Это первая статья из серии из двух частей. В ней сначала будут рассмотрены история и проблемы проектированиятемпература на основе термистораИзмерительные системы, а также их сравнение с системами измерения температуры на основе термометров сопротивления (RTD). В статье также описывается выбор термистора, компромиссы при выборе конфигурации и важность сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в этой области применения. Во второй статье подробно рассматриваются вопросы оптимизации и оценки окончательной измерительной системы на основе термистора.
Как описано в предыдущей серии статей «Оптимизация систем терморезисторов с термосопротивлением» (RTD), терморезистор (RTD) — это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Термисторы работают аналогично терморезисторам (RTD). В отличие от терморезисторов с термосопротивлением (RTD), которые имеют только положительный температурный коэффициент, термистор может иметь как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) уменьшают своё сопротивление с повышением температуры, в то время как термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) увеличивают своё сопротивление с повышением температуры. На рис. 1 показаны характеристики отклика типичных NTC и PTC термисторов в сравнении с кривыми RTD.
Что касается температурного диапазона, кривая терморезистора (RTD) практически линейна, и этот датчик охватывает гораздо более широкий диапазон температур, чем термисторы (обычно от -200 °C до +850 °C) из-за нелинейной (экспоненциальной) природы термистора. RTD обычно представлены в виде общеизвестных стандартизированных кривых, в то время как кривые термисторов различаются у разных производителей. Мы подробно рассмотрим это в разделе «Руководство по выбору термистора» данной статьи.
Термисторы изготавливаются из композитных материалов, обычно керамики, полимеров или полупроводников (обычно оксидов металлов), а также чистых металлов (платины, никеля или меди). Термисторы могут обнаруживать изменения температуры быстрее, чем резистивные датчики температуры (RTD), обеспечивая более быструю обратную связь. Поэтому термисторы широко используются в датчиках, где требуются низкая стоимость, компактность, быстродействие, высокая чувствительность и ограниченный диапазон температур, например, в системах электронного управления, системах управления домами и зданиями, научных лабораториях или для компенсации холодного спая термопар в коммерческих и промышленных целях. Области применения.
В большинстве случаев для точного измерения температуры используются NTC-термисторы, а не PTC-термисторы. Некоторые PTC-термисторы доступны для использования в схемах защиты от перегрузки по току или в качестве восстанавливаемых предохранителей для систем безопасности. Кривая зависимости сопротивления PTC-термистора от температуры имеет очень узкую область NTC перед достижением точки переключения (или точки Кюри), выше которой сопротивление резко возрастает на несколько порядков в диапазоне нескольких градусов Цельсия. В условиях перегрузки по току PTC-термистор сильно нагревается при превышении температуры переключения, и его сопротивление резко возрастает, что снижает входной ток в системе, тем самым предотвращая повреждение. Температура переключения PTC-термисторов обычно находится в диапазоне от 60 до 120 °C и не подходит для контроля температуры в широком диапазоне применений. В данной статье рассматриваются NTC-термисторы, которые обычно могут измерять или контролировать температуру в диапазоне от -80 до +150 °C. Диапазон сопротивления NTC-термисторов составляет от нескольких Ом до 10 МОм при 25 °C. Как показано на рис. 1, изменение сопротивления термисторов на градус Цельсия выражено сильнее, чем у термометров сопротивления. По сравнению с термисторами, высокая чувствительность и высокое сопротивление термистора упрощают его входную схему, поскольку для компенсации сопротивления выводов не требуется специальной схемы подключения, например, трёх- или четырёхпроводной. В конструкции термистора используется только простая двухпроводная схема.
Высокоточное измерение температуры с помощью термистора требует точной обработки сигнала, аналого-цифрового преобразования, линеаризации и компенсации, как показано на рис. 2.
Хотя цепочка сигналов может показаться простой, существует ряд сложностей, влияющих на размер, стоимость и производительность всей материнской платы. Портфолио прецизионных АЦП ADI включает несколько интегрированных решений, таких как AD7124-4/AD7124-8, которые обеспечивают ряд преимуществ при проектировании систем термоконтроля, поскольку большинство необходимых компонентов встроены. Однако при проектировании и оптимизации решений для измерения температуры на основе термисторов возникают различные сложности.
В данной статье рассматривается каждая из этих проблем и даются рекомендации по их решению и дальнейшему упрощению процесса проектирования таких систем.
Существует большое разнообразиеNTC-термисторыНа рынке сегодня представлено множество термисторов, поэтому выбор подходящего для вашей задачи термистора может оказаться непростой задачей. Обратите внимание, что термисторы классифицируются по номиналу, то есть по номинальному сопротивлению при 25 °C. Таким образом, термистор сопротивлением 10 кОм имеет номинальное сопротивление 10 кОм при 25 °C. Номинальное или базовое сопротивление термисторов варьируется от нескольких Ом до 10 МОм. Термисторы с низким номинальным сопротивлением (номинальное сопротивление 10 кОм или менее) обычно работают в более низких температурных диапазонах, например, от -50 °C до +70 °C. Термисторы с более высоким номинальным сопротивлением могут выдерживать температуры до 300 °C.
Термисторный элемент изготовлен из оксида металла. Термисторы доступны в шарообразной, радиальной и SMD-формах. Бусины термистора покрыты эпоксидной смолой или заключены в стекло для дополнительной защиты. Шариковые термисторы с эпоксидным покрытием, радиальные и поверхностные термисторы подходят для температур до 150 °C. Стеклянные бусиновые термисторы подходят для измерения высоких температур. Все типы покрытий/корпусов также защищают от коррозии. Некоторые термисторы также имеют дополнительные корпуса для дополнительной защиты в суровых условиях. Бусинковые термисторы имеют более быстрое время отклика, чем радиальные/SMD-термисторы. Однако они не так долговечны. Поэтому тип используемого термистора зависит от конечного применения и среды, в которой находится термистор. Долговременная стабильность термистора зависит от его материала, корпуса и конструкции. Например, NTC-термистор с эпоксидным покрытием может изменяться на 0,2°C в год, тогда как герметичный термистор изменяется только на 0,02°C в год.
Термисторы различаются по точности. Стандартные термисторы обычно имеют точность от 0,5 до 1,5 °C. Номинальное сопротивление термистора и значение бета (соотношение 25 к 50/85 °C) имеют допуск. Обратите внимание, что значение бета термистора различается у разных производителей. Например, термисторы NTC сопротивлением 10 кОм разных производителей будут иметь разные значения бета. Для более точных систем можно использовать термисторы, такие как серия Omega™ 44xxx. Их точность составляет 0,1 или 0,2 °C в диапазоне температур от 0 до 70 °C. Таким образом, диапазон измеряемых температур и требуемая точность в этом диапазоне определяют, подходят ли термисторы для данного применения. Обратите внимание, что чем выше точность серии Omega 44xxx, тем выше их стоимость.
Для перевода сопротивления в градусы Цельсия обычно используется значение бета. Значение бета определяется по двум точкам температуры и сопротивлению в каждой точке.
RT1 = Температурное сопротивление 1 RT2 = Температурное сопротивление 2 T1 = Температура 1 (К) T2 = Температура 2 (К)
Пользователь использует значение бета, наиболее близкое к диапазону температур, используемому в проекте. В большинстве технических описаний термисторов указывается значение бета вместе с допуском сопротивления при 25 °C и допуском для значения бета.
В высокоточных термисторах и высокоточных оконечных устройствах, таких как серия Omega 44xxx, для перевода сопротивления в градусы Цельсия используется уравнение Стейнхарта-Харта. Для уравнения 2 требуются три константы A, B и C, также предоставленные производителем датчика. Поскольку коэффициенты уравнения формируются на основе трёх температурных точек, полученное уравнение минимизирует погрешность, вносимую линеаризацией (обычно 0,02 °C).
A, B и C — константы, полученные на основе трёх заданных значений температуры. R = сопротивление термистора в омах, T = температура в градусах Кельвина.
На рис. 3 показано токовое возбуждение датчика. Ток возбуждения подается на термистор, и тот же ток подается на прецизионный резистор; прецизионный резистор используется в качестве эталона для измерения. Сопротивление эталона должно быть больше или равно наибольшему значению сопротивления термистора (в зависимости от наименьшей измеряемой температуры в системе).
При выборе тока возбуждения необходимо учитывать максимальное сопротивление термистора. Это гарантирует, что напряжение на датчике и опорном резисторе всегда будет на уровне, приемлемом для электроники. Источник тока возбуждения требует некоторого запаса по перегрузке или согласования выходного сигнала. Если термистор имеет высокое сопротивление при минимальной измеряемой температуре, это приведет к очень низкому току возбуждения. Следовательно, напряжение, генерируемое на термисторе при высокой температуре, мало. Для оптимизации измерения этих низкоуровневых сигналов можно использовать программируемые каскады усиления. Однако усиление необходимо программировать динамически, поскольку уровень сигнала с термистора сильно меняется в зависимости от температуры.
Другой вариант — установить коэффициент усиления, но использовать динамический ток возбуждения. Таким образом, при изменении уровня сигнала с термистора значение тока возбуждения динамически изменяется, так что напряжение на термисторе находится в пределах заданного входного диапазона электронного устройства. Пользователь должен убедиться, что напряжение на опорном резисторе также находится на уровне, приемлемом для электроники. Оба варианта требуют высокого уровня контроля и постоянного контроля напряжения на термисторе, чтобы электроника могла измерять сигнал. Есть ли более простой вариант? Рассмотрим вариант с возбуждением напряжением.
При подаче постоянного напряжения на термистор ток через него автоматически масштабируется в соответствии с изменением его сопротивления. Теперь, используя прецизионный измерительный резистор вместо эталонного, он предназначен для вычисления тока, протекающего через термистор, что позволяет рассчитать его сопротивление. Поскольку напряжение управления также используется в качестве опорного сигнала АЦП, каскад усиления не требуется. Процессору не нужно контролировать напряжение на термисторе, определять, может ли электроника измерить уровень сигнала, и вычислять необходимое значение усиления/тока управления. Именно этот метод используется в данной статье.
Если термистор имеет небольшое сопротивление и диапазон его изменения, можно использовать возбуждение напряжением или током. В этом случае ток возбуждения и коэффициент усиления могут быть фиксированы. Таким образом, схема будет выглядеть так, как показано на рисунке 3. Этот метод удобен тем, что позволяет контролировать ток через датчик и опорный резистор, что ценно в маломощных приложениях. Кроме того, самонагрев термистора минимален.
Возбуждение напряжением также можно использовать для термисторов с низким сопротивлением. Однако пользователь должен всегда следить за тем, чтобы ток через датчик не был слишком большим для данного датчика или области применения.
Возбуждение напряжением упрощает реализацию при использовании термистора с большим номинальным сопротивлением и широким температурным диапазоном. Большее номинальное сопротивление обеспечивает приемлемый уровень номинального тока. Однако разработчикам необходимо обеспечить приемлемый уровень тока во всем температурном диапазоне, поддерживаемом данным устройством.
Сигма-дельта АЦП обладают рядом преимуществ при проектировании систем измерения термисторов. Во-первых, поскольку сигма-дельта АЦП передискретизирует аналоговый входной сигнал, внешняя фильтрация сводится к минимуму, и единственным требованием является простой RC-фильтр. Они обеспечивают гибкость выбора типа фильтра и скорости передачи выходных данных. Встроенная цифровая фильтрация может использоваться для подавления помех в устройствах с питанием от сети. 24-разрядные устройства, такие как AD7124-4/AD7124-8, имеют полное разрешение до 21,7 бит, что обеспечивает высокое разрешение.
Использование сигма-дельта АЦП значительно упрощает конструкцию термистора, одновременно снижая технические характеристики, стоимость системы, площадь платы и время выхода на рынок.
В данной статье в качестве АЦП используются AD7124-4/AD7124-8, поскольку они представляют собой малошумящие, малотоковые, прецизионные АЦП со встроенным программируемым усилителем (PGA), встроенным опорным источником, аналоговым входом и опорным буфером.
Независимо от того, используете ли вы ток или напряжение возбуждения, рекомендуется использовать логометрическую конфигурацию, в которой опорное напряжение и напряжение датчика поступают от одного и того же источника возбуждения. Это означает, что любое изменение источника возбуждения не повлияет на точность измерения.
На рис. 5 показан постоянный ток возбуждения для термистора и прецизионного резистора RREF, напряжение, возникающее на RREF, является опорным напряжением для измерения термистора.
Ток возбуждения не обязательно должен быть точным и может быть менее стабильным, поскольку в этой конфигурации любые погрешности тока возбуждения будут устранены. Как правило, токовое возбуждение предпочтительнее, чем напряжение, благодаря лучшему управлению чувствительностью и лучшей помехоустойчивости при удалённом расположении датчика. Этот тип смещения обычно используется для терморезисторов (RTD) или термисторов с низким сопротивлением. Однако для термистора с большим сопротивлением и большей чувствительностью уровень сигнала, генерируемого при каждом изменении температуры, будет больше, поэтому используется возбуждение напряжением. Например, термистор сопротивлением 10 кОм имеет сопротивление 10 кОм при 25 °C. При -50 °C сопротивление NTC-термистора составляет 441,117 кОм. Минимальный ток возбуждения 50 мкА, обеспечиваемый AD7124-4/AD7124-8, генерирует напряжение 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, что слишком много и выходит за пределы рабочего диапазона большинства доступных АЦП, используемых в данной области применения. Термисторы также обычно подключаются или располагаются рядом с электронными компонентами, поэтому устойчивость к току возбуждения не требуется.
Добавление последовательного резистора в качестве делителя напряжения ограничит ток через термистор его минимальным значением сопротивления. В этой конфигурации сопротивление резистора RSENSE должно быть равно сопротивлению термистора при опорной температуре 25 °C, чтобы выходное напряжение было равно среднему значению опорного напряжения при его номинальной температуре 25 °C. Аналогично, если используется термистор сопротивлением 10 кОм и сопротивлением 10 кОм при 25 °C, RSENSE должно быть равно 10 кОм. При изменении температуры изменяется также сопротивление NTC-термистора, а также отношение управляющего напряжения на термисторе, в результате чего выходное напряжение становится пропорциональным сопротивлению NTC-термистора.
Если выбранное опорное напряжение, используемое для питания термистора и/или RSENSE, совпадает с опорным напряжением АЦП, используемым для измерения, система настраивается на логометрическое измерение (рисунок 7), так что любой источник напряжения ошибки, связанный с возбуждением, будет смещен для устранения.
Обратите внимание, что как измерительный резистор (управляемый напряжением), так и опорный резистор (управляемый током) должны иметь низкий начальный допуск и малый 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 прецизионный измерительный резистор, как показано на рис. 8. Другой вариант — использовать внешний мультиплексор или низкоомный ключ во включенном состоянии, что позволяет использовать один прецизионный измерительный резистор. В такой конфигурации каждому термистору требуется некоторое время для установления сигнала при измерении.
Подводя итог, можно сказать, что при проектировании системы измерения температуры на основе термистора необходимо учесть множество вопросов: выбор датчика, его подключение, компромиссы при выборе компонентов, конфигурация АЦП и влияние всех этих факторов на общую точность системы. В следующей статье этой серии мы расскажем, как оптимизировать конструкцию системы и общий уровень погрешности для достижения желаемых характеристик.
Время публикации: 30 сентября 2022 г.