See on kaheosalise sarja esimene artikkel. See artikkel käsitleb esmalt ajalugu ja disainiprobleemetermistoripõhine temperatuurmõõtesüsteemid, samuti nende võrdlus takistustermomeetri (RTD) temperatuuri mõõtmise süsteemidega. Samuti kirjeldatakse termistori valikut, konfiguratsiooni kompromisse ja sigma-delta analoog-digitaalmuundurite (ADC) olulisust selles rakendusvaldkonnas. Teises artiklis kirjeldatakse üksikasjalikult, kuidas optimeerida ja hinnata lõplikku termistoripõhist mõõtesüsteemi.
Nagu eelmises artiklisarjas „RTD temperatuuriandurite süsteemide optimeerimine” kirjeldatud, on RTD takisti, mille takistus varieerub sõltuvalt temperatuurist. Termistorid töötavad sarnaselt RTD-dega. Erinevalt RTD-dest, millel on ainult positiivne temperatuurikoefitsient, võib termistoril olla positiivne või negatiivne temperatuurikoefitsient. Negatiivse temperatuurikoefitsiendiga (NTC) termistoride takistus väheneb temperatuuri tõustes, positiivse temperatuurikoefitsiendiga (PTC) termistoride takistus aga suureneb temperatuuri tõustes. Joonisel 1 on näidatud tüüpiliste NTC ja PTC termistoride karakteristikud ja võrreldud neid RTD kõveratega.
Temperatuurivahemiku osas on RTD-kõver peaaegu lineaarne ja andur katab termistori mittelineaarse (eksponentsiaalse) olemuse tõttu palju laiema temperatuurivahemiku kui termistorid (tavaliselt -200 °C kuni +850 °C). RTD-d esitatakse tavaliselt tuntud standardiseeritud kõveratena, samas kui termistori kõverad on tootjati erinevad. Seda käsitleme üksikasjalikumalt käesoleva artikli termistori valiku juhendi osas.
Termistorid on valmistatud komposiitmaterjalidest, tavaliselt keraamikast, polümeeridest või pooljuhtidest (tavaliselt metalloksiididest) ja puhastest metallidest (plaatina, nikkel või vask). Termistorid suudavad temperatuurimuutusi kiiremini tuvastada kui RTD-d, pakkudes kiiremat tagasisidet. Seetõttu kasutavad termistore tavaliselt andurid rakendustes, mis nõuavad madalat hinda, väikest suurust, kiiremat reageerimisaega, suuremat tundlikkust ja piiratud temperatuurivahemikku, näiteks elektroonika juhtimises, kodu- ja hoonejuhtimises, teaduslaborites või termopaaride külmasiirde kompenseerimisel äri- või tööstusrakendustes. Rakendused.
Enamasti kasutatakse täpseks temperatuuri mõõtmiseks NTC termistore, mitte PTC termistore. Saadaval on mõned PTC termistorid, mida saab kasutada ülekoormuskaitseahelates või lähtestatavate kaitsmetena ohutusrakendustes. PTC termistori takistus-temperatuuri kõver näitab enne lülituspunkti (või Curie punkti) jõudmist väga väikest NTC piirkonda, mille kohal takistus tõuseb järsult mitme suurusjärgu võrra mitme Celsiuse kraadi vahemikus. Ülekoormuse tingimustes tekitab PTC termistor lülitustemperatuuri ületamisel tugeva isekuumenemise ja selle takistus tõuseb järsult, mis vähendab süsteemi sisendvoolu, hoides seeläbi ära kahjustused. PTC termistoride lülituspunkt on tavaliselt vahemikus 60 °C kuni 120 °C ning see ei sobi temperatuuri mõõtmise juhtimiseks paljudes rakendustes. See artikkel keskendub NTC termistoridele, mis tavaliselt suudavad mõõta või jälgida temperatuuri vahemikus -80 °C kuni +150 °C. NTC termistoride takistuse nimiväärtused jäävad vahemikku mõnest oomist kuni 10 MΩ-ni temperatuuril 25 °C. Nagu joonisel 1 näidatud, on termistoride takistuse muutus Celsiuse kraadi kohta suurem kui takistustermomeetrite puhul. Võrreldes termistoridega lihtsustab termistori kõrge tundlikkus ja kõrge takistusväärtus selle sisendahelat, kuna termistorid ei vaja juhtmestiku kompenseerimiseks spetsiaalset juhtmestiku konfiguratsiooni, näiteks 3- või 4-juhtmelist. Termistori konstruktsioon kasutab ainult lihtsat 2-juhtmelist konfiguratsiooni.
Täpne termistoripõhine temperatuuri mõõtmine nõuab täpset signaalitöötlust, analoog-digitaalmuuendamist, lineariseerimist ja kompenseerimist, nagu on näidatud joonisel 2.
Kuigi signaaliahel võib tunduda lihtne, on mitmeid keerukusi, mis mõjutavad kogu emaplaadi suurust, maksumust ja jõudlust. ADI täppis-ADC portfell sisaldab mitmeid integreeritud lahendusi, näiteks AD7124-4/AD7124-8, mis pakuvad mitmeid eeliseid jahutussüsteemi disainimisel, kuna enamik rakenduse jaoks vajalikke ehitusplokke on sisseehitatud. Termistoripõhiste temperatuuri mõõtmise lahenduste disainimisel ja optimeerimisel on aga mitmeid väljakutseid.
See artikkel käsitleb kõiki neid probleeme ja annab soovitusi nende lahendamiseks ning selliste süsteemide projekteerimisprotsessi edasiseks lihtsustamiseks.
Seal on lai valikNTC termistoridTänapäeval turul on saadaval palju termistore, seega võib õige termistori valimine teie rakenduse jaoks olla keeruline ülesanne. Pange tähele, et termistorid on loetletud nimiväärtuse järgi, mis on nende nimitakistus temperatuuril 25 °C. Seega on 10 kΩ termistori nimitakistus temperatuuril 25 °C 10 kΩ. Termistoride nimi- või baastakistuse väärtused jäävad vahemikku mõnest oomist kuni 10 MΩ-ni. Madala takistusreitinguga termistorid (nimitakistus 10 kΩ või vähem) toetavad tavaliselt madalamaid temperatuurivahemikke, näiteks -50 °C kuni +70 °C. Kõrgema takistusreitinguga termistorid taluvad temperatuuri kuni 300 °C.
Termistorielement on valmistatud metalloksiidist. Termistorid on saadaval kuul-, radiaal- ja SMD-kujulistena. Termistori pärlid on täiendava kaitse tagamiseks epoksüüdkattega või klaaskapseldatud. Epoksüüdkattega kuul-, radiaal- ja pinnatermistorid sobivad temperatuuridele kuni 150 °C. Klaaspärltermistorid sobivad kõrgete temperatuuride mõõtmiseks. Kõik tüüpi katted/pakendid kaitsevad ka korrosiooni eest. Mõnel termistoril on ka täiendavad korpused täiendava kaitse tagamiseks karmides keskkondades. Pärltermistoridel on kiirem reageerimisaeg kui radiaal-/SMD-termistoridel. Kuid need pole nii vastupidavad. Seetõttu sõltub kasutatava termistori tüüp lõppkasutusest ja keskkonnast, milles termistor asub. Termistori pikaajaline stabiilsus sõltub selle materjalist, pakendist ja konstruktsioonist. Näiteks epoksüüdkattega NTC-termistor võib muutuda 0,2 °C aastas, samas kui suletud termistor muutub ainult 0,02 °C aastas.
Termistorid on erineva täpsusega. Standardsete termistoride täpsus on tavaliselt 0,5 °C kuni 1,5 °C. Termistori takistuse nimiväärtusel ja beetaväärtusel (suhe 25 °C kuni 50 °C/85 °C) on tolerants. Pange tähele, et termistori beetaväärtus varieerub tootjati. Näiteks on eri tootjate 10 kΩ NTC termistoridel erinevad beetaväärtused. Täpsemate süsteemide jaoks saab kasutada termistore, näiteks Omega™ 44xxx seeriat. Nende täpsus on 0,1 °C või 0,2 °C temperatuurivahemikus 0 °C kuni 70 °C. Seega määrab mõõdetavate temperatuuride vahemik ja selles temperatuurivahemikus vajalik täpsus, kas termistorid sobivad selleks rakenduseks. Pange tähele, et mida suurem on Omega 44xxx seeria täpsus, seda kõrgem on hind.
Takistuse Celsiuse kraadideks teisendamiseks kasutatakse tavaliselt beetaväärtust. Beetaväärtus määratakse kahe temperatuuripunkti ja iga temperatuuripunkti vastava takistuse tundmise teel.
RT1 = Temperatuurikindlus 1 RT2 = Temperatuurikindlus 2 T1 = Temperatuur 1 (K) T2 = Temperatuur 2 (K)
Kasutaja kasutab projektis kasutatavale temperatuurivahemikule lähimat beetaväärtust. Enamikul termistoride andmelehtedel on beetaväärtus koos takistustolerantsiga temperatuuril 25 °C ja beetaväärtuse tolerantsiga.
Suurema täpsusega termistorid ja suure täpsusega lõpetamislahendused, näiteks Omega 44xxx seeria, kasutavad takistuse Celsiuse kraadideks teisendamiseks Steinhart-Harti võrrandit. Võrrand 2 nõuab kolme konstanti A, B ja C, mille annab taas anduri tootja. Kuna võrrandi koefitsiendid genereeritakse kolme temperatuuripunkti abil, minimeerib saadud võrrand lineariseerimisest tulenevat viga (tavaliselt 0,02 °C).
A, B ja C on kolmest temperatuuri seadeväärtusest tuletatud konstandid. R = termistori takistus oomides T = temperatuur kelvini kraadides
Joonisel 3 on näidatud anduri ergutusvool. Termistorile rakendatakse ajamivoolu ja sama voolutugevus rakendatakse täppistakistile; täppistakistit kasutatakse mõõtmisel võrdlusväärtusena. Võrdlustakisti väärtus peab olema suurem või võrdne termistori takistuse suurima väärtusega (sõltuvalt süsteemis mõõdetud madalaimast temperatuurist).
Ergutusvoolu valimisel tuleb taas arvesse võtta termistori maksimaalset takistust. See tagab, et anduri ja võrdlustakisti vaheline pinge on alati elektroonikale vastuvõetaval tasemel. Ergutusvooluallikas vajab teatavat reservruumi või väljundi sobitamist. Kui termistoril on madalaimal mõõdetaval temperatuuril kõrge takistus, on tulemuseks väga madal ajamisvool. Seetõttu on termistoril kõrgel temperatuuril tekkiv pinge väike. Nende madala tasemega signaalide mõõtmise optimeerimiseks saab kasutada programmeeritavaid võimendusastmeid. Võimendust tuleb aga programmeerida dünaamiliselt, kuna termistori signaali tase varieerub temperatuurist olenevalt oluliselt.
Teine võimalus on seadistada võimendus, aga kasutada dünaamilist ajamivoolu. Seega, kui termistori signaali tase muutub, muutub ajamivoolu väärtus dünaamiliselt, nii et termistoril tekkiv pinge jääb elektroonikaseadme määratud sisendvahemikku. Kasutaja peab tagama, et võrdlustakistil tekkiv pinge oleks ka elektroonikale vastuvõetaval tasemel. Mõlemad valikud nõuavad kõrgetasemelist juhtimist ja termistori pinge pidevat jälgimist, et elektroonika saaks signaali mõõta. Kas on olemas lihtsamat varianti? Kaaluge pingeergutust.
Kui termistorile rakendatakse alalispinget, siis termistori läbiv vool skaleerub automaatselt vastavalt termistori takistuse muutumisele. Nüüd, kasutades võrdlustakisti asemel täppismõõtetakistit, on selle eesmärk arvutada termistori läbivat voolu, võimaldades seega termistori takistuse arvutamist. Kuna ajami pinget kasutatakse ka ADC võrdlussignaalina, pole võimendusastet vaja. Protsessoril ei ole ülesannet jälgida termistori pinget, teha kindlaks, kas elektroonika saab signaali taset mõõta, ja arvutada, millist ajami võimenduse/voolu väärtust tuleb reguleerida. Seda meetodit kasutatakse selles artiklis.
Kui termistoril on väike takistus ja takistusvahemik, saab kasutada pinge- või vooluergastust. Sellisel juhul saab ajami voolu ja võimenduse fikseerida. Seega on vooluring selline, nagu on näidatud joonisel 3. See meetod on mugav, kuna voolu saab juhtida anduri ja võrdlustakisti kaudu, mis on väärtuslik väikese võimsusega rakendustes. Lisaks minimeeritakse termistori isekuumenemist.
Pingeergastust saab kasutada ka madala takistusega termistoride puhul. Kasutaja peab aga alati veenduma, et andurit läbiv vool ei oleks anduri ega rakenduse jaoks liiga suur.
Pinge ergutus lihtsustab rakendamist suure takistuse ja laia temperatuurivahemikuga termistori kasutamisel. Suurem nimitakistus tagab vastuvõetava nimivoolu taseme. Projekteerijad peavad aga tagama, et vool oleks vastuvõetaval tasemel kogu rakenduse toetatava temperatuurivahemiku ulatuses.
Sigma-delta ADC-d pakuvad termistori mõõtesüsteemi kavandamisel mitmeid eeliseid. Esiteks, kuna sigma-delta ADC võtab analoogsisendi uuesti valimi, on väline filtreerimine minimaalne ja ainus nõue on lihtne RC-filter. Need pakuvad paindlikkust filtritüübi ja väljundi baudikiiruse osas. Sisseehitatud digitaalset filtreerimist saab kasutada võrgutoitel töötavate seadmete häirete summutamiseks. 24-bitistel seadmetel, näiteks AD7124-4/AD7124-8, on täiseraldusvõime kuni 21,7 bitti, seega pakuvad need kõrget eraldusvõimet.
Sigma-delta analoog-digimuunduri kasutamine lihtsustab termistori konstruktsiooni oluliselt, vähendades samal ajal spetsifikatsiooni, süsteemi maksumust, plaadiruumi ja turule jõudmise aega.
See artikkel kasutab AD-muundurina AD7124-4/AD7124-8, kuna need on madala müratasemega, väikese voolutugevusega, täppis-AD-muundurid, millel on sisseehitatud PGA, sisseehitatud etalon, analoogsisend ja etalonpuhver.
Olenemata sellest, kas kasutate ajami voolu või ajami pinget, on soovitatav ratiomeetriline konfiguratsioon, kus võrdluspinge ja anduri pinge pärinevad samast ajami allikast. See tähendab, et ergastusallika muutus ei mõjuta mõõtmise täpsust.
Joonisel 5 on näidatud termistori ja täppistakisti RREF konstantne ajamisvool, RREF-il tekkiv pinge on termistori mõõtmise võrdluspinge.
Väljavool ei pea olema täpne ja võib olla vähem stabiilne, kuna sellises konfiguratsioonis välistatakse kõik väljavoolu vead. Üldiselt eelistatakse vooluergastust pingeergastusele tänu paremale tundlikkuse juhtimisele ja paremale mürakindlusele, kui andur asub kaugemates kohtades. Seda tüüpi eelpingestusmeetodit kasutatakse tavaliselt madala takistusega RTD-de või termistoride puhul. Suurema takistuse ja tundlikkusega termistori puhul on aga iga temperatuurimuutuse tekitatud signaali tase suurem, seega kasutatakse pingeergastust. Näiteks 10 kΩ termistori takistus on temperatuuril 25 °C 10 kΩ. Temperatuuril -50 °C on NTC termistori takistus 441,117 kΩ. AD7124-4/AD7124-8 pakutav minimaalne ajamisvool 50 µA genereerib 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, mis on liiga kõrge ja jääb väljapoole enamiku selles rakendusvaldkonnas kasutatavate ADC-de töövahemikku. Termistorid on tavaliselt ühendatud elektroonikaga või asuvad selle lähedal, seega pole ajamivoolu suhtes immuunsust vaja.
Pingejagurina järjestikku ühendatud anduritakisti lisamine piirab termistori läbiva voolu minimaalse takistusväärtuseni. Selle konfiguratsiooni korral peab anduritakisti RSENSE väärtus olema võrdne termistori takistuse väärtusega võrdlustemperatuuril 25 °C, nii et väljundpinge oleks võrdne võrdluspinge keskpunktiga nimitemperatuuril 25 °C. Samamoodi, kui kasutatakse 10 kΩ termistori takistusega 10 kΩ temperatuuril 25 °C, peaks RSENSE olema 10 kΩ. Temperatuuri muutudes muutub ka NTC termistori takistus ja ka termistori ajamipinge suhe, mille tulemuseks on väljundpinge proportsionaalne NTC termistori takistusega.
Kui termistori ja/või RSENSE toiteks kasutatav valitud pingereferents vastab mõõtmiseks kasutatavale ADC referentspingele, lülitatakse süsteem ratiomeetrilisele mõõtmisele (joonis 7), nii et igasugune ergastusest tulenev veapingeallikas eemaldatakse eelpingega.
Pane tähele, et nii tajutakistil (pingega juhitav) kui ka võrdlustakistil (vooluga juhitav) peaks olema madal algtolerants ja väike triiv, kuna mõlemad muutujad võivad mõjutada kogu süsteemi täpsust.
Mitme termistori kasutamisel saab kasutada ühte ergastuspinget. Igal termistoril peab aga olema oma täppisanduri takisti, nagu on näidatud joonisel 8. Teine võimalus on kasutada välist multiplekserit või madala takistusega lülitit sisselülitatud olekus, mis võimaldab jagada ühte täppisanduri takistit. Selle konfiguratsiooni korral vajab iga termistor mõõtmise ajal teatud stabiliseerumisaega.
Kokkuvõttes tuleb termistoripõhise temperatuuri mõõtmise süsteemi kavandamisel arvestada paljude küsimustega: anduri valik, anduri juhtmestik, komponentide valiku kompromissid, ADC konfiguratsioon ja kuidas need erinevad muutujad mõjutavad süsteemi üldist täpsust. Selle sarja järgmine artikkel selgitab, kuidas optimeerida oma süsteemi disaini ja üldist süsteemi veaeelarvet, et saavutada soovitud jõudlus.
Postituse aeg: 30. september 2022