See on kaheosalise sarja esimene artikkel. Selles artiklis käsitletakse kõigepealt ajaloo ja disaini väljakutseidtermistoripõhine temperatuurMõõtesüsteemid, samuti nende võrdlus takistuse termomeetri (RTD) temperatuuri mõõtmissüsteemidega. Selles kirjeldatakse ka termistori, konfiguratsiooni kompromisside ja Sigma-Delta analoog-digitaalmuundurite (ADC) olulisust selles rakenduspiirkonnas. Teises artiklis kirjeldatakse, kuidas termistoripõhist mõõtesüsteemi optimeerida ja hinnata.
Nagu RTD temperatuuri andurisüsteemide optimeerimisel eelmises artikli seerias on kirjeldatud, on RTD takisti, mille takistus varieerub temperatuuriga. Termistorid töötavad sarnaselt RTD -dega. Erinevalt RTD -dest, millel on ainult positiivne temperatuurikoefitsient, võib termistoril olla positiivne või negatiivne temperatuuride koefitsient. Negatiivsete temperatuuride koefitsient (NTC) termistorid vähendavad temperatuuri tõustes nende vastupidavust, samas kui positiivse temperatuuri koefitsient (PTC) Termistorid suurendavad temperatuuri tõustes nende vastupidavust. Joonisel fig. 1 näitab tüüpiliste NTC ja PTC termistorite reageerimisomadusi ja võrdleb neid RTD kõveratega.
Temperatuurivahemiku osas on RTD kõver peaaegu lineaarne ja andur hõlmab palju laiemat temperatuurivahemikku kui termistorid (tavaliselt -200 ° C kuni +850 ° C) termistori mittelineaarse (eksponentsiaalse) olemuse tõttu. RTD-sid pakutakse tavaliselt tuntud standardiseeritud kõverates, samal ajal kui tootja termistorkõverad varieeruvad. Arutame seda üksikasjalikult selle artikli termistorvaliku juhendi jaotises.
Termistorid on valmistatud komposiitmaterjalidest, tavaliselt keraamikast, polümeeridest või pooljuhtidest (tavaliselt metalloksiidid) ja puhastest metallidest (plaatina, nikkel või vask). Termistorid suudavad tuvastada temperatuurimuutusi kiiremini kui RTDS, pakkudes kiiremat tagasisidet. Seetõttu kasutavad andurid termistoreid tavaliselt rakendustes, mis nõuavad madalat kulu, väiksust, kiiremat reageerimist, suuremat tundlikkust ja piiratud temperatuurivahemikku, näiteks elektroonikakontroll, kodu- ja hoonekontroll, teaduslaborid või külma ristmike kompensatsioon termoarmoküüpidele äri- või tööstusrakendustes. eesmärgid. Rakendused.
Enamikul juhtudel kasutatakse NTC termistoreid temperatuuri täpseks mõõtmiseks, mitte PTC termistoriteks. Saadaval on mõned PTC termistorid, mida saab kasutada ülevoolukaitseahelates või ohutusrakenduste jaoks ümberasustatavate kaitsmetena. PTC termistori takistus-temperatuuri kõver näitab enne lülitipunkti (või kuriepunkti) jõudmist väga väikest NTC piirkonda, mille kohal takistus tõuseb järsult mitme suurusjärgu võrra mitme kraadi Celsiuse vahemikus. Ülevoolu tingimustes genereerib PTC termistor tugeva enesekuumuvuse, kui lülitustemperatuur on ületatud, ja selle takistus tõuseb järsult, mis vähendab süsteemi sisendvoolu, hoides ära kahjustusi. PTC termistorite lülituspunkt on tavaliselt vahemikus 60 ° C kuni 120 ° C ja see ei sobi temperatuuri mõõtmise kontrollimiseks laias valikus. See artikkel keskendub NTC termistoritele, mis tavaliselt suudab temperatuuri mõõta või jälgida vahemikus -80 ° C kuni +150 ° C. NTC termistoritel on resistentsuse hinnangud vahemikus paar oomi kuni 10 MΩ temperatuuril 25 ° C. Nagu näidatud joonisel fig. 1, on resistentsuse muutus kraadi kohta termistorite jaoks rohkem väljendunud kui resistentsuse termomeetrite puhul. Võrreldes termistoritega lihtsustavad termistori kõrge tundlikkuse ja kõrge takistuse väärtus selle sisendskeemi, kuna termistorid ei vaja plii takistuse kompenseerimiseks spetsiaalset juhtmestiku konfiguratsiooni, näiteks 3-juhtmelist või 4-juhtmelist. Termistori kujundus kasutab ainult lihtsat 2-juhtmelist konfiguratsiooni.
Üle edu termistoril põhinev temperatuuri mõõtmine nõuab täpset signaalitöötlust, analoog-digitaalseks muundamist, lineaarset ja kompensatsiooni, nagu on näidatud joonisel fig. 2.
Ehkki signaalikett võib tunduda lihtne, on kogu emaplaadi suurust, maksumust ja jõudlust mõjutavad mitmed keerukused. ADI täpne ADC portfell sisaldab mitmeid integreeritud lahendusi, näiteks AD7124-4/AD7124-8, mis pakuvad termilise süsteemi kujundamisel mitmeid eeliseid, kuna enamik rakenduse jaoks vajalikke ehitusplokke on sisseehitatud. Termistoripõhiste temperatuuride mõõtmislahenduste kavandamisel ja optimeerimisel on siiski mitmesuguseid väljakutseid.
Selles artiklis käsitletakse kõiki neid küsimusi ja antakse soovitusi nende lahendamiseks ja selliste süsteemide kavandamisprotsessi veelgi lihtsustamiseks.
Seal on väga erinevaidNTC termistoridTäna turul võib oma rakenduse jaoks õige termistori valimine olla hirmutav ülesanne. Pange tähele, et termistorid on loetletud nende nominaalse väärtuse järgi, mis on nende nominaalne takistus temperatuuril 25 ° C. Seetõttu on 10 kΩ termistori nominaalne takistus 10 kΩ temperatuuril 25 ° C. Termistoritel on nominaalsed või põhilised takistuse väärtused vahemikus mõnest oomist kuni 10 MΩ. Termistorid, mille resistentsusega reitingud on madalad (10 kΩ või vähem, nominaalne takistus) toetavad tavaliselt madalamat temperatuurivahemikku, näiteks -50 ° C kuni +70 ° C. Suurema takistusreitinguga termistorid taluvad temperatuuri kuni 300 ° C.
Termistorielement on valmistatud metalloksiidist. Termistorid on saadaval palli-, radiaal- ja SMD -kujuga. Termistor -helmed on epoksükattega või klaasist kapseldatud täiendavaks kaitseks. Epoksükattega pallitermistorid, radiaalsed ja pinnatermistorid sobivad temperatuuride jaoks kuni 150 ° C. Klaashelmeste termistorid sobivad kõrgete temperatuuride mõõtmiseks. Igat tüüpi katted/pakendid kaitsevad ka korrosiooni eest. Mõnel termistoritel on ka täiendavaid korpuseid, et kaitsta karmi keskkonda. Helmete termistoritel on kiirem reageerimisaeg kui radiaalsete/SMD termistoritega. Kuid need pole nii vastupidavad. Seetõttu sõltub kasutatud termistori tüüp lõpprakendusest ja keskkonnast, milles termistor asub. Termistori pikaajaline stabiilsus sõltub selle materjalist, pakenditest ja kujundusest. Näiteks võib epoksükattega NTC termistor muutuda 0,2 ° C aastas, samas kui suletud termistor muutub ainult 0,02 ° C aastas.
Termistorid on erineva täpsusega. Tavaliste termistorite täpsus on tavaliselt 0,5 ° C kuni 1,5 ° C. Termistori takistuse hinnang ja beetaväärtus (suhe 25 ° C kuni 50 ° C/85 ° C) on tolerants. Pange tähele, et termistori beeta -väärtus varieerub tootja järgi. Näiteks 10 kΩ NTC termistoritest erinevatest tootjatest on erinevad beeta -väärtused. Täpsemate süsteemide jaoks saab kasutada selliseid termistoreid nagu Omega ™ 44xxx seeria. Nende täpsus on 0,1 ° C või 0,2 ° C temperatuurivahemikus 0 ° C kuni 70 ° C. Seetõttu määrab temperatuuride vahemik, mida saab mõõta ja temperatuurivahemikus nõutav täpsus, kas selle rakenduse jaoks sobivad termistorid. Pange tähele, et mida suurem on Omega 44xxx seeria täpsus, seda suurem on kulud.
Kraadide vastupidavuse teisendamiseks kasutatakse tavaliselt beeta väärtust. Beeta väärtus määratakse kahe temperatuuripunkti ja vastava takistuse tundmise teel igas temperatuuripunktis.
RT1 = Temperatuuri takistus 1 RT2 = Temperatuuri takistus 2 T1 = temperatuur 1 (k) T2 = temperatuur 2 (k)
Kasutaja kasutab projektis kasutatud temperatuurivahemikule kõige lähemal beeta väärtust. Enamik termistori andmelehtede loetletakse beeta -väärtus koos resistentsuse tolerantsiga temperatuuril 25 ° C ja beeta väärtuse tolerants.
Suuremad täpsusega termistorid ja ülitäpse lõpetamise lahendused, näiteks Omega 44xxx seeria, kasutavad Steinhart-Harti võrrandit, et muuta resistentsus kraadidele Celsiusesse. Võrrand 2 nõuab kolme konstanti A, B ja C, mida jälle anduritootja pakub. Kuna võrrandi koefitsiendid genereeritakse kolme temperatuuripunkti abil, minimeerib saadud võrrand lineariseerimise teel viidud viga (tavaliselt 0,02 ° C).
A, B ja C on konstandid, mis on saadud kolmest temperatuurist punktist. R = termistori takistus oomides t = temperatuur k kraadides
Joonisel fig. 3 näitab anduri praegust ergastamist. Termistorile rakendatakse ajami voolu ja sama vool rakendatakse täppissildile; Mõõtmiseks kasutatakse võrdlusena täpset takisti. Võrdletakisti väärtus peab olema suurem või võrdne termistori takistuse kõrgeima väärtusega (sõltuvalt süsteemi madalaimast temperatuurist).
Ergastusvoolu valimisel tuleb uuesti arvesse võtta termistori maksimaalset takistust. See tagab, et anduri ja võrdlustakisti pinge on alati elektroonikale vastuvõetav tasemel. Väljavoolu allikas nõuab natuke ruumi või väljundi sobitamist. Kui termistoril on kõrgeim vastupidavus madalaima mõõdetava temperatuuriga, põhjustab see väga madala ajami voolu. Seetõttu on kõrgel temperatuuril kogu termistori tekkiv pinge väike. Nende madala taseme signaalide mõõtmise optimeerimiseks saab kasutada programmeeritavaid võimendusfaase. Võimendus tuleb siiski dünaamiliselt programmeerida, kuna termistori signaali tase varieerub temperatuurist suuresti.
Teine võimalus on seadistada võimendus, kuid kasutada dünaamilist draivi voolu. Seetõttu muutub termistori signaali tase draivi voolu väärtus dünaamiliselt nii, et kogu termistoris arenenud pinge on elektroonilise seadme määratud sisendvahemikus. Kasutaja peab tagama, et võrdlustakisti kaudu arenenud pinge on ka elektroonika jaoks vastuvõetav tasemel. Mõlemad valikud nõuavad kõrget kontrolli, pinge pidevat jälgimist kogu termistoris, et elektroonika saaks signaali mõõta. Kas on olemas lihtsam variant? Mõelge pinge ergastusele.
Kui termistorile rakendatakse alalisvoolu pinget, skaleerib termistori kaudu vool termistori vastupidavuse muutumisel automaatselt. Nüüd, kasutades võrdlustakisti asemel täpset mõõtetakisti, on selle eesmärk arvutada termistori kaudu voolav vool, võimaldades sellega termistori takistust arvutada. Kuna ADC võrdlussignaalina kasutatakse ka ajamipinget, pole võimendusetapp vaja. Protsessoril puudub ülesanne jälgida termistori pinget, määrata, kas signaali taset saab elektroonika abil mõõta, ja arvutada, millist ajami võimendust/voolu väärtust tuleb reguleerida. See on selles artiklis kasutatud meetod.
Kui termistoril on väike resistentsuse ja takistuse vahemik, võib kasutada pinget või voolu ergastust. Sel juhul saab draivi voolu ja võimendust parandada. Seega on vooluahel nagu näidatud joonisel 3. See meetod on mugav, kuna on võimalik voolu anduri ja referentsitakisti kaudu kontrollida, mis on väärtuslik vähese energiatarbega rakendustes. Lisaks on minimeeritud termistori eneseheide.
Pinge ergastust saab kasutada ka madala takistusega reitingutega termistorite jaoks. Kuid kasutaja peab alati tagama, et anduri kaudu olev vool pole anduri või rakenduse jaoks liiga kõrge.
Pinge ergastus lihtsustab rakendamist, kui kasutate suure takistuse ja laia temperatuurivahemikuga termistori. Suurem nominaalne takistus tagab vastuvõetava nimivoolu taseme. Disainerid peavad siiski tagama, et vool on kogu rakenduse toetatud temperatuurivahemikul vastuvõetaval tasemel.
Sigma-Delta ADC-d pakuvad termistori mõõtmissüsteemi kavandamisel mitmeid eeliseid. Esiteks, kuna Sigma-Delta ADC on analoogsisendi uuesti proovides, hoitakse välist filtreerimist minimaalsena ja ainus nõue on lihtne RC-filter. Need pakuvad paindlikkust filtri tüübi ja väljundkiirusega. Sisseehitatud digitaalset filtreerimist saab kasutada igasuguse sekkumise mahasurumiseks toiteallikatesse. 24-bitiste seadmete, näiteks AD7124-4/AD7124-8, täielik eraldusvõime kuni 21,7 bitti, seega pakuvad need kõrge eraldusvõimega.
Sigma-Delta ADC kasutamine lihtsustab termistori disaini oluliselt, vähendades samal ajal spetsifikatsiooni, süsteemi kulusid, lauaruumi ja turule mõeldud aega.
Selles artiklis kasutatakse ADC ADC AD7124-4/AD7124-8, kuna need on madala müra, madala voolu, täpse ADC-dega sisseehitatud PGA, sisseehitatud viide, analoogsisend ja võrdluspuhver.
Sõltumata sellest, kas kasutate draivivoolu või draivipinget, on soovitatav ratiomeetriline konfiguratsioon, milles võrdluspinge ja anduri pinge pärineb samast draiviallikast. See tähendab, et ergastusallika muutus ei mõjuta mõõtmise täpsust.
Joonisel fig. 5 näitab termistori ja täpse takisti RREF -i konstantset ajami voolu, RREF -ist välja töötatud pinge on termistori mõõtmise võrdluspinge.
Väljavool ei pea olema täpne ja võib olla vähem stabiilne, kuna selles konfiguratsioonis kõrvaldatakse kõik väljavoolu vead. Üldiselt eelistatakse voolu ergastamist pinge ergastul, mis on tingitud parema tundlikkuse kontrolli ja parema müra immuunsuse tõttu, kui andur asub kaugetes kohtades. Seda tüüpi eelarvamuste meetodit kasutatakse tavaliselt madala takistuse väärtustega RTD -de või termistorite jaoks. Kuid kõrgema takistusväärtusega termistori ja suurema tundlikkusega on iga temperatuurimuutusega genereeritud signaali tase suurem, seega kasutatakse pinge ergastust. Näiteks 10 kΩ termistori takistus on 10 kΩ temperatuuril 25 ° C. Temperatuuril -50 ° C on NTC termistori takistus 441,117 kΩ. AD7124-4/AD7124-8 pakutav minimaalne ajamvool 50 µA tekitab 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, mis on liiga kõrge ja väljaspool selles rakenduspiirkonnas kasutatavate kõige saadaolevate ADC-de töövahemikku. Termistorid on tavaliselt ühendatud või asuvad elektroonika lähedal, seega pole voolu immuunsus vajalik.
Sisse takisti lisamine jadana pingejagajana piirab voolu termistori kaudu minimaalse takistuse väärtusega. Selles konfiguratsioonis peab takisti RSense'i väärtus olema võrdne termistori takistuse väärtusega võrdlusitemperatuuril 25 ° C, nii et väljundpinge võrdub võrdluspinge keskpunktiga selle nominaalse temperatuuriga 25 ° CC sarnaselt, kui 10 kΩ on 10 kΩ, kui 10 kΩ on 10 kΩ. Temperatuuri muutudes muutub ka NTC termistori takistus ja muutub ka ajamipinge suhe termistori vahel, mille tulemuseks on väljundpinge võrdeline NTC termistori takistusega.
Kui termistori ja/või rsense toiteks kasutatud valitud pinge võrdlus vastab mõõtmiseks kasutatava ADC võrdluspingega, seatakse süsteem ratiomeetrilisele mõõtmisele (joonis 7), nii et iga ergastusega seotud veapinge allikas on eemaldamiseks kallutatud.
Pange tähele, et kas Sense Takistil (pinge juhitud) või võrdlustakistil (voolu juhitud) peaks olema madal algne tolerantsus ja madal triiv, kuna mõlemad muutujad võivad mõjutada kogu süsteemi täpsust.
Mitme termistori kasutamisel võib kasutada ühte ergastuspinget. Igal termistoril peab siiski olema oma täpsusetakisti, nagu on näidatud joonisel fig. 8. Veel üks võimalus on kasutada ON-olekus välist multiplekserit või madala vastupidavusega lüliti, mis võimaldab jagada ühte täpsusetakisti. Selle konfiguratsiooni abil vajab iga termistor mõõdetamisel teatavat settimisaega.
Kokkuvõtlikult võib öelda, et termistoripõhise temperatuuri mõõtmissüsteemi kavandamisel tuleb kaaluda palju küsimusi: anduri valimine, anduri juhtmestik, komponentide valimise kompromissid, ADC konfiguratsioon ja kuidas need erinevad muutujad mõjutavad süsteemi üldist täpsust. Selle sarja järgmises artiklis selgitatakse, kuidas optimeerida oma süsteemi kujundamist ja üldist süsteemi tõrke eelarvet, et saavutada oma siht jõudlus.
Postiaeg: 30.-30-2022