A termisztor-alapú hőmérsékleti mérési rendszerek optimalizálása: Kihívás

Ez az első cikk egy kétrészes sorozatban. Ez a cikk először megvitatja atermisztor-alapú hőmérsékletA mérési rendszerek, valamint azok összehasonlításuk az ellenállás hőmérő (RTD) hőmérsékleti mérési rendszerekkel. Leírja a termisztor megválasztását, a konfigurációs kompromisszumokat és a Sigma-Delta analóg-to-digitális konverterek (ADC) fontosságát ebben az alkalmazás területén. A második cikk részletezi, hogyan lehet optimalizálni és értékelni a végső termisztor-alapú mérési rendszert.
Amint azt az előző cikksorozatban, az RTD hőmérséklet -érzékelő rendszerek optimalizálása, az RTD olyan ellenállás, amelynek ellenállása a hőmérséklettől függ. A termisztorok hasonlóan működnek az RTD -khez. Az RTD -kkel ellentétben, amelyek csak pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkeznek, a termisztornak pozitív vagy negatív hőmérsékleti együtthatója lehet. A negatív hőmérsékleti együttható (NTC) termisztorok csökkentik ellenállásukat, amikor a hőmérséklet emelkedik, míg a pozitív hőmérsékleti együttható (PTC) termisztorok növelik ellenállásukat, amikor a hőmérséklet emelkedik. Az 1. ábrán Az 1. ábra mutatja a tipikus NTC és PTC termisztorok válasz jellemzőit, és összehasonlítja azokat az RTD görbékkel.
A hőmérsékleti tartomány szempontjából az RTD -görbe majdnem lineáris, és az érzékelő sokkal szélesebb hőmérsékleti tartományt fed le, mint a termisztorok (általában -200 ° C - +850 ° C), a termisztor nemlineáris (exponenciális) jellege miatt. Az RTD-ket általában jól ismert standardizált görbékben biztosítják, míg a termisztor görbék gyártónként változnak. Ezt részletesen megvitatjuk a cikk Thermistor Selection Guide szakaszában.
A termisztorok kompozit anyagokból, általában kerámiákból, polimerekből vagy félvezetőkből (általában fém -oxidok) és tiszta fémekből (platina, nikkel vagy réz) készülnek. A termisztorok gyorsabban észlelhetik a hőmérsékleti változásokat, mint az RTD -k, gyorsabb visszajelzést adva. Ezért a termisztorokat általában olyan érzékelők használják, amelyek alacsony költségeket, kis méretű, gyorsabb választ, magasabb érzékenységet és korlátozott hőmérsékleti tartományt igényelnek, például az elektronika ellenőrzését, az otthoni és az épületkezelést, a tudományos laboratóriumokat vagy a hideg csomópont kompenzációját a kereskedelemben lévő hőelemek számára a kereskedelmi területeken. vagy ipari alkalmazások. célok. Alkalmazások.
A legtöbb esetben az NTC termisztorokat használják a pontos hőmérsékleti méréshez, nem pedig a PTC termisztorokhoz. Néhány PTC -termisztor rendelkezésre áll, amelyek felhasználhatók a túláram -védelmi áramkörökben vagy a biztonsági alkalmazásokhoz leépíthető biztosítékként. A PTC-termisztor ellenállás-hőmérsékleti görbe egy nagyon kicsi NTC régiót mutat, mielőtt elérné a kapcsolópontot (vagy a Curie-pontot), amely felett az ellenállás több nagyságrenddel hirtelen emelkedik, több Celsius fokos tartományban. Túláram-körülmények között a PTC termisztor erős önmelegedést generál, amikor a kapcsolási hőmérsékletet túllépik, és ellenállása hirtelen emelkedik, ami csökkenti a rendszer bemeneti áramát, ezáltal megakadályozva a károsodást. A PTC termisztorok váltási pontja általában 60 ° C és 120 ° C között van, és nem alkalmas a hőmérséklet -mérések ellenőrzésére számos alkalmazási tartományban. Ez a cikk az NTC termisztorokra összpontosít, amelyek általában -80 ° C -tól +150 ° C -ig terjedő hőmérsékleteket képesek megmérni vagy monitorozni. Az NTC termisztorok ellenállási besorolása néhány ohm és 10 MΩ között van 25 ° C -on. Amint az ábrán látható. Az 1. ábrán a Celsius fokonkénti rezisztencia változása a termisztorok esetében jobban kiemelkedő, mint az ellenállás hőmérőknél. A termisztorokkal összehasonlítva a termisztor nagy érzékenysége és nagy ellenállási értéke egyszerűsíti a bemeneti áramkört, mivel a termisztorok nem igényelnek speciális vezetékkonfigurációt, például 3-vezetékes vagy 4 vezetéket, hogy kompenzálják az ólom ellenállását. A termisztor kialakítása csak egy egyszerű 2 vezetékes konfigurációt használ.
A nagy pontosságú termisztor-alapú hőmérséklet-méréshez pontos jelfeldolgozást, analóg-digitális átalakítást, linearizációt és kompenzációt igényel, amint azt az ábra mutatja. 2.
Noha a jellánc egyszerűnek tűnhet, számos összetettség befolyásolja a teljes alaplap méretét, költségeit és teljesítményét. Az ADI precíziós ADC-portfóliója számos integrált megoldást tartalmaz, mint például az AD7124-4/AD7124-8, amelyek számos előnyt nyújtanak a termálrendszer kialakításához, mivel az alkalmazáshoz szükséges építőelemek nagy része beépített. Különböző kihívások vannak azonban a termisztor-alapú hőmérsékleti mérési megoldások megtervezésében és optimalizálásában.
Ez a cikk ezen kérdések mindegyikét tárgyalja, és ajánlásokat ad azok megoldására és az ilyen rendszerek tervezési folyamatának további egyszerűsítésére.
Széles választék vanNTC termisztorokA mai piacon, tehát félelmetes feladat lehet, így az alkalmazásához megfelelő termisztor kiválasztása lehet. Vegye figyelembe, hogy a termisztorokat névleges értékük szerint sorolják fel, amely névleges ellenállásuk 25 ° C -on. Ezért egy 10 kΩ termisztor névleges ellenállása 10 kΩ 25 ° C -on. A termisztorok névleges vagy alapvető ellenállási értékei vannak, néhány ohm -tól 10 MΩ -ig. Az alacsony ellenállású termisztorok (10 kΩ névleges ellenállás) általában alacsonyabb hőmérsékleti tartományokat tartanak fenn, például -50 ° C -tól +70 ° C -ig. A magasabb ellenállási besorolásokkal rendelkező termisztorok 300 ° C -ig terjedhetnek a hőmérsékletek ellen.
A termisztor elem fém -oxidból készül. A termisztorok golyó, radiális és SMD formájúak. A termisztorgyöngyök epoxi bevonatú vagy üvegbe vannak beágyazva a hozzáadott védelem érdekében. Az epoxi -bevonatú golyó termisztorok, a radiális és a felszíni termisztorok 150 ° C -ig terjedő hőmérsékletekre alkalmasak. Az üveggyöngy termisztorai alkalmasak a magas hőmérséklet mérésére. Minden típusú bevonás/csomagolás szintén védi a korróziót. Egyes termisztoroknak további házak is vannak, amelyek hozzáadott védelmet nyújtanak durva környezetben. A gyöngy termisztorok gyorsabb válaszidővel rendelkeznek, mint a radiális/SMD termisztorok. Ugyanakkor nem olyan tartósak. Ezért a használt termisztor típusa a végfelhasználástól és a termisztor helyétől függ. A termisztor hosszú távú stabilitása az anyagtól, a csomagolástól és a kialakítástól függ. Például egy epoxi-bevonatú NTC termisztor évente 0,2 ° C-ot válthat ki, míg a lezárt termisztor csak évente 0,02 ° C-ot változik.
A termisztorok eltérő pontossággal rendelkeznek. A standard termisztorok pontossága általában 0,5 ° C - 1,5 ° C. A termisztor ellenállás besorolása és a béta érték (25 ° C és 50 ° C/85 ° C arány) toleranciával rendelkezik. Vegye figyelembe, hogy a termisztor béta -értéke gyártónként változik. Például a különböző gyártók 10 kΩ NTC termisztorai eltérő béta -értékekkel rendelkeznek. A pontosabb rendszerekhez olyan termisztorok, mint az Omega ™ 44xxx sorozat, használhatók. Pontosságuk 0,1 ° C vagy 0,2 ° C, 0 ° C és 70 ° C hőmérsékleti tartományban. Ezért a megmérhető hőmérsékleti tartomány és az adott hőmérsékleti tartományban szükséges pontosság meghatározza, hogy a termisztorok alkalmasak -e erre az alkalmazásra. Felhívjuk figyelmét, hogy minél magasabb az Omega 44xxx sorozat pontossága, annál magasabb a költség.
Az ellenállás Celsius fokra történő átalakításához általában a béta értéket használják. A béta értéket úgy határozzuk meg, hogy megismerjük a két hőmérsékleti pontot és a megfelelő ellenállást az egyes hőmérsékleti pontokon.
RT1 = Hőmérsékleti ellenállás 1 RT2 = Hőmérsékleti ellenállás 2 T1 = 1. hőmérséklet (K) T2 = 2 (K) hőmérséklet
A felhasználó a projektben használt hőmérsékleti tartományhoz legközelebbi béta -értéket használja. A legtöbb termisztor -adatlap felsorolja a béta -értéket, valamint az ellenállás -toleranciát 25 ° C -on és a béta érték toleranciáját.
A magasabb pontosságú termisztorok és a nagy precíziós végződéses megoldások, például az Omega 44xxx sorozat, a Steinhart-Hart egyenletet használják a Celsius fokos rezisztencia konvertálására. A 2. egyenlet megköveteli a három A, B és C állandót, amelyet az érzékelő gyártója ismét biztosít. Mivel az egyenlet együtthatóit három hőmérsékleti ponttal generálják, a kapott egyenlet minimalizálja a linearizáció által bevezetett hibát (általában 0,02 ° C).
Az A, B és C állandók három hőmérsékleti alapból származnak. R = termisztor ellenállás ohmokban t = hőmérséklet k fokon
Az 1. ábrán A 3. ábra az érzékelő jelenlegi gerjesztését mutatja. A meghajtóáramot a termisztorra alkalmazzák, és ugyanazt az áramot alkalmazzák a precíziós ellenállásra; A precíziós ellenállást referenciaként használják a méréshez. A referencia -ellenállás értékének nagyobbnak kell lennie, vagy egyenlőnek kell lennie a termisztor -ellenállás legmagasabb értékével (a rendszerben mért legalacsonyabb hőmérséklettől függően).
A gerjesztési áram kiválasztásakor a termisztor maximális ellenállását ismét figyelembe kell venni. Ez biztosítja, hogy az érzékelőn átmenő feszültség és a referencia ellenállás mindig az elektronika számára elfogadható szinten legyen. A mezőáram -forráshoz némi fej- vagy kimeneti illesztést igényel. Ha a termisztornak a legalacsonyabb mérhető hőmérsékleten nagy ellenállása van, ez nagyon alacsony hajtási áramot eredményez. Ezért a termisztoron magas hőmérsékleten előállított feszültség kicsi. A programozható erősítési szakaszok felhasználhatók ezen alacsony szintű jelek mérésének optimalizálására. A nyereséget azonban dinamikusan kell beprogramozni, mivel a termisztor jelszintje nagymértékben változik a hőmérséklettől.
Egy másik lehetőség a nyereség beállítása, de használja a dinamikus meghajtóáramot. Ezért, mivel a termisztor jelszintje megváltozik, a meghajtóáram -érték dinamikusan megváltozik, így a termisztoron keresztül kialakult feszültség az elektronikus eszköz megadott bemeneti tartományában van. A felhasználónak gondoskodnia kell arról, hogy a referencia -ellenálláson keresztül kialakult feszültség az elektronika számára is elfogadható szinten legyen. Mindkét opció magas szintű vezérlést igényel, a feszültség állandó megfigyelését a termisztoron keresztül, hogy az elektronika mérje a jelet. Van egy könnyebb lehetőség? Fontolja meg a feszültség gerjesztését.
Amikor az egyenáramú feszültséget alkalmazzák a termisztorra, az áram a termisztoron keresztül automatikusan skálázza a termisztor ellenállását. Most, ha egy precíziós mérési ellenállást használunk referencia ellenállás helyett, annak célja a termisztoron keresztül áramló áram kiszámítása, ezáltal lehetővé téve a termisztor ellenállás kiszámítását. Mivel a meghajtó feszültségét ADC referenciajelként is használják, nem szükséges nyereség -stádium. A processzornak nincs feladata a termisztor feszültségének megfigyelése, annak meghatározása, hogy a jelszintet meg lehet -e mérni az elektronikával, és kiszámítva, hogy a hajtás nyereségét/aktuális értékét ki kell módosítani. Ez a cikkben alkalmazott módszer.
Ha a termisztornak kicsi ellenállási és ellenállási tartománya van, akkor a feszültség vagy az aktuális gerjesztés használható. Ebben az esetben a meghajtó áramát és a nyereséget meg lehet javítani. Így az áramkör a 3. ábrán látható. Ez a módszer kényelmes, mivel az áramot az érzékelőn és a referencia -ellenálláson keresztül lehet szabályozni, amely értékes az alacsony teljesítményű alkalmazásokban. Ezenkívül a termisztor önmelegítése minimalizálódik.
A feszültség gerjesztése alacsony ellenállású termisztorokhoz is használható. A felhasználónak azonban mindig gondoskodnia kell arról, hogy az érzékelőn keresztüli áram nem túl magas az érzékelő vagy az alkalmazás számára.
A feszültség gerjesztése egyszerűsíti a megvalósítást, ha egy nagy ellenállás -besorolású termisztorral és széles hőmérsékleti tartományban használható. A nagyobb nominális ellenállás elfogadható mértékű névleges áramot biztosít. A tervezőknek azonban gondoskodniuk kell arról, hogy az áram elfogadható szinten legyen a teljes hőmérsékleti tartományon keresztül, amelyet az alkalmazás támogat.
A Sigma-Delta ADC-k számos előnyt kínálnak a termisztor mérési rendszer tervezésekor. Először is, mivel a Sigma-Delta ADC újrarendezi az analóg bemenetet, a külső szűrést minimálisra csökkentik, és az egyetlen követelmény egy egyszerű RC szűrő. Rugalmasságot biztosítanak a szűrő típusában és a kimeneti adatátviteli sebességben. A beépített digitális szűrés felhasználható a hálózati motorok beavatkozásának elnyomására. A 24 bites eszközök, mint például az AD7124-4/AD7124-8, teljes felbontásuk akár 21,7 bit is, tehát nagy felbontást biztosítanak.
A Sigma-Delta ADC használata nagymértékben leegyszerűsíti a termisztor kialakítását, miközben csökkenti a specifikációt, a rendszerköltséget, a testületet és a piacra dobást.
Ez a cikk az AD7124-4/AD7124-8-at használja ADC-ként, mivel alacsony zaj, alacsony áram, precíziós ADC-k beépített PGA-val, beépített referencia, analóg bemenet és referenciapuffer.
Függetlenül attól, hogy meghajtóáramot vagy meghajtó feszültséget használ -e, ajánlott -e egy ratiometrikus konfiguráció, amelyben a referenciafeszültség és az érzékelő feszültsége ugyanabból a meghajtóforrásból származik. Ez azt jelenti, hogy a gerjesztési forrás bármilyen változása nem befolyásolja a mérés pontosságát.
Az 1. ábrán Az 5. ábra az RREF termisztor és precíziós ellenállás állandó meghajtóáramát mutatja, az RREF -en keresztül kifejlesztett feszültség a termisztor mérésére szolgáló referenciafeszültség.
A mezőáramnak nem kell pontosnak lennie, és kevésbé stabil lehet, mivel a mező áramának bármely hibáját ebben a konfigurációban kiküszöbölik. Általában a jelenlegi gerjesztést előnyben részesítik a feszültség gerjesztése, a kiváló érzékenységi szabályozás és a jobb zaj immunitás miatt, amikor az érzékelő távoli helyeken található. Az ilyen típusú torzítási módszert általában alacsony ellenállású RTD -khez vagy termisztorokhoz használják. A nagyobb ellenállási értékkel és nagyobb érzékenységgel rendelkező termisztor esetében azonban az egyes hőmérsékleti változások által generált jelszint nagyobb lesz, tehát a feszültség gerjesztését használják. Például egy 10 kΩ termisztor 10 kΩ ellenállása 25 ° C -on. -50 ° C -on az NTC termisztor ellenállása 441,117 kΩ. Az AD7124-4/AD7124-8 által biztosított 50 µA minimális meghajtóáram 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V-t generál, amely túl magas, és kívül esik a legtöbb rendelkezésre álló ADC működési tartományán. A termisztorok általában az elektronika közelében vannak csatlakoztatva vagy helyezkednek el, így nem szükséges immunitás a meghajtó áramláshoz.
Ha az érzék ellenállását sorozatban feszültség -elválasztó áramkör adja hozzá, az áramot a termisztoron keresztül a minimális ellenállási értékre korlátozza. Ebben a konfigurációban az RSense érzék -ellenállásának értékének meg kell egyeznie a termisztor ellenállás értékével, 25 ° C referenciahőmérsékleten, így a kimeneti feszültség megegyezik a referenciafeszültség középpontjával, a névleges hőmérsékleten. 25 ° CC Hasonlóképpen, ha 10 kΩ -os, 10 kΩ -os ellenállású termisztort használunk 25 ° C -on, akkor az RSense -nek 10 kΩ -nak kell lennie. Ahogy a hőmérséklet megváltozik, az NTC termisztor ellenállása szintén megváltozik, és a hajtásfeszültség aránya a termisztoron keresztül is megváltozik, így a kimeneti feszültség arányos az NTC termisztor ellenállásával.
Ha a termisztor és/vagy az RSense táplálására használt kiválasztott feszültség-referencia megegyezik a méréshez használt ADC referencia feszültséggel, akkor a rendszert ratiometrikus mérésre állítják (7. ábra), így az izgalommal kapcsolatos hibafeszültségforrás eltávolításra kerül.
Vegye figyelembe, hogy az érzékálló ellenállásnak (feszültségvezérelt) vagy a referencia -ellenállásnak (áramvezérelt) alacsony kezdeti toleranciával és alacsony sodródással kell rendelkeznie, mivel mindkét változó befolyásolhatja a teljes rendszer pontosságát.
Több termisztor használatakor egy gerjesztési feszültség használható. Azonban minden termisztornak saját precíziós érzékelésével kell rendelkeznie, amint az az ábrán látható. 8. Egy másik lehetőség egy külső multiplexer vagy alacsony ellenállású kapcsoló használata az ON állapotban, amely lehetővé teszi az egyik pontosságú érzék-ellenállás megosztását. Ezzel a konfigurációval az egyes termisztoroknak mérési időre van szükségük.
Összefoglalva: a termisztor-alapú hőmérsékleti mérési rendszer tervezésekor számos kérdést kell figyelembe venni: érzékelő kiválasztása, érzékelő vezetéke, alkatrészek kiválasztási kompromisszumai, ADC konfiguráció, és hogy ezek a különféle változók hogyan befolyásolják a rendszer általános pontosságát. A sorozat következő cikke elmagyarázza, hogyan lehet optimalizálni a rendszertervezést és az általános rendszerhiba -költségvetést a célteljesítmény elérése érdekében.