Ово је први чланак у серији од два дела. Овај чланак ће прво размотрити историју и изазове дизајнатемпература заснована на термисторумерних система, као и њихово поређење са системима за мерење температуре отпорним термометрима (RTD). Такође ће бити описан избор термистора, компромиси у конфигурацији и значај сигма-делта аналогно-дигиталних конвертора (ADC) у овој области примене. Други чланак ће детаљно објаснити како оптимизовати и проценити коначни мерни систем заснован на термистору.
Као што је описано у претходној серији чланака, „Оптимизација RTD система температурних сензора“, RTD је отпорник чији се отпор мења са температуром. Термистори раде слично RTD-овима. За разлику од RTD-ова, који имају само позитиван температурни коефицијент, термистор може имати позитиван или негативан температурни коефицијент. Термистори са негативним температурним коефицијентом (NTC) смањују свој отпор како температура расте, док термистори са позитивним температурним коефицијентом (PTC) повећавају свој отпор како температура расте. На слици 1 приказане су карактеристике одзива типичних NTC и PTC термистора и упоређују се са RTD кривама.
Што се тиче температурног опсега, RTD крива је скоро линеарна, а сензор покрива много шири температурни опсег од термистора (типично од -200°C до +850°C) због нелинеарне (експоненцијалне) природе термистора. RTD-ови се обично испоручују у добро познатим стандардизованим кривама, док се криве термистора разликују у зависности од произвођача. О томе ћемо детаљно разговарати у одељку водича за избор термистора овог чланка.
Термистори су направљени од композитних материјала, обично керамике, полимера или полупроводника (обично металних оксида) и чистих метала (платине, никла или бакра). Термистори могу да детектују промене температуре брже од RTD-а, пружајући бржу повратну информацију. Стога се термистори обично користе у сензорима у апликацијама које захтевају ниску цену, малу величину, бржи одзив, већу осетљивост и ограничен температурни опсег, као што су контрола електронике, контрола кућа и зграда, научне лабораторије или компензација хладних спојева за термопарове у комерцијалним или индустријским сврхама. Примене.
У већини случајева, за прецизно мерење температуре користе се NTC термистори, а не PTC термистори. Доступни су неки PTC термистори који се могу користити у колима за заштиту од прекомерне струје или као ресетујући осигурачи за безбедносне примене. Крива отпора и температуре PTC термистора показује веома малу NTC област пре него што достигне тачку прекидача (или Киријеву тачку), изнад које отпор нагло расте за неколико редова величине у опсегу од неколико степени Целзијуса. Под условима прекомерне струје, PTC термистор ће генерисати јако самозагревање када се прекорачи температура прекидача, а његов отпор ће нагло порасти, што ће смањити улазну струју у систем, чиме се спречава оштећење. Тачка прекидача PTC термистора је типично између 60°C и 120°C и није погодна за контролу мерења температуре у широком спектру примена. Овај чланак се фокусира на NTC термистори, који обично могу да мере или прате температуре у распону од -80°C до +150°C. NTC термистори имају отпорност у распону од неколико ома до 10 MΩ на 25°C. Као што је приказано на слици 1, промена отпора по степену Целзијуса код термистора је израженија него код отпорних термометара. У поређењу са термисторима, висока осетљивост и висока вредност отпора термистора поједностављују његово улазно коло, јер термисторима није потребна никаква посебна конфигурација ожичења, као што је 3-жично или 4-жично, да би се компензовао отпор водова. Дизајн термистора користи само једноставну 2-жично конфигурацију.
Високопрецизно мерење температуре помоћу термистора захтева прецизну обраду сигнала, аналогно-дигиталну конверзију, линеаризацију и компензацију, као што је приказано на слици 2.
Иако ланац сигнала може изгледати једноставно, постоји неколико сложености које утичу на величину, цену и перформансе целе матичне плоче. ADI-јев портфолио прецизних ADC претварача укључује неколико интегрисаних решења, као што су AD7124-4/AD7124-8, који пружају бројне предности за дизајн термалних система јер је већина градивних блокова потребних за апликацију уграђена. Међутим, постоје различити изазови у пројектовању и оптимизацији решења за мерење температуре заснованих на термисторима.
Овај чланак разматра сваки од ових проблема и даје препоруке за њихово решавање и даље поједностављивање процеса пројектовања таквих система.
Постоји широк изборНТЦ термисторина тржишту данас, тако да избор правог термистора за вашу примену може бити застрашујући задатак. Имајте на уму да су термистори наведени по својој номиналној вредности, што је њихов номинални отпор на 25°C. Стога, термистор од 10 kΩ има номинални отпор од 10 kΩ на 25°C. Термистори имају номиналне или основне вредности отпора у распону од неколико ома до 10 MΩ. Термистори са ниским номиналним отпором (номинални отпор од 10 kΩ или мање) обично подржавају ниже температурне опсеге, као што су -50°C до +70°C. Термистори са вишим номиналним отпором могу издржати температуре до 300°C.
Термисторски елемент је направљен од металног оксида. Термистори су доступни у кугличном, радијалном и SMD облику. Термисторске перле су епоксидно обложене или стаклено капсулиране ради додатне заштите. Куглични термистори са епоксидним премазом, радијални и површински термистори су погодни за температуре до 150°C. Термистори са стакленим перлама су погодни за мерење високих температура. Све врсте премаза/амбалаже такође штите од корозије. Неки термистори ће такође имати додатна кућишта за додатну заштиту у тешким условима. Термистори са перлама имају брже време одзива од радијалних/SMD термисторија. Међутим, нису толико издржљиви. Стога, тип термистора који се користи зависи од крајње примене и окружења у којем се термистор налази. Дугорочна стабилност термистора зависи од његовог материјала, паковања и дизајна. На пример, NTC термистор са епоксидним премазом може се променити за 0,2°C годишње, док се затворени термистор мења само за 0,02°C годишње.
Термистори се испоручују у различитој тачности. Стандардни термистори обично имају тачност од 0,5°C до 1,5°C. Отпорност термисторија и бета вредност (однос од 25°C до 50°C/85°C) имају толеранцију. Треба напоменути да се бета вредност термисторија разликује у зависности од произвођача. На пример, NTC термистори од 10 kΩ различитих произвођача имаће различите бета вредности. За прецизније системе могу се користити термистори као што је серија Omega™ 44xxx. Они имају тачност од 0,1°C или 0,2°C у температурном опсегу од 0°C до 70°C. Стога, опсег температура које се могу мерити и тачност потребна у том температурном опсегу одређују да ли су термистори погодни за ову примену. Имајте на уму да што је већа тачност серије Omega 44xxx, то је већа цена.
За претварање отпора у степене Целзијуса обично се користи бета вредност. Бета вредност се одређује познавањем две температурне тачке и одговарајућег отпора у свакој температурној тачки.
RT1 = Отпорност на температуру 1 RT2 = Отпорност на температуру 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Корисник користи бета вредност која је најближа температурном опсегу коришћеном у пројекту. Већина техничких листова термистора наводи бета вредност заједно са толеранцијом отпора на 25°C и толеранцијом за бета вредност.
Термистори веће прецизности и решења за завршетак високе прецизности, као што је серија Omega 44xxx, користе Штајнхарт-Хартову једначину за претварање отпора у степене Целзијуса. Једначина 2 захтева три константе A, B и C, које поново обезбеђује произвођач сензора. Пошто се коефицијенти једначине генеришу коришћењем три температурне тачке, резултујућа једначина минимизира грешку уведену линеаризацијом (типично 0,02 °C).
A, B и C су константе изведене из три задате вредности температуре. R = отпор термистора у омима T = температура у K степенима
На слици 3 је приказана струја побуђивања сензора. Погонска струја се примењује на термистор, а иста струја се примењује на прецизни отпорник; прецизни отпорник се користи као референца за мерење. Вредност референтног отпорника мора бити већа или једнака највишој вредности отпора термистора (у зависности од најниже измерене температуре у систему).
Приликом избора струје побуђивања, поново се мора узети у обзир максимални отпор термистора. Ово осигурава да је напон на сензору и референтном отпорнику увек на нивоу прихватљивом за електронику. Извор струје поља захтева одређени простор за напон или усклађивање излаза. Ако термистор има висок отпор на најнижој мерљивој температури, то ће резултирати веома ниском струјом погона. Стога је напон генерисан на термистору на високој температури мали. Програмабилни степени појачања могу се користити за оптимизацију мерења ових сигнала ниског нивоа. Међутим, појачање се мора динамички програмирати јер се ниво сигнала са термистора значајно мења са температуром.
Друга опција је подешавање појачања, али коришћење динамичке струје погона. Стога, како се ниво сигнала са термистора мења, вредност струје погона се динамички мења тако да напон развијен на термистору буде унутар наведеног улазног опсега електронског уређаја. Корисник мора да осигура да је напон развијен на референтном отпорнику такође на нивоу прихватљивом за електронику. Обе опције захтевају висок ниво контроле, стално праћење напона на термистору како би електроника могла да мери сигнал. Да ли постоји лакша опција? Размотрите побуду напоном.
Када се једносмерни напон примени на термистор, струја кроз термистор се аутоматски скалира како се мења отпор термистора. Сада, коришћењем прецизног мерног отпорника уместо референтног отпорника, његова сврха је да израчуна струју која тече кроз термистор, што омогућава израчунавање отпора термистора. Пошто се напон погона такође користи као референтни сигнал АЦП-а, није потребан степен појачања. Процесор нема задатак да прати напон термистора, утврђује да ли електроника може да измери ниво сигнала и израчунава коју вредност појачања/струје погона треба подесити. Ово је метод који се користи у овом чланку.
Ако термистор има мали отпор и опсег отпора, може се користити побуђивање напоном или струјом. У овом случају, струја погона и појачање могу бити фиксни. Стога ће коло бити као што је приказано на слици 3. Ова метода је погодна јер је могуће контролисати струју кроз сензор и референтни отпорник, што је вредно у применама са малом снагом. Поред тога, самозагревање термистора је минимизирано.
Напонско побуђивање се такође може користити за термисторе са ниским отпором. Међутим, корисник увек мора да се увери да струја кроз сензор није превисока за сензор или примену.
Напонско побуђивање поједностављује имплементацију када се користи термистор са великим номиналним отпором и широким температурним опсегом. Већи номинални отпор обезбеђује прихватљив ниво номиналне струје. Међутим, пројектанти морају да обезбеде да је струја на прихватљивом нивоу у целом температурном опсегу који подржава апликација.
Сигма-делта А/Д конвертори нуде неколико предности при пројектовању система за мерење термистора. Прво, пошто сигма-делта А/Д конвертор поново узоркује аналогни улаз, екстерно филтрирање је сведено на минимум и једини захтев је једноставан RC филтер. Они пружају флексибилност у типу филтера и брзини преноса на излазу. Уграђено дигитално филтрирање може се користити за сузбијање било каквих сметњи у уређајима који се напајају из мреже. 24-битни уређаји као што су AD7124-4/AD7124-8 имају пуну резолуцију до 21,7 бита, тако да пружају високу резолуцију.
Употреба сигма-делта АЦП-а значајно поједностављује дизајн термистора, а истовремено смањује спецификације, трошкове система, простор на плочи и време потребно за пласман на тржиште.
Овај чланак користи AD7124-4/AD7124-8 као А/Д конвертор јер су то нискошумни, прецизни А/Д конвертори мале струје са уграђеним PGA, уграђеном референцом, аналогним улазом и референтним бафером.
Без обзира да ли користите струју погона или напон погона, препоручује се ратиометријска конфигурација у којој референтни напон и напон сензора долазе из истог извора погона. То значи да било каква промена у извору побуде неће утицати на тачност мерења.
На слици 5 је приказана константна струја погона за термистор и прецизни отпорник RREF, напон који се развија на RREF је референтни напон за мерење термистора.
Струја поља не мора бити тачна и може бити мање стабилна јер ће се све грешке у струји поља елиминисати у овој конфигурацији. Генерално, струјна побуда је пожељнија од напонске побуде због супериорне контроле осетљивости и бољег имунитета на шум када се сензор налази на удаљеним локацијама. Ова врста методе пристрасности се обично користи за RTD или термисторе са ниским вредностима отпора. Међутим, за термистор са вишом вредношћу отпора и вишом осетљивошћу, ниво сигнала генерисан сваком променом температуре биће већи, па се користи напонска побуда. На пример, термистор од 10 kΩ има отпор од 10 kΩ на 25°C. На -50°C, отпор NTC термистора је 441,117 kΩ. Минимална струја погона од 50 µA коју обезбеђује AD7124-4/AD7124-8 генерише 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, што је превисоко и ван радног опсега већине доступних ADC-ова који се користе у овој области примене. Термистори су такође обично повезани или се налазе близу електронике, тако да имунитет на струју погона није потребан.
Додавање сензорског отпорника у серију као коло делитеља напона ограничиће струју кроз термистор на његову минималну вредност отпора. У овој конфигурацији, вредност сензорског отпорника RSENSE мора бити једнака вредности отпора термистора на референтној температури од 25°C, тако да ће излазни напон бити једнак средњој тачки референтног напона на његовој номиналној температури од 25°C. Слично, ако се користи термистор од 10 kΩ са отпором од 10 kΩ на 25°C, RSENSE треба да буде 10 kΩ. Како се температура мења, отпор NTC термистора се такође мења, а однос напона погона на термистору се такође мења, што резултира тиме да је излазни напон пропорционалан отпору NTC термистора.
Ако се изабрани референтни напон који се користи за напајање термистора и/или RSENSE-а подудара са референтним напоном ADC-а који се користи за мерење, систем је подешен на ратиометријско мерење (слика 7) тако да ће свака грешка напона повезана са побуђивањем бити поларизована да би се уклонила.
Треба напоменути да или сензорски отпорник (покретан напоном) или референтни отпорник (покретан струјом) треба да имају ниску почетну толеранцију и мали дрифт, јер обе променљиве могу утицати на тачност целог система.
Када се користи више термистора, може се користити један напон побуде. Међутим, сваки термистор мора имати свој прецизни отпорник, као што је приказано на слици 8. Друга опција је коришћење екстерног мултиплексера или прекидача ниског отпора у укљученом стању, што омогућава дељење једног прецизног отпорника. Са овом конфигурацијом, сваком термистору је потребно одређено време смиривања приликом мерења.
Укратко, приликом пројектовања система за мерење температуре заснованог на термистору, постоји много питања која треба размотрити: избор сензора, ожичење сензора, компромиси при избору компоненти, конфигурација АЦП-а и како ове различите променљиве утичу на укупну тачност система. Следећи чланак у овој серији објашњава како да оптимизујете дизајн система и укупни буџет грешака система како бисте постигли циљане перформансе.
Време објаве: 30. септембар 2022.