Оптимизација система за мерење температуре заснованих на термистору: изазов

Ово је први чланак у дводелној серији. Овај чланак ће прво разговарати о историји и изазовима дизајнатемпература на бази термисторасистеми мерења, као и њихово поређење са системима за мерење температуре отпорним термометром (РТД). Такође ће описати избор термистора, компромисе у конфигурацији и важност сигма-делта аналогно-дигиталних претварача (АДЦ) 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 РТД система температурних сензора, РТД је отпорник чији отпор варира са температуром. Термистори раде слично као РТД. За разлику од РТД-а, који имају само позитиван температурни коефицијент, термистор може имати позитиван или негативан температурни коефицијент. Термистори са негативним температурним коефицијентом (НТЦ) смањују свој отпор како температура расте, док термистори са позитивним температурним коефицијентом (ПТЦ) повећавају свој отпор како температура расте. На сл. 1 приказује карактеристике одзива типичних НТЦ и ПТЦ термистора и упоређује их са РТД кривама.
У погледу температурног опсега, РТД крива је скоро линеарна, а сензор покрива много шири температурни опсег од термистора (обично -200°Ц до +850°Ц) због нелинеарне (експоненцијалне) природе термистора. РТД се обично испоручују у добро познатим стандардизованим кривама, док се криве термистора разликују од произвођача. О томе ћемо детаљно разговарати у одељку водича за избор термистора у овом чланку.
Термистори су направљени од композитних материјала, обично керамике, полимера или полупроводника (обично метални оксиди) и чистих метала (платина, никл или бакар). Термистори могу да детектују температурне промене брже од РТД-ова, пружајући брже повратне информације. Због тога сензори обично користе термисторе у апликацијама које захтевају ниску цену, малу величину, бржи одзив, већу осетљивост и ограничен температурни опсег, као што су контрола електронике, контрола куће и зграда, научне лабораторије или компензација хладног споја за термопарове у комерцијалним или индустријске примене. сврхе. Апликације.
У већини случајева за прецизно мерење температуре користе се НТЦ термистори, а не ПТЦ термистори. Доступни су неки ПТЦ термистори који се могу користити у круговима заштите од прекомерне струје или као осигурачи који се могу ресетовати за сигурносне апликације. Крива отпор-температура ПТЦ термистора показује веома мали НТЦ регион пре достизања тачке пребацивања (или Киријеве тачке), изнад које отпор нагло расте за неколико редова величине у опсегу од неколико степени Целзијуса. У условима прекомерне струје, ПТЦ термистор ће генерисати снажно самозагревање када се температура пребацивања прекорачи, а његов отпор ће нагло порасти, што ће смањити улазну струју у систем, чиме ће се спречити оштећење. Тачка укључивања ПТЦ термистора је типично између 60°Ц и 120°Ц и није погодна за контролу мерења температуре у широком спектру примена. Овај чланак се фокусира на НТЦ термисторе, који обично могу да мере или прате температуре у распону од -80°Ц до +150°Ц. НТЦ термистори имају отпорност 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 него за отпорне термометре. У поређењу са термисторима, висока осетљивост и висока вредност отпора термистора поједностављују његово улазно коло, пошто термистор не захтева никакву посебну конфигурацију ожичења, као што је 3-жична или 4-жична, да би се компензовао отпор проводника. Дизајн термистора користи само једноставну 2-жичну конфигурацију.
Високо прецизно мерење температуре засновано на термистору захтева прецизну обраду сигнала, аналогно-дигиталну конверзију, линеаризацију и компензацију, као што је приказано на сл. 2.
Иако ланац сигнала може изгледати једноставно, постоји неколико сложености које утичу на величину, цену и перформансе целе матичне плоче. АДИ-јев портфолио прецизних АДЦ укључује неколико интегрисаних решења, као што је АД7124-4/АД7124-8, која пружају бројне предности за дизајн термичког система пошто је већина грађевинских блокова потребних за апликацију уграђена. Међутим, постоје различити изазови у пројектовању и оптимизацији решења за мерење температуре заснованих на термисторима.
Овај чланак разматра свако од ових питања и даје препоруке за њихово решавање и даље поједностављивање процеса пројектовања таквих система.
Постоји велики изборНТЦ термисторина тржишту данас, тако да избор правог термистора за вашу апликацију може бити застрашујући задатак. Имајте на уму да су термистори наведени према њиховој номиналној вредности, што је њихов називни отпор на 25°Ц. Према томе, термистор од 10 кΩ има номинални отпор од 10 кΩ на 25°Ц. Термистори имају номиналне или основне вредности отпора у распону од неколико ома до 10 МΩ. Термистори са ниским оценама отпора (номинални отпор од 10 кΩ или мање) обично подржавају ниже температурне опсеге, као што је -50°Ц до +70°Ц. Термистори већег степена отпорности могу да издрже температуре до 300°Ц.
Елемент термистора је направљен од металног оксида. Термистори су доступни у лоптастим, радијалним и СМД облицима. Перле термистора су обложене епоксидом или стаклом за додатну заштиту. Куглични термистори, радијални и површински обложени епоксидом су погодни за температуре до 150°Ц. Термистори од стаклених перли су погодни за мерење високих температура. Све врсте премаза/амбалажа такође штите од корозије. Неки термистори ће такође имати додатна кућишта за додатну заштиту у тешким окружењима. Термистори са перлама имају брже време одзива од радијалних/СМД термистора. Међутим, они нису тако издржљиви. Стога, тип термистора који се користи зависи од крајње примене и окружења у коме се термистор налази. Дугорочна стабилност термистора зависи од његовог материјала, паковања и дизајна. На пример, НТЦ термистор обложен епоксидом може да промени 0,2°Ц годишње, док запечаћени термистор мења само 0,02°Ц годишње.
Термистори долазе са различитом прецизношћу. Стандардни термистори обично имају тачност од 0,5°Ц до 1,5°Ц. Оцена отпора термистора и бета вредност (однос од 25°Ц до 50°Ц/85°Ц) имају толеранцију. Имајте на уму да бета вредност термистора варира од произвођача. На пример, 10 кΩ НТЦ термистори различитих произвођача ће имати различите бета вредности. За прецизније системе могу се користити термистори као што је серија Омега™ 44ккк. Имају тачност од 0,1°Ц или 0,2°Ц у температурном опсегу од 0°Ц до 70°Ц. Према томе, 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 Омега 44ккк, 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 на свакој температурној тачки.
РТ1 = температурни отпор 1 РТ2 = температурни отпор 2 Т1 = температура 1 (К) Т2 = температура 2 (К)
Корисник користи бета вредност најближу температурном опсегу који се користи у пројекту. Већина листова са термисторима наводи бета вредност заједно са толеранцијом отпора на 25°Ц и толеранцијом за бета вредност.
Термистори веће прецизности и решења за завршетак високе прецизности као што је серија Омега 44ккк користе Стеинхарт-Хартову једначину за претварање отпора у степене Целзијуса. Једначина 2 захтева три константе А, Б и Ц, које је поново обезбедио произвођач сензора. Пошто се коефицијенти једначине генеришу коришћењем три температурне тачке, резултујућа једначина минимизира грешку уведену линеаризацијом (обично 0,02 °Ц).
А, Б и Ц су константе изведене из три задате вредности температуре. Р = отпор термистора у омима Т = температура у К степени
На сл. 3 приказује тренутну побуду сензора. Погонска струја се примењује на термистор и иста струја се примењује на прецизни отпорник; као референца за мерење се користи прецизни отпорник. Вредност референтног отпорника мора бити већа или једнака највишој вредности отпора термистора (у зависности од најниже мерене температуре у систему).
Приликом одабира струје побуде, поново се мора узети у обзир максимални отпор термистора. Ово осигурава да напон на сензору и референтном отпорнику увек буде на нивоу прихватљивом за електронику. Извор струје поља захтева одређено усклађивање у висини или излазу. Ако термистор има висок отпор на најнижој мерљивој температури, то ће резултирати веома ниском погонском струјом. Због тога је напон који се генерише преко термистора при високој температури мали. Програмабилни степен појачања се може користити за оптимизацију мерења ових сигнала ниског нивоа. Међутим, појачање се мора програмирати динамички јер ниво сигнала са термистора у великој мери варира са температуром.
Друга опција је да подесите појачање, али користите динамичку струју погона. Због тога, како се ниво сигнала са термистора мења, вредност струје погона се динамички мења тако да је напон развијен на термистору унутар специфицираног улазног опсега електронског уређаја. Корисник мора осигурати да је напон развијен на референтном отпорнику такође на нивоу прихватљивом за електронику. Обе опције захтевају висок ниво контроле, стално праћење напона преко термистора како би електроника могла да мери сигнал. Постоји ли лакша опција? Размотрите напонску побуду.
Када се једносмерни напон примени на термистор, струја кроз термистор се аутоматски повећава како се отпор термистора мења. Сада, користећи прецизан мерни отпорник уместо референтног отпорника, његова сврха је да израчуна струју која тече кроз термистор, омогућавајући тако да се израчуна отпор термистора. Пошто се погонски напон такође користи као референтни сигнал АДЦ-а, није потребан степен појачања. Процесор нема задатак да надгледа напон термистора, да одреди да ли електроника може да измери ниво сигнала и да израчуна коју вредност појачања/струје погона треба да се подеси. Ово је метод који се користи у овом чланку.
Ако термистор има мали отпор и опсег отпора, може се користити напон или струјна побуда. У овом случају, струја погона и појачање се могу фиксирати. Дакле, коло ће бити као што је приказано на слици 3. Овај метод је згодан по томе што је могуће контролисати струју кроз сензор и референтни отпорник, што је драгоцено у апликацијама мале снаге. Поред тога, самозагревање термистора је минимизирано.
Напонска побуда се такође може користити за термисторе са ниским оценама отпора. Међутим, корисник увек мора да обезбеди да струја кроз сензор није превелика за сензор или апликацију.
Побуђивање напона поједностављује примену када се користи термистор са великом оценом отпора и широким температурним опсегом. Већи називни отпор обезбеђује прихватљив ниво називне струје. Међутим, дизајнери треба да осигурају да је струја на прихватљивом нивоу у целом температурном опсегу који подржава апликација.
Сигма-Делта АДЦ-ови нуде неколико предности при пројектовању система за мерење термистора. Прво, пошто сигма-делта АДЦ ресамплира аналогни улаз, екстерно филтрирање је сведено на минимум и једини захтев је једноставан РЦ филтер. Они пружају флексибилност у типу филтера и излазној брзини преноса. Уграђено дигитално филтрирање може се користити за сузбијање било каквих сметњи у уређајима који се напајају из мреже. 24-битни уређаји као што је АД7124-4/АД7124-8 имају пуну резолуцију до 21,7 бита, тако да пружају високу резолуцију.
Употреба сигма-делта АДЦ-а у великој мери поједностављује дизајн термистора, док истовремено смањује спецификације, трошкове система, простор на плочи и време за излазак на тржиште.
Овај чланак користи АД7124-4/АД7124-8 као АДЦ јер су то нискошумни, нискострујни, прецизни АДЦ-ови са уграђеним ПГА, уграђеном референцом, аналогним улазом и референтним бафером.
Без обзира да ли користите струју погона или напон погона, препоручује се рациометријска 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 сл. 5 приказује константну погонску струју за термистор и прецизни отпорник РРЕФ, напон развијен на РРЕФ је референтни напон за мерење термистора.
Струја поља не мора да буде тачна и може бити мање стабилна јер ће све грешке у струји поља бити елиминисане у овој конфигурацији. Генерално, струјна побуда је пожељнија у односу на напонску побуду због супериорне контроле осетљивости и боље отпорности на буку када се сензор налази на удаљеним локацијама. Ова врста методе пристрасности се обично користи за РТД-ове или термисторе са ниским вредностима отпора. Међутим, за термистор са вишом вредношћу отпора и већом осетљивошћу, ниво сигнала генерисан сваком променом температуре биће већи, па се користи напонска побуда. На пример, термистор од 10 кΩ има отпор од 10 кΩ на 25 ° Ц. На -50°Ц, отпор НТЦ термистора је 441,117 кΩ. Минимална струја погона од 50 µА коју обезбеђује АД7124-4/АД7124-8 генерише 441,117 кΩ × 50 µА = 22 В, што је превисоко и изван радног опсега већине доступних АДЦ-а који се користе у овој области примене. Термистори су такође обично повезани или смештени у близини електронике, тако да имунитет на струју није потребан.
Додавање сензорског отпорника у серију као кола за разделник напона ограничиће струју кроз термистор на његову минималну вредност отпора. У овој конфигурацији, вредност сензорског отпорника РСЕНСЕ мора бити једнака вредности отпора термистора на референтној температури од 25°Ц, тако да ће излазни напон бити једнак средњој тачки референтног напона на његовој номиналној температури од 25°ЦЦ Слично, ако се користи термистор од 10 кΩ са отпором од 10 кΩ на 25°Ц, РСЕНСЕ би требало да буде 10 кΩ. Како се температура мења, отпор НТЦ термистора се такође мења, а однос погонског напона преко термистора се такође мења, што доводи до тога да је излазни напон пропорционалан отпору НТЦ термистора.
Ако се изабрана референца напона која се користи за напајање термистора и/или РСЕНСЕ-а поклапа са референтним напоном АДЦ-а који се користи за мерење, систем је подешен на рациометријско мерење (Слика 7) тако да ће сваки извор напона везан за побуђивање бити пристрасан за уклањање.
Имајте на уму да или сензорски отпорник (напон напона) или референтни отпорник (покретан струјом) треба да имају ниску почетну толеранцију и мали помак, пошто обе варијабле 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 за сензор, као што је приказано на сл. 8. Друга опција је коришћење екстерног мултиплексора или прекидача ниског отпора у укљученом стању, што омогућава дељење једног отпорника прецизног сензора. Са овом конфигурацијом, сваком термистору је потребно одређено време за сређивање када се мери.
Укратко, када се дизајнира систем за мерење температуре заснован на термистору, постоји много питања која треба размотрити: избор сензора, ожичење сензора, компромиси при избору компоненти, конфигурација АДЦ-а и како ове различите варијабле утичу на укупну тачност система. Следећи чланак у овој серији објашњава како да оптимизујете дизајн система и укупни буџет системских грешака да бисте постигли циљне перформансе.