See on esimene artikkel kaheosalisest sarjast.Selles artiklis käsitletakse kõigepealt selle ajalugu ja disainiprobleemetermistoril põhinev temperatuurmõõtesüsteemid, samuti nende võrdlus takistustermomeetri (RTD) temperatuurimõõtmissüsteemidega.Samuti kirjeldatakse termistori valikut, konfiguratsiooni kompromisse ja sigma-delta analoog-digitaalmuundurite (ADC) tähtsust selles rakendusvaldkonnas.Teises artiklis kirjeldatakse üksikasjalikult, kuidas optimeerida ja hinnata lõplikku termistoripõhist mõõtmissüsteemi.
Nagu on kirjeldatud eelmises artikliseerias RTD temperatuuriandurisüsteemide optimeerimine, on RTD takisti, mille takistus muutub sõltuvalt temperatuurist.Termistorid töötavad sarnaselt RTD-dele.Erinevalt RTD-dest, millel on ainult positiivne temperatuuritegur, võib termistoril olla positiivne või negatiivne temperatuuritegur.Negatiivse temperatuurikoefitsiendi (NTC) termistorid vähendavad temperatuuri tõustes oma takistust, samas kui positiivse temperatuurikoefitsiendi (PTC) termistorid suurendavad oma takistust temperatuuri tõustes.Joonisel fig.1 näitab tüüpiliste NTC ja PTC termistoride reaktsioonikarakteristikuid ja võrdleb 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 standardkõveratena, samas kui termistori kõverad on tootjati erinevad.Me käsitleme seda üksikasjalikult selle artikli termistori valiku juhendi jaotises.
Termistorid on valmistatud komposiitmaterjalidest, tavaliselt keraamikast, polümeeridest või pooljuhtidest (tavaliselt metallioksiididest) ja puhastest metallidest (plaatina, nikkel või vask).Termistorid suudavad tuvastada temperatuurimuutusi kiiremini kui RTD-d, pakkudes kiiremat tagasisidet.Seetõttu kasutavad andurid tavaliselt termistoreid sellistes rakendustes, mis nõuavad madalat hinda, väikest suurust, kiiremat reageerimist, suuremat tundlikkust ja piiratud temperatuurivahemikku, nagu elektroonika juhtimine, kodu ja hoone juhtimine, teaduslaborid või termopaaride külmaühenduse kompenseerimine kaubanduses. või tööstuslikud rakendused.eesmärkidel.Rakendused.
Enamasti kasutatakse täpseks temperatuuri mõõtmiseks NTC termistore, mitte PTC termistore.Saadaval on mõned PTC-termistorid, mida saab kasutada ülevoolukaitseahelates või turvarakenduste lähtestatavate kaitsmetena.PTC termistori takistus-temperatuuri kõver näitab enne lülituspunkti (ehk Curie punkti) jõudmist väga väikest NTC piirkonda, millest kõrgemal tõuseb takistus järsult mitme suurusjärgu võrra mitme Celsiuse kraadi piires.Ülevoolu tingimustes tekitab PTC termistor lülitustemperatuuri ületamisel tugevat isekuumenemist ja selle takistus tõuseb järsult, mis vähendab süsteemi sisendvoolu, vältides sellega kahjustusi.PTC termistoride lülituspunkt on tavaliselt vahemikus 60 °C kuni 120 °C ja see ei sobi temperatuuri mõõtmiste juhtimiseks paljudes rakendustes.See artikkel keskendub NTC termistoritele, millega saab tavaliselt mõõta või jälgida temperatuure vahemikus -80°C kuni +150°C.NTC termistoride takistused on vahemikus mõnest oomist kuni 10 MΩ 25 °C juures.Nagu on näidatud joonisel fig.1, on termistoride takistuse muutus Celsiuse kraadi kohta rohkem väljendunud kui takistustermomeetrite puhul.Võrreldes termistoridega, lihtsustavad termistori kõrge tundlikkus ja kõrge takistuse väärtus selle sisendahelat, kuna termistorid ei vaja juhtmetakistuse kompenseerimiseks spetsiaalset juhtmestiku konfiguratsiooni, näiteks 3- või 4-juhtmelist.Termistori konstruktsioon kasutab ainult lihtsat 2-juhtmelist konfiguratsiooni.
Suure täpsusega termistoril põhinev temperatuuri mõõtmine nõuab täpset signaalitöötlust, analoog-digitaalmuundust, lineariseerimist ja kompenseerimist, nagu on näidatud joonisel fig.2.
Kuigi signaaliahel võib tunduda lihtne, on mitu keerukust, mis mõjutavad kogu emaplaadi suurust, maksumust ja jõudlust.ADI täppis-ADC-portfell sisaldab mitmeid integreeritud lahendusi, nagu AD7124-4/AD7124-8, mis pakuvad soojussüsteemide projekteerimisel mitmeid eeliseid, kuna enamik rakenduse jaoks vajalikke ehitusplokke on sisseehitatud.Termistoripõhiste temperatuurimõõtmislahenduste kavandamisel ja optimeerimisel on aga erinevaid väljakutseid.
Selles artiklis käsitletakse kõiki neid probleeme ja antakse soovitusi nende lahendamiseks ja selliste süsteemide projekteerimisprotsessi edasiseks lihtsustamiseks.
Neid on väga erinevaidNTC termistoridpraegu turul, nii et oma rakenduse jaoks sobiva termistori valimine võib olla heidutav ülesanne.Pange tähele, et termistorid on loetletud nende nimiväärtuse järgi, mis on nende nimitakistus temperatuuril 25 °C.Seetõttu on 10 kΩ termistori nimitakistus temperatuuril 25 °C 10 kΩ.Termistoride nominaal- või põhitakistuse väärtused on vahemikus mõnest oomist kuni 10 MΩ.Madala takistusega termistorid (nimitakistus 10 kΩ või vähem) toetavad tavaliselt madalamaid temperatuurivahemikke, näiteks -50 °C kuni +70 °C.Kõrgema takistusega termistorid taluvad kuni 300°C temperatuure.
Termistori element on valmistatud metalloksiidist.Termistorid on saadaval kuuli, radiaalse ja SMD kujuga.Termistori helmed on täiendava kaitse tagamiseks kaetud epoksiidiga või klaasist kapseldatud.Epoksiidkattega kuultermistorid, radiaal- ja pinnatermistorid sobivad temperatuuridele kuni 150°C.Klaashelmeste termistorid sobivad kõrgete temperatuuride mõõtmiseks.Igat tüüpi katted/pakendid kaitsevad ka korrosiooni eest.Mõnel termistoril on ka täiendavad korpused, mis kaitsevad karmides keskkondades.Bead-termistoritel on kiirem reageerimisaeg kui radiaal-/SMD-termistoritel.Need pole aga nii vastupidavad.Seetõttu sõltub kasutatava termistori tüüp lõpprakendusest ja keskkonnast, kus termistor asub.Termistori pikaajaline stabiilsus sõltub selle materjalist, pakendist ja disainist.Näiteks epoksükattega NTC termistor võib muutuda 0,2 °C aastas, samas kui suletud termistor ainult 0,02 °C aastas.
Termistorid on erineva täpsusega.Tavaliste termistoride täpsus on tavaliselt 0,5 °C kuni 1,5 °C.Termistori takistuse reiting ja beetaväärtus (suhe 25°C kuni 50°C/85°C) on lubatud hälve.Pange tähele, et termistori beetaväärtus on tootjati erinev.Näiteks erinevate tootjate 10 kΩ NTC termistoritel on erinevad beetaväärtused.Täpsemate süsteemide jaoks võib kasutada termistoreid, nagu Omega™ 44xxx seeria.Nende täpsus on 0,1°C või 0,2°C temperatuurivahemikus 0°C kuni 70°C.Seetõttu määrab mõõdetavate temperatuuride vahemik ja selles temperatuurivahemikus nõutav täpsus, kas termistorid sobivad selle rakenduse jaoks.Pange tähele, et mida suurem on Omega 44xxx seeria täpsus, seda suurem on selle maksumus.
Takistuse teisendamiseks Celsiuse kraadideks kasutatakse tavaliselt beetaväärtust.Beeta väärtus määratakse kahe temperatuuripunkti ja vastava takistuse teadmisega igas temperatuuripunktis.
RT1 = Temperatuuritakistus 1 RT2 = Temperatuuritakistus 2 T1 = Temperatuur 1 (K) T2 = Temperatuur 2 (K)
Kasutaja kasutab projektis kasutatavale temperatuurivahemikule lähimat beetaväärtust.Enamikul termistori andmelehtedel on loetletud beetaväärtus koos takistuse tolerantsiga temperatuuril 25 °C ja beetaväärtuse tolerantsiga.
Suurema täpsusega termistorid ja ülitäpsed lõpplahendused, nagu Omega 44xxx seeria, kasutavad takistuse Celsiuse kraadideks teisendamiseks Steinhart-Hart võrrandit.Võrrand 2 nõuab kolme konstanti A, B ja C, mille annab jälle anduri tootja.Kuna võrrandi koefitsiendid genereeritakse kolme temperatuuripunkti abil, minimeerib saadud võrrand lineariseerimisel tekkiva vea (tavaliselt 0,02 °C).
A, B ja C on kolmest temperatuuri seadepunktist tuletatud konstandid.R = termistori takistus oomides T = temperatuur K kraadides
Joonisel fig.3 näitab anduri praegust ergastust.Ajami vool rakendatakse termistorile ja sama vool täppistakistile;mõõtmisel kasutatakse täppistakistit.Võrdlustakisti väärtus peab olema suurem või võrdne termistori takistuse suurimast väärtusest (olenevalt süsteemis mõõdetud madalaimast temperatuurist).
Ergastusvoolu valikul tuleb jällegi arvestada termistori maksimaalset takistust.See tagab, et anduri ja võrdlustakisti pinge on alati elektroonikale vastuvõetaval tasemel.Väljavooluallikas nõuab mõningast pearuumi või väljundi sobitamist.Kui termistori takistus on kõrgeima madalaima mõõdetava temperatuuri juures, põhjustab see väga madala ajamivoolu.Seetõttu on termistori kõrgel temperatuuril tekkiv pinge väike.Nende madala taseme signaalide mõõtmise optimeerimiseks saab kasutada programmeeritavaid võimendusastmeid.Kuid võimendus tuleb programmeerida dünaamiliselt, kuna termistori signaali tase varieerub suuresti sõltuvalt temperatuurist.
Teine võimalus on seada võimendus, kuid kasutada dünaamilist ajamivoolu.Seetõttu muutub termistori signaali taseme muutudes ajami voolu väärtus dünaamiliselt, nii et termistoril tekkiv pinge jääb elektroonikaseadme määratud sisendvahemikku.Kasutaja peab tagama, et võrdlustakistile tekitatav pinge oleks samuti elektroonikale vastuvõetaval tasemel.Mõlemad variandid nõuavad kõrgetasemelist juhtimist, termistori pinge pidevat jälgimist, et elektroonika saaks signaali mõõta.Kas on lihtsam variant?Kaaluge pinge ergastamist.
Kui termistorile on rakendatud alalispinge, siis termistori takistuse muutudes skaleerub termistori läbiv vool automaatselt.Nüüd, kasutades võrdlustakisti asemel täppismõõtetakistit, on selle eesmärk arvutada termistorit läbiv vool, võimaldades seega arvutada termistori takistust.Kuna ajami pinget kasutatakse ka ADC tugisignaalina, pole võimendusastet vaja.Protsessori ülesanne ei ole jälgida termistori pinget, määrata, kas signaali taset on elektroonika abil võimalik mõõta, ja arvutada, millist ajami võimendust/voolu väärtust on vaja reguleerida.See on selles artiklis kasutatud meetod.
Kui termistoril on väike takistusnimi ja takistusvahemik, võib kasutada pinge- või vooluergastust.Sel juhul saab ajami voolu ja võimenduse fikseerida.Seega on vooluahel selline, nagu näidatud joonisel 3. See meetod on mugav selle poolest, et on võimalik juhtida voolu läbi anduri ja võrdlustakisti, mis on väärtuslik väikese võimsusega rakendustes.Lisaks on minimeeritud termistori isekuumenemine.
Pingeergutust saab kasutada ka madala takistusega termistoride puhul.Siiski peab kasutaja alati tagama, et andurit läbiv vool ei oleks anduri või rakenduse jaoks liiga kõrge.
Pingeergutus lihtsustab rakendamist, kui kasutatakse suure takistuse ja laia temperatuurivahemikuga termistorit.Suurem nimitakistus tagab vastuvõetava nimivoolu taseme.Kuid disainerid peavad tagama, et vool oleks vastuvõetaval tasemel kogu rakenduse toetatud temperatuurivahemikus.
Sigma-Delta ADC-d pakuvad termistori mõõtmissüsteemi kavandamisel mitmeid eeliseid.Esiteks, kuna sigma-delta ADC proovib uuesti analoogsisendit, on väline filtreerimine viidud miinimumini ja ainus nõue on lihtne RC-filter.Need pakuvad paindlikkust filtri tüübi ja väljundi andmeedastuskiiruse osas.Sisseehitatud digitaalset filtreerimist saab kasutada mis tahes häirete summutamiseks võrgutoitega seadmetes.24-bitiste seadmete, nagu AD7124-4/AD7124-8, täiseraldusvõime on kuni 21,7 bitti, seega on need kõrge eraldusvõimega.
Sigma-delta ADC kasutamine lihtsustab oluliselt termistori disaini, vähendades samal ajal tehnilisi andmeid, süsteemi maksumust, plaadi ruumi ja turuletuleku aega.
Selles artiklis kasutatakse AD7124-4/AD7124-8 AD7124-4/AD7124-8 ADC-na, kuna need on madala mürataseme, madala voolutugevusega, täppis-ADC-d, millel on sisseehitatud PGA, sisseehitatud tugi, analoogsisend ja võrdluspuhver.
Olenemata sellest, kas kasutate ajami voolu või pinget, on soovitatav kasutada ratiomeetrilist konfiguratsiooni, mille puhul võrdluspinge ja anduri pinge pärinevad samast ajami allikast.See tähendab, et mis tahes muutus ergutusallikas ei mõjuta mõõtmise täpsust.
Joonisel fig.5 näitab termistori ja täppistakisti RREF konstantset ajami voolu, RREF-i kaudu tekkiv pinge on termistori mõõtmise võrdluspinge.
Väljavool ei pea olema täpne ja võib olla vähem stabiilne, kuna selles konfiguratsioonis kõrvaldatakse kõik väljavoolu vead.Üldjuhul eelistatakse voolu ergastust pingeergastusele parema tundlikkuse juhtimise ja parema mürakindluse tõttu, kui andur asub kaugetes kohtades.Seda tüüpi nihkemeetodit kasutatakse tavaliselt madala takistusega RTD-de või termistoride jaoks.Suurema takistuse ja suurema tundlikkusega termistori puhul on aga iga temperatuurimuutuse tekitatud signaali tase suurem, seega kasutatakse pingeergastust.Näiteks 10 kΩ termistori takistus 25°C juures on 10 kΩ.-50°C juures on NTC termistori takistus 441,117 kΩ.AD7124-4/AD7124-8 pakutav minimaalne ajami vool 50 µA genereerib 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, mis on liiga kõrge ja jääb väljapoole enamiku selles rakendusalas kasutatavate ADC-de tööpiirkonda.Termistorid on samuti tavaliselt ühendatud või asuvad elektroonika läheduses, seega pole ajamivoolu häirekindlus vajalik.
Sensori takisti lisamine pingejaguri ahelana järjestikku piirab termistori läbiva voolu minimaalse takistuse väärtuseni.Selles konfiguratsioonis peab sensortakisti RSENSE väärtus olema võrdne termistori takistuse väärtusega võrdlustemperatuuril 25 °C, et väljundpinge oleks võrdne tugipinge keskpunktiga selle nimitemperatuuril. 25°CC Samamoodi, kui kasutatakse 10 kΩ termistorit takistusega 10 kΩ temperatuuril 25°C, peaks RSENSE olema 10 kΩ.Temperatuuri muutudes muutub ka NTC termistori takistus, samuti muutub termistori ajami pinge suhe, mille tulemusena on väljundpinge võrdeline NTC termistori takistusega.
Kui termistori ja/või RSENSE toiteks kasutatav valitud võrdluspinge ühtib mõõtmiseks kasutatava ADC etalonpingega, seadistatakse süsteem ratiomeetrilisele mõõtmisele (joonis 7), nii et kõik ergastusega seotud veapingeallikad on eemaldamiseks kallutatud.
Pange tähele, et kas sensortakistil (pingega juhitav) või võrdlustakistil (vooluajamil) peaks olema madal algtolerants ja väike triiv, kuna mõlemad muutujad võivad mõjutada kogu süsteemi täpsust.
Mitme termistori kasutamisel võib kasutada ühte ergutuspinget.Igal termistoril peab aga olema oma täppistundlikkustakisti, nagu on näidatud joonisel fig.8. Teine võimalus on kasutada sisselülitatud olekus välist multiplekserit või väikese takistusega lülitit, mis võimaldab jagada ühte täppistundliku takistit.Selle konfiguratsiooni korral vajab iga termistor mõõdetuna teatud settimisaega.
Kokkuvõtteks võib öelda, et termistoripõhise temperatuuri mõõtmise süsteemi projekteerimisel tuleb arvestada paljude küsimustega: anduri valik, anduri juhtmestik, komponentide valiku kompromissid, ADC konfiguratsioon ja kuidas need erinevad muutujad süsteemi üldist täpsust mõjutavad.Selle seeria järgmises artiklis selgitatakse, kuidas optimeerida oma süsteemi ülesehitust ja üldist süsteemi veaeelarvet eesmärgi saavutamiseks.
Postitusaeg: 30. september 2022