решавање и даљње поједностављење процеса дизајна за такве системе.
Постоје широко разноликостНТЦ термисториНа тржишту данас, тако да одаберете праву термистор за вашу пријаву може бити застрашујући задатак. Имајте на уму да су термистори наведени по номиналној вредности, што је њихова номинална отпорност на 25 ° Ц. Стога, термистор од 10 КΩ има номиналну отпорност на 10 кΩ на 25 ° Ц. Термистори имају номиналне или основне вредности отпорности у распону од неколико охма на 10 мΩ. Термистори са рејтингима са ниским отпором (називни отпор 10 кΩ или мање) обично подржавају ниже опсежне температуре, као што је -50 ° Ц до + 70 ° Ц. Термистори са вишим рејтингом отпорности могу да издрже температуре до 300 ° Ц.
Термисторски елемент је направљен од металног оксида. Термистори су доступни у кугли, радијални и СМД облицима. Термисторске перлице су епоксидна обложена или стакло капсулирано за додатну заштиту. Термистори кугличних куглица од епоксида, радијални и површински термистори погодни су за температуре до 150 ° Ц. Термистори стаклених перлица погодни су за мерење високих температура. Све врсте премаза / паковања такође штите од корозије. Неки термистори ће такође имати додатна кућишта за додатну заштиту у оштрим окружењима. Термистори на перли имају бржи време одзива од радијалних / СМД термистора. Међутим, нису тако издржљиви. Стога је врста термистора који се користи овиси о крајњој апликацији и окружењу у којем се налази термистор. Дугорочна стабилност термистора зависи од њеног материјала, паковања и дизајна. На пример, епоксидно пресвучен НТЦ термистор може се променити 0,2 ° Ц годишње, док је запечаћени термисто само промијени 0,02 ° Ц годишње.
Термистори долазе у различитој тачности. Стандардни термистори обично имају тачност од 0,5 ° Ц до 1,5 ° Ц. Рејтинг отпорности на термистору и бета вредност (омјер 25 ° Ц до 50 ° Ц / 85 ° Ц) имају толеранцију. Имајте на уму да бета вредност термистора варира од од произвођача. На пример, 10 кΩ НТЦ термистора различитих произвођача имаће различите бета вредности. За тачније системе могу се користити термистори попут Омега ™ 44КСКСКС серије. Имају тачност од 0,1 ° Ц или 0,2 ° Ц преко температурне распона од 0 ° Ц до 70 ° Ц. Стога се распон температура које се могу мерити и тачност потребна преко те температурне опсега одређује да ли су термистори погодни за ову апликацију. Имајте на уму да је то већа тачност серије Омега 44ккк, то је већа цена.
Да бисте претворили отпорност на степени Целзијуса, обично се користи бета вредност. Бета вредност се одређује познавањем две тачке температуре и одговарајуће отпорности на сваку температурну тачку.
РТ1 = Отпорност на температуру 1 РТ2 = Отпорност на температуру 2 Т1 = Температура 1 (К) Т2 = Температура 2 (К)
Корисник користи бета вредност најближа температурним опсегу који се користи у пројекту. Већина термисторских датасхеетса наведи бета вредност заједно са толеранцијом отпора на 25 ° Ц и толеранција за бета вредност.
Веће прецизне термисторе и велике прецизне растворе у раскиду као што је Омега 44ккк серија користе Стеинхарт-Харт једнаџбу за претварање отпора на степене Целзијуса. Једнаџба 2 захтева три константе А, Б и Ц, опет обезбеђује произвођач сензора. Пошто се коефицијенти једначина генеришу помоћу три температурне тачке, резултирајућа једначина минимизира грешку уведену линеаризацијом (обично 0,02 ° Ц).
А, Б и Ц су константи изведене са три постављене тачке температуре. Р = Отпорност на термистор у ОХМС Т = Температура у К степени
На Сл. 3 приказује текуће узбуђење сензора. Струја погона примењује се на термистор и иста струја се примењује на прецизни отпорник; Прецизни отпорник користи се као референца за мерење. Вредност референтног отпора мора бити већа или једнака највећој вредности отпорности термистора (у зависности од најниже температуре мерене у систему).
Приликом одабира струје за узбуђење, поново се узима у обзир максимални отпор термистора. Ово осигурава да је напон преко сензора и референтни отпорник увек на нивоу прихватљивог електронике. Извор струје терена захтева мало простора или излаза. Ако термистор има високу отпорност на најнижој мерљивој температури, то ће резултирати врло ниским струјом погона. Стога је напон остварен преко термистора на високој температури мали. Програмибилна фаза појачања могу се користити за оптимизацију мерења ових сигнала ниског нивоа. Међутим, добитак се мора динамички програмирати јер ниво сигнала из термистора значајно варира са температуром.
Друга опција је постављање појачања, али користите динамичну струју погона. Стога, као ниво сигнала из промјене термистора, вредност струје погона динамично се мења тако да је напон развијен преко термистора унутар наведеног улазног опсега електронског уређаја. Корисник мора осигурати да се напон развијен у референтном отпорнику такође на нивоу прихватљив за електронику. Обје опције захтевају висок ниво контроле, стално праћење напона широм термистора тако да електроника може да мери сигнал. Постоји ли лакша опција? Размотрите побуду напона.
Када се ДЦ напон примењује на термистор, струја путем термистора аутоматски скалира како се термистова отпорна промјене. Сада, користећи прецизни мерни отпорник уместо референтног отпора, његова сврха је израчунати струју која тече кроз термистор, омогућавајући израчунавање термисторског отпора. Пошто се напон погона користи и као АДЦ референтни сигнал, није потребна фаза добијања. Процесор нема посао праћења напона термистора, одређивање ако се ниво сигнала може мерити електроником и израчунавањем какве вредности погона / тренутне вредности потребно је подесити. Ово је метода која се користи у овом чланку.
Ако термистор има мали рејтинг и опсег отпора, може се користити напон или текуће узбуђење. У овом случају, струја и добитак погона могу се поправити. Стога ће круг бити приказан на слици 3. Ова метода је прикладна у томе што је могуће контролисати струју кроз сензор и референтни отпорник, који је вредни у ниским апликацијама са ниским напајањем. Поред тога, само-грејање термистора је минимизирано.
Поједињење напона такође се може користити и за термисторе са рејтингом са малим отпорима. Међутим, корисник увек мора осигурати да струја кроз сензор није превисок за сензор или апликацију.
Поједињење напона поједностављује имплементацију када користите термистор са великом оценом отпорности и широкој температурној опсегу. Већа називна отпорност омогућава прихватљив ниво оцењене струје. Међутим, дизајнери морају да осигурају да струја постоји на прихватљивом нивоу преко целокупног температурног опсега који подржава апликација.
Сигма-делта АДЦ нуди неколико предности приликом дизајнирања система мерења термистора. Прво, јер се Сигма-Делта АДЦ предам, аналогни улаз, екстерно филтрирање чува се на минимум, а једини захтев је једноставан РЦ филтер. Они пружају флексибилност у типу филтера и брзини излазне преноса. Уграђени дигитално филтрирање се може користити за сузбијање било које сметње у уређаје који се напајају мрежни уређаји. 24-битни уређаји као што су АД7124-4 / АД7124-8 имају потпуну резолуцију до 21,7 бита, тако да пружају високу резолуцију.
Употреба Сигма-Делта АДЦ-а увелике поједностављује дизајн термистора уз смањење спецификације, системске трошкове, простора одбора и време на тржиште.
Овај чланак користи АД7124-4 / АД7124-8 као АДЦ, јер су ниска бука, ниска струја, прецизна АДЦ са уграђеним ПГА, уграђеним референтним, аналогним улазом и референтним пуфером.
Без обзира да ли користите струју погонског струје или напона погона, препоручује се ратиометријска конфигурација у којој се референтни напон и сензор потиче из истог извора погона. То значи да свака промена извора узбуђења неће утицати на тачност мерења.
На Сл. Слика 5 приказује константну струју погона за термистор и прецизни отпорник РРЕФ-а, напон који се развијен преко РРЕФ-а је референтни напон за мерење термистора.
Теренска струја не треба да буде тачна и може бити мање стабилна јер ће се у овој конфигурацији мање стабилне као и све грешке у теренској струји. Генерално, актуелно узбуђење је пожељно преко напона у побуду због врхунске контроле осетљивости и боља имунитета буке када се сензор налази на удаљеним локацијама. Ова врста методе пристрасности се обично користи за РТДС или термисторе са ниским вредностима отпорности. Међутим, за термистор са већом вредношћу отпора и већу осетљивост, ниво сигнала који се генерише сваком променом температуре биће већа, па се користи напон. На пример, 10 кΩ термистор има отпор 10 кΩ на 25 ° Ц. На -50 ° Ц, отпорност НТЦ термистора је 441.117 кΩ. Минимална струја погона од 50 уа коју је пружио АД7124-4 / АД7124-8 генерише 441.117 кΩ × 50 μа = 22 В, што је превисоко и изван радног распона највише доступних АДЦ-а који се користе у овој области апликације. Термистори су такође обично повезани или се налазе у близини електронике, тако да имунитет за покретање струје није потребно.
Додавање отпорника осетишта у серији као круг напона, ограничиће струју кроз термистор на своју минималну вредност отпорности. У овој конфигурацији, вредност осенчине отпорни Р РСенсе мора бити једнака вредности термисторског отпора на референтној температури од 25 ° Ц, тако да ће се излазни напон бити једнак средњој тачки референтног напона на њеној номиналној температури од 25 ° ЦЦ, ако се користи 10 кΩ на 25 ° Ц, ако се РСЕСЕНТС буде 10 кΩ. Како се температурне промене, отпорност НТЦ термистора такође мења, а однос напона погона кроз термистор такође се мења, што је резултирало излазном напоном пропорционалан отпорној отпорности НТЦ термистора.
Ако је изабрана напонска референца која се користи за напајање термистора и / или РСЕНС-а утакмице АДЦ референтног напона који се користи за мерење, систем је постављен на ратиометријско мерење (Слика 7) како би било који извор напона грешака у побуњивању пристрасан.
Имајте на уму да или оспособљени отпорник (погонски напон) или референтни отпорник (струјно возило) треба да има ниску почетну толеранцију и ниску дрифт, јер обе променљиве могу утицати на тачност целог система.
Када користите више термистора, може се користити један напон узбуђења. Међутим, сваки термистор мора имати сопствени прецизни осетљивост отпорника, као што је приказано на Сл. 8 Друга опција је да се користи спољни мултиплексер или прекидач ниског отпора у држави, што омогућава поделу отпора о прецизном смислу. Овом конфигурацијом, сваки термистор је потребно мало времена за решавање када је мерено.
Укратко, при дизајнирању термисторског система за мерење температуре, постоји много питања која треба размотрити: Северсорски избор, сензорски ожичење, компонентни избор компонента, конфигурација АДЦ-а и како ове различите променљиве утичу на укупну тачност система. Следећи чланак у овој серији објашњава како оптимизовати свој систем дизајна и укупног буџета грешака система да бисте постигли своје циљне перформансе.
Вријеме поште: сеп-30-2022