Это первая статья из серии, состоящей из двух частей.В этой статье сначала будут обсуждаться история и проблемы проектирования.температура на основе термисторасистемы измерения, а также их сравнение с системами измерения температуры термометрами сопротивления (РТД).Также будет описан выбор термистора, компромиссы в конфигурации и важность сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в этой области применения.Во второй статье будет подробно описано, как оптимизировать и оценить окончательную систему измерения на основе термистора.
Как описано в предыдущей серии статей «Оптимизация систем датчиков температуры RTD», RTD представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры.Термисторы работают аналогично термометрам сопротивления.В отличие от термометров сопротивления, которые имеют только положительный температурный коэффициент, термистор может иметь положительный или отрицательный температурный коэффициент.Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) уменьшают свое сопротивление при повышении температуры, тогда как термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) увеличивают свое сопротивление при повышении температуры.На рис.1 показаны характеристики отклика типичных термисторов NTC и PTC и их сравнение с кривыми RTD.
Что касается температурного диапазона, кривая RTD почти линейна, и датчик охватывает гораздо более широкий температурный диапазон, чем термисторы (обычно от -200°C до +850°C) из-за нелинейной (экспоненциальной) природы термистора.ТПС обычно имеют хорошо известные стандартизированные кривые, тогда как кривые термисторов различаются в зависимости от производителя.Мы обсудим это подробно в разделе «Руководство по выбору термистора» этой статьи.
Термисторы изготавливаются из композиционных материалов, обычно керамики, полимеров или полупроводников (обычно оксидов металлов) и чистых металлов (платины, никеля или меди).Термисторы могут обнаруживать изменения температуры быстрее, чем термометры сопротивления, обеспечивая более быструю обратную связь.Поэтому термисторы обычно используются в датчиках в приложениях, требующих низкой стоимости, небольшого размера, более быстрого реагирования, более высокой чувствительности и ограниченного температурного диапазона, таких как управление электроникой, управление домом и зданием, научные лаборатории или компенсация холодного спая для термопар в коммерческих целях. или промышленного применения.целей.Приложения.
В большинстве случаев для точного измерения температуры используются термисторы NTC, а не термисторы PTC.Доступны некоторые термисторы PTC, которые можно использовать в цепях защиты от перегрузки по току или в качестве самовосстанавливающихся предохранителей для обеспечения безопасности.Кривая зависимости сопротивления термистора PTC от температуры показывает очень небольшую область NTC до достижения точки переключения (или точки Кюри), выше которой сопротивление резко возрастает на несколько порядков в диапазоне нескольких градусов Цельсия.В условиях перегрузки по току термистор PTC будет генерировать сильный самонагрев при превышении температуры переключения, и его сопротивление резко возрастет, что уменьшит входной ток в системе, тем самым предотвращая повреждение.Точка переключения PTC-термисторов обычно находится в диапазоне от 60°C до 120°C и не подходит для контроля измерения температуры в широком диапазоне применений.В этой статье основное внимание уделяется термисторам NTC, которые обычно могут измерять или контролировать температуру в диапазоне от -80°C до +150°C.Термисторы NTC имеют номинальное сопротивление от нескольких Ом до 10 МОм при 25°C.Как показано на рис.1, изменение сопротивления на градус Цельсия у терморезисторов более выражено, чем у термометров сопротивления.По сравнению с термисторами, высокая чувствительность и высокое сопротивление термистора упрощают его входную схему, поскольку термисторы не требуют какой-либо специальной конфигурации проводки, например 3-проводной или 4-проводной, для компенсации сопротивления вывода.В конструкции термистора используется только простая 2-проводная конфигурация.
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 несколько 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 тепловых систем, поскольку большинство строительных блоков, необходимых для приложения, являются встроенными.Однако при разработке и оптимизации решений для измерения температуры на основе термисторов возникают различные проблемы.
В этой статье обсуждается каждая из этих проблем и приводятся рекомендации по их решению и дальнейшему упрощению процесса проектирования таких систем.
Существует большое разнообразиеNTC-термисторысегодня на рынке, поэтому выбор подходящего термистора для вашего применения может оказаться непростой задачей.Обратите внимание, что термисторы указаны по их номинальному значению, которое соответствует их номинальному сопротивлению при 25°C.Следовательно, термистор сопротивлением 10 кОм имеет номинальное сопротивление 10 кОм при 25°C.Термисторы имеют номинальные или базовые значения сопротивления в пределах от нескольких Ом до 10 МОм.Термисторы с низкими номиналами сопротивления (номинальное сопротивление 10 кОм или менее) обычно поддерживают более низкие температурные диапазоны, например от -50°C до +70°C.Термисторы с более высоким номиналом сопротивления могут выдерживать температуру до 300°C.
Термисторный элемент изготовлен из оксида металла.Термисторы доступны в шаровой, радиальной и SMD-форме.Шарики термистора покрыты эпоксидной смолой или заключены в стеклянную капсулу для дополнительной защиты.Шариковые термисторы с эпоксидным покрытием, радиальные и поверхностные термисторы подходят для температур до 150°C.Термисторы со стеклянными шариками подходят для измерения высоких температур.Все типы покрытий/упаковки также защищают от коррозии.Некоторые термисторы также имеют дополнительные корпуса для дополнительной защиты в суровых условиях.Шаровые термисторы имеют более быстрое время отклика, чем радиальные/SMD термисторы.Однако они не столь долговечны.Следовательно, тип используемого термистора зависит от конечного применения и окружающей среды, в которой находится термистор.Долговременная стабильность термистора зависит от его материала, упаковки и конструкции.Например, терморезистор NTC с эпоксидным покрытием может изменяться на 0,2°C в год, а герметичный термистор — только на 0,02°C в год.
Термисторы бывают разной точности.Стандартные термисторы обычно имеют точность от 0,5°C до 1,5°C.Номинальное сопротивление термистора и значение бета (отношение 25°C к 50°C/85°C) имеют допуск.Обратите внимание, что значение бета термистора зависит от производителя.Например, термисторы NTC сопротивлением 10 кОм от разных производителей будут иметь разные значения бета.Для более точных систем можно использовать термисторы, такие как серия Omega™ 44xxx.Они имеют точность 0,1°C или 0,2°C в диапазоне температур от 0°C до 70°C.Следовательно, диапазон температур, которые можно измерить, и требуемая точность в этом диапазоне температур определяют, подходят ли термисторы для этого применения.Обратите внимание: чем выше точность серии Omega 44xxx, тем выше стоимость.
Для перевода сопротивления в градусы Цельсия обычно используется значение бета.Значение бета определяется путем знания двух температурных точек и соответствующего сопротивления в каждой температурной точке.
RT1 = термостойкость 1 RT2 = термостойкость 2 T1 = температура 1 (К) T2 = температура 2 (К)
Пользователь использует значение бета, наиболее близкое к температурному диапазону, используемому в проекте.В большинстве технических описаний термисторов указано значение бета, а также допуск сопротивления при 25°C и допуск на значение бета.
Термисторы более высокой точности и высокоточные оконечные решения, такие как серия Omega 44xxx, используют уравнение Стейнхарта-Харта для преобразования сопротивления в градусы Цельсия.Уравнение 2 требует трех констант A, B и C, которые также предоставляются производителем датчика.Поскольку коэффициенты уравнения генерируются с использованием трех температурных точек, полученное уравнение минимизирует ошибку, вносимую линеаризацией (обычно 0,02 °C).
A, B и C — константы, полученные на основе трех заданных значений температуры.R = сопротивление термистора в Омах T = температура в К градусах
На рис.3 показано текущее возбуждение датчика.Ток возбуждения подается на термистор, и тот же ток подается на прецизионный резистор;прецизионный резистор используется в качестве эталона для измерений.Значение эталонного резистора должно быть больше или равно наибольшему значению сопротивления термистора (в зависимости от самой низкой температуры, измеренной в системе).
При выборе тока возбуждения снова необходимо учитывать максимальное сопротивление терморезистора.Это гарантирует, что напряжение на датчике и опорном резисторе всегда будет на уровне, приемлемом для электроники.Источник тока возбуждения требует некоторого запаса мощности или согласования выходного сигнала.Если термистор имеет высокое сопротивление при самой низкой измеримой температуре, это приведет к очень низкому току возбуждения.Следовательно, напряжение, генерируемое на термисторе при высокой температуре, невелико.Программируемые ступени усиления можно использовать для оптимизации измерения этих сигналов низкого уровня.Однако коэффициент усиления необходимо программировать динамически, поскольку уровень сигнала термистора сильно зависит от температуры.
Другой вариант — установить коэффициент усиления, но использовать динамический ток возбуждения.Следовательно, при изменении уровня сигнала от термистора значение тока возбуждения изменяется динамически, так что напряжение, развиваемое на термисторе, находится в пределах заданного входного диапазона электронного устройства.Пользователь должен убедиться, что напряжение, возникающее на эталонном резисторе, также находится на уровне, приемлемом для электроники.Оба варианта требуют высокого уровня контроля, постоянного контроля напряжения на термисторе, чтобы электроника могла измерить сигнал.Есть ли более простой вариант?Рассмотрим возбуждение по напряжению.
Когда на термистор подается постоянное напряжение, ток через термистор автоматически масштабируется по мере изменения сопротивления термистора.Теперь, используя прецизионный измерительный резистор вместо эталонного резистора, его целью является расчет тока, протекающего через термистор, что позволяет рассчитать сопротивление термистора.Поскольку напряжение возбуждения также используется в качестве опорного сигнала АЦП, каскад усиления не требуется.Процессор не контролирует напряжение термистора, не определяет, может ли уровень сигнала быть измерен электроникой, и рассчитывает, какое значение коэффициента усиления/тока необходимо отрегулировать.Именно этот метод используется в этой статье.
Если термистор имеет небольшой номинал сопротивления и небольшой диапазон сопротивления, можно использовать возбуждение напряжением или током.В этом случае ток возбуждения и усиление могут быть фиксированными.Таким образом, схема будет такой, как показано на рисунке 3. Этот метод удобен тем, что можно управлять током через датчик и опорный резистор, что ценно в маломощных приложениях.Кроме того, самонагрев термистора сведен к минимуму.
Возбуждение напряжением также можно использовать для термисторов с низкими номиналами сопротивления.Однако пользователь всегда должен следить за тем, чтобы ток через датчик не был слишком высоким для датчика или приложения.
Возбуждение напряжением упрощает реализацию при использовании термистора с большим номиналом сопротивления и широким температурным диапазоном.Большее номинальное сопротивление обеспечивает приемлемый уровень номинального тока.Однако проектировщикам необходимо убедиться, что ток находится на приемлемом уровне во всем диапазоне температур, поддерживаемом приложением.
Сигма-дельта АЦП обладают рядом преимуществ при разработке термисторных измерительных систем.Во-первых, поскольку сигма-дельта АЦП выполняет повторную выборку аналогового входа, внешняя фильтрация сведена к минимуму, и единственным требованием является простой RC-фильтр.Они обеспечивают гибкость выбора типа фильтра и выходной скорости передачи данных.Встроенная цифровая фильтрация может использоваться для подавления любых помех в устройствах с питанием от сети.24-битные устройства, такие как AD7124-4/AD7124-8, имеют полное разрешение до 21,7 бит, поэтому они обеспечивают высокое разрешение.
Использование сигма-дельта АЦП значительно упрощает конструкцию термистора, одновременно снижая технические характеристики, стоимость системы, пространство на плате и время выхода на рынок.
В этой статье в качестве АЦП используются AD7124-4/AD7124-8, поскольку это малошумящие, малоточные прецизионные АЦП со встроенным PGA, встроенным опорным сигналом, аналоговым входом и опорным буфером.
Независимо от того, используете ли вы ток возбуждения или напряжение возбуждения, рекомендуется логометрическая конфигурация, 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 будут устранены любые ошибки в токе возбуждения.Как правило, возбуждение по току предпочтительнее возбуждения по напряжению из-за превосходного контроля чувствительности и лучшей помехоустойчивости, когда датчик расположен в удаленных местах.Этот тип метода смещения обычно используется для термометров сопротивления или термисторов с низкими значениями сопротивления.Однако для термистора с более высоким значением сопротивления и более высокой чувствительностью уровень сигнала, генерируемый при каждом изменении температуры, будет больше, поэтому используется возбуждение напряжением.Например, термистор сопротивлением 10 кОм имеет сопротивление 10 кОм при 25°C.При температуре -50°C сопротивление термистора NTC 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 велико и выходит за пределы рабочего диапазона большинства доступных АЦП, используемых в этой области применения.Термисторы также обычно подключаются или располагаются рядом с электроникой, поэтому не требуется устойчивость к току возбуждения.
Добавление последовательного резистора в качестве схемы делителя напряжения ограничит ток через термистор до минимального значения сопротивления.В этой конфигурации значение сенсорного резистора RSENSE должно быть равно значению сопротивления термистора при эталонной температуре 25°C, чтобы выходное напряжение было равно средней точке эталонного напряжения при его номинальной температуре 25°C. 25°CC Аналогично, если используется термистор сопротивлением 10 кОм с сопротивлением 10 кОм при 25°C, RSENSE должно составлять 10 кОм.При изменении температуры сопротивление термистора NTC также изменяется, и соотношение напряжения возбуждения на термисторе также изменяется, в результате чего выходное напряжение становится пропорциональным сопротивлению термистора NTC.
Если выбранное опорное напряжение, используемое для питания термистора и/или RSENSE, соответствует опорному напряжению АЦП, используемому для измерения, система переводится на логометрическое измерение (рис. 7), так что любой источник напряжения ошибки, связанной с возбуждением, будет смещен для устранения.
Обратите внимание, что либо сенсорный резистор (управляемый напряжением), либо эталонный резистор (управляемый током) должен 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 собственный прецизионный чувствительный резистор, как показано на рис.8. Другой вариант — использовать внешний мультиплексор или низкоомный переключатель во включенном состоянии, что позволяет совместно использовать один прецизионный чувствительный резистор.При такой конфигурации каждому термистору требуется некоторое время стабилизации при измерении.
Подводя итог, можно сказать, что при проектировании системы измерения температуры на основе термистора необходимо учитывать множество вопросов: выбор датчика, подключение датчика, компромиссы при выборе компонентов, конфигурация АЦП и то, как эти различные переменные влияют на общую точность системы.В следующей статье этой серии объясняется, как оптимизировать конструкцию вашей системы и общий баланс ошибок системы для достижения целевой производительности.
Время публикации: 30 сентября 2022 г.