Это первая статья в серии из двух частей. В этой статье сначала обсудят проблемы истории и дизайнаТермисторская температураСистемы измерения, а также их сравнение с системами измерения температуры сопротивления (RTD). Он также будет описать выбор термистора, компромиссов конфигурации и важность аналого-цифровых преобразователей Sigma-Delta (ADC) в этой области применения. Во второй статье будет подробно описать, как оптимизировать и оценить окончательную систему измерения на основе термистора.
Как описано в предыдущей серии статьи, оптимизация систем датчиков температуры RTD, RTD является резистором, сопротивление которого зависит от температуры. Термисторы работают аналогично RTD. В отличие от RTD, которые имеют только положительный коэффициент температуры, термистор может иметь положительный или отрицательный температурный коэффициент. Термисторы отрицательной температуры (NTC) уменьшают их сопротивление по мере повышения температуры, в то время как положительный температурный коэффициент (PTC) термисторы увеличивают их сопротивление по мере повышения температуры. На рис. 1 показывают характеристики отклика типичных термисторов NTC и PTC и сравнивают их с кривыми RTD.
С точки зрения температурного диапазона, кривая RTD является почти линейной, и датчик покрывает гораздо более широкий диапазон температур, чем термисторы (обычно от -200 ° C до +850 ° C) из -за нелинейного (экспоненциального) характера термистора. RTD обычно предоставляются в хорошо известных стандартизированных кривых, в то время как кривые термистора варьируются в зависимости от производителя. Мы подробно обсудим это в разделе «Руководство по выбору термистора» этой статьи.
Термисторы изготовлены из композитных материалов, обычно керамики, полимеров или полупроводников (обычно оксиды металлов) и чистых металлов (платина, никель или медь). Термисторы могут обнаруживать изменения температуры быстрее, чем RTD, обеспечивая более быструю обратную связь. Следовательно, термисторы обычно используются датчиками в приложениях, которые требуют низкой стоимости, небольшого размера, более быстрого отклика, более высокой чувствительности и ограниченного температурного диапазона, таких как контроль электроники, управление домом и зданием, научные лаборатории или компенсация холодного соединения для термопавли в коммерческих или промышленных приложениях. цели. Приложения.
В большинстве случаев термисторы NTC используются для точного измерения температуры, а не термисторов PTC. Доступны некоторые термисторы PTC, которые можно использовать в схемах защиты от перегрузки или в качестве спасения для применений безопасности. Кривая температурной температуры сопротивления термистора PTC показывает очень небольшую область NTC, прежде чем достичь точки переключения (или точки CURIE), над которой сопротивление резко возрастает на несколько порядков в диапазоне нескольких градусов Цельсия. В условиях перерыва термистор PTC будет генерировать сильное самообладание при превышении температуры переключения, и его сопротивление резко возрастет, что уменьшит входной ток в систему, тем самым предотвращая повреждение. Точка переключения термисторов PTC обычно составляет 60 ° C до 120 ° C и не подходит для контроля измерений температуры в широком диапазоне применений. Эта статья посвящена термисторам NTC, которые обычно могут измерять или контролировать температуры в диапазоне от -80 ° C до +150 ° C. У термисторов NTC есть рейтинги сопротивления в диапазоне от нескольких Ом до 10 МОм при 25 ° C. Как показано на рис. 1, изменение сопротивления на градус Цельсия для термисторов является более выраженным, чем для термометров сопротивления. По сравнению с термисторами высокая чувствительность термистора и высокое значение сопротивления упрощают входные схемы, поскольку термисторы не требуют какой-либо специальной конфигурации проводки, такой как 3-проводная или 4-проводная, чтобы компенсировать сопротивление свинца. Конструкция термистора использует только простую 2-проводную конфигурацию.
Высокое определение термистора на основе измерения температуры требует точной обработки сигнала, конверсии аналога в цифру, линеаризации и компенсации, как показано на рис. 2
Хотя сигнальная цепочка может показаться простой, существует несколько сложностей, которые влияют на размер, стоимость и производительность всей материнской платы. Precision Precision ADC Portfolio включает в себя несколько интегрированных решений, таких как AD7124-4/AD7124-8, которые обеспечивают ряд преимуществ для конструкции тепловой системы, поскольку встроены большинство строительных блоков, необходимых для применения. Тем не менее, существуют различные проблемы при разработке и оптимизации решений измерения температуры на основе термистора.
В этой статье обсуждается каждая из этих вопросов и предоставляет рекомендации по решению их и дальнейшего упрощения процесса проектирования для таких систем.
Есть широкий спектрNTC ThermistorsНа рынке сегодня, поэтому выбор правильного термистора для вашего приложения может быть сложной задачей. Обратите внимание, что термисторы перечислены по их номинальному значению, которое является их номинальным сопротивлением при 25 ° C. Следовательно, термистор 10 кОм имеет номинальное сопротивление 10 кОм при 25 ° C. Термисторы имеют номинальные или базовые значения сопротивления в диапазоне от нескольких Ом до 10 МОм. Термисторы с низкими оценками сопротивления (номинальное сопротивление 10 кОм или менее) обычно поддерживают более низкие диапазоны температуры, такие как от -50 ° C до +70 ° C. Термисторы с более высокими оценками сопротивления могут выдерживать температуру до 300 ° C.
Элемент термистора изготовлен из оксида металла. Термисторы доступны в шариковых, радиальных и SMD -формах. Термисторские шарики представляют собой эпоксидное покрытие или стеклянные инкапсулированные для дополнительной защиты. Термисторы с эпоксидным покрытием, радиальные и поверхностные термисторы подходят для температуры до 150 ° C. Термисторы из стеклянных шариков подходят для измерения высоких температур. Все виды покрытий/упаковки также защищают от коррозии. Некоторые термисторы также будут иметь дополнительные корпусы для дополнительной защиты в суровых условиях. Термисторы из бусинки имеют более быстрое время отклика, чем радиальные/SMD термисторы. Однако они не так долговечны. Следовательно, тип используемого термистора зависит от конечного применения и среды, в которой расположен термистор. Долгосрочная стабильность термистора зависит от его материала, упаковки и дизайна. Например, термистор NTC с эпоксидным покрытием может меняться 0,2 ° C в год, в то время как герметичный термистор меняется только 0,02 ° C в год.
Термисторы бывают разных точности. Стандартные термисторы обычно имеют точность от 0,5 ° C до 1,5 ° C. Оценка сопротивления термистора и бета -значение (отношение от 25 ° C до 50 ° C/85 ° C) имеют допуск. Обратите внимание, что бета -значение термистора варьируется от производителя. Например, термисторы NTC 10 кОм от разных производителей будут иметь разные бета -значения. Для более точных систем можно использовать термисторы, такие как серия Omega ™ 44xxx. Они имеют точность 0,1 ° C или 0,2 ° C в диапазоне температуры от 0 ° C до 70 ° C. Следовательно, диапазон температур, которые могут быть измерены, и точность, необходимая в этом диапазоне температуры, определяет, подходят ли термисторы для этого применения. Обратите внимание, что чем выше точность серии Omega 44xxx, тем выше стоимость.
Чтобы преобразовать сопротивление в градусы по Цельсию, обычно используется бета -значение. Бета -значение определяется, зная две температурные точки и соответствующее сопротивление в каждой температурной точке.
RT1 = температурная устойчивость 1 RT2 = температурная устойчивость 2 T1 = температура 1 (k) T2 = температура 2 (k)
Пользователь использует бета -значение, наиболее близкое к температурному диапазону, используемому в проекте. Большинство листовых данных Thermistor перечисляют бета -значение, а также допуск сопротивления при 25 ° C и допуск на бета -значение.
Более высокая точная термисторы и растворы высокого точного завершения, такие как серия Omega 44xxx, используют уравнение Steinhart-Hart для преобразования сопротивления в градус Цельсия. Уравнение 2 требует трех констант A, B и C, снова предоставленные производителем датчиков. Поскольку коэффициенты уравнения генерируются с использованием трех температурных точек, полученное уравнение сводит к минимуму ошибку, введенную путем линеаризации (обычно 0,02 ° C).
A, B и C - это константы, полученные из трех задач температуры. R = сопротивление термистора в Ом t = температура в градусах K
На рис. 3 показывает текущее возбуждение датчика. Ток привода применяется к термистору, и тот же ток применяется к точковому резистору; Точный резистор используется в качестве эталона для измерения. Значение эталонного резистора должно быть больше или равное наибольшему значению сопротивления термистора (в зависимости от самой низкой температуры, измеренной в системе).
При выборе тока возбуждения максимальное сопротивление термистора должно быть снова принято во внимание. Это гарантирует, что напряжение на датчике и эталонный резистор всегда на уровне, приемлемый для электроники. Источник тока полевого тока требует некоторого высадки или совпадения вывода. Если термистор обладает высоким сопротивлением при самой низкой измеримой температуре, это приведет к очень низкому току привода. Следовательно, напряжение, генерируемое через термистор при высокой температуре, является небольшим. Программируемые стадии усиления могут использоваться для оптимизации измерения этих сигналов низкого уровня. Однако усиление должно быть запрограммировано динамически, потому что уровень сигнала от термистора сильно варьируется в зависимости от температуры.
Другой вариант - установить усиление, но использовать динамический ток привода. Следовательно, по мере изменения уровня сигнала от термистора значение тока привода динамически изменяется, так что напряжение, разработанное по всему термистору, находится в пределах указанного входного диапазона электронного устройства. Пользователь должен убедиться, что напряжение, разработанное в резисторе, также на уровне, приемлемое для электроники. Оба варианта требуют высокого уровня управления, постоянного мониторинга напряжения на термисторе, чтобы электроника могла измерить сигнал. Есть более простой вариант? Рассмотрим возбуждение напряжения.
Когда напряжение постоянного тока применяется к термистору, ток через термистор автоматически масштабируется по мере изменения сопротивления термистора. Теперь, используя точный измерительный резистор вместо эталонного резистора, его целью является расчет тока, протекающего через термистор, что позволяет рассчитать сопротивление термистора. Поскольку напряжение привода также используется в качестве опорного сигнала ADC, стадия усиления не требуется. Процессор не имеет задачи по мониторингу термисторного напряжения, определяя, может ли уровень сигнала быть измеренным с помощью электроники, и вычислять, какое значение усиления привода/тока необходимо скорректировать. Это метод, используемый в этой статье.
Если термистор имеет небольшой рейтинг сопротивления и диапазон сопротивления, можно использовать напряжение или возбуждение тока. В этом случае ток и усиление диска могут быть исправлены. Таким образом, схема будет как показано на рисунке 3. Этот метод удобен тем, что можно управлять током через датчик и контрольный резистор, который ценен в приложениях с низкой мощностью. Кроме того, самопогревание термистора сведет к минимуму.
Возбуждение напряжения также может быть использовано для термисторов с низкими оценками сопротивления. Тем не менее, пользователь всегда должен гарантировать, что ток через датчик не слишком высок для датчика или приложения.
Возбуждение напряжения упрощает реализацию при использовании термистора с большим рейтингом сопротивления и широким температурным диапазоном. Большее номинальное сопротивление обеспечивает приемлемый уровень номинального тока. Тем не менее, дизайнеры должны гарантировать, что ток находится на приемлемого уровня по всему температуру, поддерживаемому применением.
ADC Sigma-Delta предлагают несколько преимуществ при разработке системы измерения термистора. Во-первых, поскольку ADC Sigma-Delta Resamplshals аналоговый вход, внешняя фильтрация сохраняется до минимума, а единственным требованием является простой RC-фильтр. Они обеспечивают гибкость в типе фильтра и скорости выходной передачи. Встроенная цифровая фильтрация может использоваться для подавления любых помех в сетевые устройства. 24-битные устройства, такие как AD7124-4/AD7124-8, имеют полное разрешение до 21,7 бит, поэтому они обеспечивают высокое разрешение.
Использование ADC Sigma-Delta значительно упрощает конструкцию термистора, одновременно снижая спецификацию, стоимость системы, пространство для платы и время на рынке.
В этой статье используется AD7124-4/AD7124-8 в качестве ADC, поскольку они представляют собой низкий уровень шума, низкий ток, точные ADC со встроенным PGA, встроенным эталонным, аналоговым входом и эталонным буфером.
Независимо от того, используете ли вы ток привода или напряжение привода, рекомендуется ратиометрическая конфигурация, в которой эталонное напряжение и напряжение датчика поступают из одного и того же источника привода. Это означает, что любое изменение источника возбуждения не повлияет на точность измерения.
На рис. 5 показывает постоянный ток привода для термисторного и точного резистора Rref, напряжение, разработанное через RREF, является эталонным напряжением для измерения термистора.
Ток поля не должен быть точным и может быть менее стабильным, так как любые ошибки в токе поля будут исключены в этой конфигурации. Как правило, текущее возбуждение предпочтительнее возбуждения напряжения из -за превосходного контроля чувствительности и лучшего иммунитета шума, когда датчик находится в удаленных местах. Этот тип метода смещения обычно используется для RTD или термисторов с низкими значениями сопротивления. Однако для термистора с более высоким значением сопротивления и более высокой чувствительностью уровень сигнала, генерируемый каждым изменением температуры, будет больше, поэтому используется возбуждение напряжения. Например, термистор 10 кОм имеет сопротивление 10 кОм при 25 ° C. При -50 ° C сопротивление термистора NTC составляет 441,117 кОм. Минимальный ток привода 50 мкА, предоставляемый AD7124-4/AD7124-8, генерирует 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, что является слишком высоким и за пределами рабочего диапазона наиболее доступных ADC, используемых в этой области применения. Термисторы также обычно подключены или расположены рядом с электроникой, поэтому иммунитет к току привода не требуется.
Добавление чувственного резистора последовательно в качестве цепи разделителя напряжения ограничит ток через термистор до его минимального значения сопротивления. В этой конфигурации значение резистора чувственного резистора должно быть равным значению сопротивления термистора при эталонной температуре 25 ° C, так что выходное напряжение будет равным средней точке эталонного напряжения при его номинальной температуре 25 ° С. Аналогично, если используется 10 кОм термистор с сопротивлением 10 кОм при 25 ° C, RSESE должен быть 10 кОм. По мере изменения температуры сопротивление термистора NTC также изменяется, и отношение напряжения привода на термисторе также изменяется, что приводит к тому, что выходное напряжение, пропорциональное сопротивлению термистора NTC.
Если выбранная ссылка на напряжение, используемое для питания термистора и/или rsense, соответствует опорному напряжению ADC, используемом для измерения, система устанавливается на ратиометрическое измерение (рисунок 7), чтобы любой источник напряжения ошибки, связанный с возбуждением, будет смещен для удаления.
Обратите внимание, что либо чувственный резистор (приводимый на напряжение), либо эталонный резистор (управляемый током) должен иметь низкую начальную допуск и низкий дрейф, поскольку обе переменные могут влиять на точность всей системы.
При использовании нескольких термисторов можно использовать одно напряжение возбуждения. Однако каждый термистор должен иметь свой собственный резистор точности, как показано на рис. 8. Другой вариант-использовать внешний мультиплексор или переключатель с низким уровнем устойчивости в состоянии ON, что позволяет обмениваться одним резистором точного смысла. С помощью этой конфигурации каждый термистор нуждается в некотором времени оседания при измерении.
Таким образом, при разработке системы измерения температуры на основе термистора существует множество вопросов: выбор датчика, проводка датчика, компромиссы выбора компонентов, конфигурация АЦП и то, как эти различные переменные влияют на общую точность системы. Следующая статья в этой серии объясняет, как оптимизировать дизайн вашей системы и общий бюджет системных ошибок для достижения вашей целевой производительности.
Время публикации: сентябрь-30-2022