Ez egy kétrészes sorozat első cikke.Ez a cikk először a történetét és a tervezési kihívásokat tárgyaljatermisztor alapú hőmérsékletmérőrendszerek, valamint ezek összehasonlítása ellenálláshőmérő (RTD) hőmérsékletmérő rendszerekkel.Leírja továbbá a termisztor kiválasztását, a konfigurációs kompromisszumokat és a szigma-delta analóg-digitális átalakítók (ADC) fontosságát ezen az alkalmazási területen.A második cikk részletezi a végső termisztor alapú mérési rendszer optimalizálását és értékelését.
Az előző cikksorozatban, az RTD hőmérséklet-érzékelő rendszerek optimalizálása című cikkben leírtak szerint az RTD egy olyan ellenállás, amelynek ellenállása a hőmérséklet függvényében változik.A termisztorok az RTD-ekhez hasonlóan működnek.Ellentétben az RTD-kkel, amelyeknek csak pozitív hőmérsékleti együtthatója van, a termisztornak lehet pozitív vagy negatív hőmérsékleti együtthatója.A negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTC) termisztorok a hőmérséklet emelkedésével csökkentik az ellenállásukat, míg a pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok a hőmérséklet emelkedésével növelik ellenállásukat.ábrán.Az 1. ábra a tipikus NTC és PTC termisztorok válaszjellemzőit mutatja, és összehasonlítja azokat az RTD görbékkel.
A hőmérséklet-tartományt tekintve az RTD görbe közel lineáris, és az érzékelő sokkal szélesebb hőmérsékleti tartományt fed le, mint a termisztorok (jellemzően -200°C és +850°C között), a termisztor nemlineáris (exponenciális) természete miatt.Az RTD-ket általában jól ismert szabványos görbékben adják meg, míg a termisztor görbéi gyártónként változnak.Ezt a cikk termisztorválasztási útmutatójában részletesen tárgyaljuk.
A termisztorok kompozit anyagokból készülnek, általában kerámiákból, polimerekből vagy félvezetőkből (általában fém-oxidok) és tiszta fémekből (platina, nikkel vagy réz).A termisztorok gyorsabban érzékelik a hőmérsékletváltozásokat, mint az RTD-k, így gyorsabb visszacsatolást biztosítanak.Ezért a termisztorokat általában olyan alkalmazásokban használják az érzékelők, amelyek alacsony költséget, kis méretet, gyorsabb reakciót, nagyobb érzékenységet és korlátozott hőmérsékleti tartományt igényelnek, például elektronikai vezérlés, otthoni és épületvezérlés, tudományos laboratóriumok vagy a kereskedelmi forgalomban lévő hőelemek hideg átmenet kompenzációja. vagy ipari alkalmazásokhoz.célokra.Alkalmazások.
A legtöbb esetben NTC termisztorokat használnak a pontos hőmérsékletméréshez, nem PTC termisztorokat.Vannak olyan PTC termisztorok, amelyek használhatók túláramvédelmi áramkörökben vagy visszaállítható biztosítékként biztonsági alkalmazásokhoz.A PTC termisztor ellenállás-hőmérséklet görbéje a kapcsolási pont (vagy Curie-pont) elérése előtt egy nagyon kis NTC-régiót mutat, amely felett az ellenállás több nagyságrenddel, több Celsius fokos tartományban meredeken emelkedik.Túláram esetén a PTC termisztor a kapcsolási hőmérséklet túllépése esetén erős önmelegedést generál, ellenállása pedig meredeken megemelkedik, ami csökkenti a rendszer bemeneti áramát, ezáltal elkerülhető a károsodás.A PTC termisztorok kapcsolási pontja jellemzően 60°C és 120°C között van, és nem alkalmas hőmérsékletmérések vezérlésére az alkalmazások széles körében.Ez a cikk az NTC termisztorokra összpontosít, amelyek jellemzően -80°C és +150°C közötti hőmérsékletet képesek mérni vagy figyelni.Az NTC termisztorok ellenállása néhány ohmtól 10 MΩ-ig terjed 25 °C-on.ábrán látható módon.Az 1. ábra szerint a termisztorok Celsius-fokonkénti ellenállásának változása kifejezettebb, mint az ellenálláshőmérők esetében.A termisztorokhoz képest a termisztor nagy érzékenysége és nagy ellenállási értéke leegyszerűsíti a bemeneti áramkörét, mivel a termisztorok nem igényelnek semmilyen speciális huzalozási konfigurációt, például 3- vagy 4-vezetékes, a vezetékellenállás kompenzálásához.A termisztoros kialakítás csak egy egyszerű 2 vezetékes konfigurációt használ.
A nagy pontosságú termisztor alapú hőmérsékletmérés precíz jelfeldolgozást, analóg-digitális átalakítást, linearizálást és kompenzációt igényel, amint az az 1. ábrán látható.2.
Bár a jellánc egyszerűnek tűnhet, számos bonyolultság befolyásolja a teljes alaplap méretét, költségét és teljesítményét.Az ADI precíziós ADC-portfóliója számos integrált megoldást tartalmaz, mint például az AD7124-4/AD7124-8, amelyek számos előnnyel járnak a hőrendszer tervezésében, mivel az alkalmazásokhoz szükséges építőelemek többsége be van építve.A termisztor alapú hőmérsékletmérési megoldások tervezése és optimalizálása azonban számos kihívást jelent.
Ez a cikk ezeket a problémákat tárgyalja, és javaslatokat ad ezek megoldására és az ilyen rendszerek tervezési folyamatának további egyszerűsítésére.
Sokféle létezikNTC termisztoroka piacon, így az alkalmazásához megfelelő termisztor kiválasztása ijesztő feladat lehet.Vegye figyelembe, hogy a termisztorok névleges értékük szerint vannak felsorolva, ami a névleges ellenállásuk 25 °C-on.Ezért egy 10 kΩ-os termisztor névleges ellenállása 10 kΩ 25°C-on.A termisztorok névleges vagy alapellenállási értékei néhány ohmtól 10 MΩ-ig terjednek.Az alacsony ellenállású termisztorok (névleges ellenállás 10 kΩ vagy kevesebb) általában alacsonyabb hőmérsékleti tartományokat támogatnak, például -50°C és +70°C között.A magasabb ellenállási besorolású termisztorok akár 300°C-ig is ellenállnak.
A termisztor elem fém-oxidból készül.A termisztorok golyós, radiális és SMD formában kaphatók.A termisztor gyöngyök epoxi bevonattal vagy üveggel vannak bevonva a fokozott védelem érdekében.Az epoxi bevonatú golyós termisztorok, radiális és felületi termisztorok 150°C-ig alkalmasak.Az üveggyöngy termisztorok magas hőmérséklet mérésére alkalmasak.Minden típusú bevonat/csomagolás véd a korrózió ellen is.Egyes termisztorok további házzal is rendelkeznek a fokozott védelem érdekében a zord környezetben.A gyöngy termisztorok válaszideje gyorsabb, mint a radiális/SMD termisztoroké.Azonban nem olyan tartósak.Ezért az alkalmazott termisztor típusa a végső alkalmazástól és a termisztor elhelyezésének környezetétől függ.A termisztor hosszú távú stabilitása az anyagától, a csomagolásától és a kialakításától függ.Például egy epoxibevonatú NTC termisztor 0,2 °C-ot változtathat évente, míg a lezárt termisztor csak 0,02 °C-ot változhat évente.
A termisztorok különböző pontosságúak.A szabványos termisztorok pontossága általában 0,5 °C és 1,5 °C közötti.A termisztor ellenállásának besorolása és béta értéke (25°C és 50°C/85°C közötti arány) tűréshatárral rendelkezik.Vegye figyelembe, hogy a termisztor béta értéke gyártónként változik.Például a különböző gyártóktól származó 10 kΩ-os NTC termisztorok eltérő béta-értékekkel rendelkeznek.A pontosabb rendszerek érdekében termisztorok, például az Omega™ 44xxx sorozat használhatók.Pontosságuk 0,1°C vagy 0,2°C 0°C és 70°C közötti hőmérséklet-tartományban.Ezért a mérhető hőmérséklet-tartomány és a hőmérséklet-tartományban megkövetelt pontosság határozza meg, hogy a termisztorok alkalmasak-e erre az alkalmazásra.Kérjük, vegye figyelembe, hogy minél nagyobb az Omega 44xxx sorozat pontossága, annál magasabb a költsége.
Az ellenállás Celsius-fokra való konvertálásához általában a béta értéket használják.A béta értéket a két hőmérsékleti pont és az egyes hőmérsékleti pontok megfelelő ellenállásának ismeretében határozzuk meg.
RT1 = 1. hőmérsékleti ellenállás RT2 = 2. hőmérsékleti ellenállás T1 = 1. hőmérséklet (K) T2 = 2. hőmérséklet (K)
A felhasználó a projektben használt hőmérsékleti tartományhoz legközelebb eső béta értéket használja.A legtöbb termisztor adatlapon szerepel egy béta érték, valamint egy 25°C-os ellenállástűrés és egy béta érték tűrés.
A nagyobb pontosságú termisztorok és a nagy pontosságú lezárási megoldások, mint például az Omega 44xxx sorozat, a Steinhart-Hart egyenletet használják az ellenállás Celsius-fokra való konvertálására.A 2. egyenlethez a három A, B és C állandóra van szükség, amelyeket szintén az érzékelő gyártója biztosít.Mivel az egyenletegyütthatókat három hőmérsékleti pont felhasználásával állítjuk elő, az eredményül kapott egyenlet minimalizálja a linearizálás által okozott hibát (általában 0,02 °C).
A, B és C három hőmérsékleti alapjelből származó állandók.R = termisztor ellenállása ohmban T = hőmérséklet K fokban
ábrán.A 3. ábra az érzékelő aktuális gerjesztését mutatja.A meghajtó áramot a termisztorra, és ugyanazt az áramot adják a precíziós ellenállásra;precíziós ellenállást használnak referenciaként a méréshez.A referencia-ellenállás értékének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie a termisztor ellenállásának legmagasabb értékénél (a rendszerben mért legalacsonyabb hőmérséklettől függően).
A gerjesztőáram kiválasztásakor ismét figyelembe kell venni a termisztor maximális ellenállását.Ez biztosítja, hogy az érzékelő és a referenciaellenállás feszültsége mindig az elektronika számára elfogadható szinten legyen.A terepi áramforráshoz némi fejtér vagy kimeneti illesztés szükséges.Ha a termisztor nagy ellenállással rendelkezik a legalacsonyabb mérhető hőmérsékleten, ez nagyon alacsony meghajtóáramot eredményez.Ezért a termisztoron magas hőmérsékleten generált feszültség kicsi.Programozható erősítési fokozatok használhatók ezen alacsony szintű jelek mérésének optimalizálására.Az erősítést azonban dinamikusan kell programozni, mert a termisztor jelszintje nagymértékben változik a hőmérséklet függvényében.
Egy másik lehetőség az erősítés beállítása, de dinamikus meghajtóáram használata.Ezért a termisztor jelszintjének változásával a hajtásáram értéke dinamikusan változik, így a termisztoron kialakuló feszültség az elektronikus eszköz meghatározott bemeneti tartományán belül van.A felhasználónak gondoskodnia kell arról, hogy a referenciaellenálláson kialakuló feszültség is az elektronika számára elfogadható szinten legyen.Mindkét lehetőség magas szintű vezérlést, a termisztor feszültségének állandó figyelését igényli, hogy az elektronika mérni tudja a jelet.Van egyszerűbb lehetőség?Vegye figyelembe a feszültséggerjesztést.
Ha egyenfeszültséget kapcsolunk a termisztorra, a termisztoron áthaladó áram automatikusan skálázódik, ahogy a termisztor ellenállása változik.Most, referenciaellenállás helyett precíziós mérőellenállást használva, a célja a termisztoron átfolyó áram kiszámítása, így lehetővé válik a termisztor ellenállásának kiszámítása.Mivel a meghajtó feszültségét egyben ADC referenciajelként is használják, nincs szükség erősítési fokozatra.A processzornak nem az a feladata, hogy figyelje a termisztor feszültségét, meghatározza, hogy a jelszint mérhető-e az elektronikával, és kiszámolja, milyen hajtáserősítést/áramértéket kell beállítani.Ez a cikkben használt módszer.
Ha a termisztor névleges ellenállása és ellenállási tartománya kicsi, akkor feszültség- vagy áramgerjesztés használható.Ebben az esetben a meghajtó áram és az erősítés rögzíthető.Így az áramkör a 3. ábrán látható lesz. Ez a módszer kényelmes, mivel lehetséges az érzékelőn és a referenciaellenálláson keresztüli áram szabályozása, ami értékes kis teljesítményű alkalmazásokban.Ezenkívül a termisztor önmelegedése minimálisra csökken.
A feszültséggerjesztés alacsony ellenállású termisztorokhoz is használható.A felhasználónak azonban mindig gondoskodnia kell arról, hogy az érzékelőn áthaladó áram ne legyen túl magas az érzékelőhöz vagy az alkalmazáshoz.
A feszültséggerjesztés leegyszerűsíti a megvalósítást, ha nagy ellenállású és széles hőmérsékleti tartományú termisztort használnak.A nagyobb névleges ellenállás elfogadható szintű névleges áramot biztosít.A tervezőknek azonban biztosítaniuk kell, hogy az áramerősség elfogadható szinten legyen az alkalmazás által támogatott teljes hőmérsékleti tartományban.
A Sigma-Delta ADC-k számos előnnyel rendelkeznek a termisztoros mérőrendszerek tervezésekor.Először is, mivel a sigma-delta ADC újramintavételezi az analóg bemenetet, a külső szűrés minimálisra csökken, és az egyetlen követelmény egy egyszerű RC szűrő.Rugalmasságot biztosítanak a szűrőtípus és a kimeneti adatátviteli sebesség tekintetében.A beépített digitális szűrés használható a hálózatról táplált eszközök interferenciájának elnyomására.A 24 bites eszközök, például az AD7124-4/AD7124-8 teljes felbontása akár 21,7 bit is lehet, így nagy felbontást biztosítanak.
A sigma-delta ADC használata nagymértékben leegyszerűsíti a termisztor tervezését, miközben csökkenti a specifikációt, a rendszerköltséget, a kártyaterületet és a piacra kerülési időt.
Ez a cikk az AD7124-4/AD7124-8-at használja ADC-ként, mert alacsony zajszintű, alacsony áramerősségű, precíziós ADC-k beépített PGA-val, beépített referenciával, analóg bemenettel és referenciapufferrel.
Függetlenül attól, hogy hajtásáramot vagy feszültséget használ, olyan ratiometrikus konfiguráció javasolt, amelyben a referenciafeszültség és az érzékelő feszültsége ugyanabból a meghajtóforrásból származik.Ez azt jelenti, hogy a gerjesztő forrásban bekövetkezett bármilyen változás nem befolyásolja a mérés pontosságát.
ábrán.Az 5. ábra az RREF termisztor és precíziós ellenállás állandó hajtásáramát mutatja, az RREF-en kialakuló feszültség a termisztor mérésének referenciafeszültsége.
A mezőáramnak nem kell pontosnak lennie, és kevésbé stabil is lehet, mivel ebben a konfigurációban a mezőáram hibái kiküszöbölhetők.Általában az áramgerjesztést részesítik előnyben a feszültséggerjesztéssel szemben a kiváló érzékenységszabályozás és a jobb zajtűrés miatt, ha az érzékelő távoli helyen van.Ezt a fajta előfeszítési módszert jellemzően alacsony ellenállásértékű RTD-khez vagy termisztorokhoz használják.A nagyobb ellenállás értékű és nagyobb érzékenységű termisztornál azonban az egyes hőmérsékletváltozások által generált jelszint nagyobb lesz, ezért feszültséggerjesztést alkalmaznak.Például egy 10 kΩ-os termisztor ellenállása 10 kΩ 25°C-on.-50°C-on az NTC termisztor ellenállása 441,117 kΩ.Az AD7124-4/AD7124-8 által biztosított minimális 50 µA-es meghajtóáram 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V-ot generál, ami túl magas, és kívül esik az ezen az alkalmazási területen használt legtöbb rendelkezésre álló ADC működési tartományán.A termisztorok is általában az elektronikához vannak csatlakoztatva, vagy az elektronika közelében helyezkednek el, így nincs szükség a meghajtóárammal szembeni védettségre.
Ha feszültségosztó áramkörként érzékelő ellenállást adunk sorba, akkor a termisztoron áthaladó áramot a minimális ellenállási értékre korlátozzuk.Ebben a konfigurációban az RSENSE érzékelő ellenállás értékének meg kell egyeznie a termisztor ellenállásának értékével 25 °C-os referenciahőmérsékleten, hogy a kimeneti feszültség egyenlő legyen a referenciafeszültség felezőpontjával a névleges hőmérsékleten. 25°CC Hasonlóképpen, ha 10 kΩ-os termisztort használnak 10 kΩ ellenállással 25°C-on, az RSENSE-nek 10 kΩ-nak kell lennie.A hőmérséklet változásával az NTC termisztor ellenállása is változik, és a termisztoron lévő hajtási feszültség aránya is változik, ami azt eredményezi, hogy a kimeneti feszültség arányos az NTC termisztor ellenállásával.
Ha a termisztor és/vagy az RSENSE táplálására használt kiválasztott feszültség-referencia egyezik a méréshez használt ADC referenciafeszültséggel, akkor a rendszer ratiometrikus mérésre van beállítva (7. ábra), így minden gerjesztéssel kapcsolatos hiba feszültségforrás előfeszítve lesz az eltávolításhoz.
Ne feledje, hogy vagy az érzékelõ ellenállásnak (feszültségvezérelt), vagy a referenciaellenállásnak (áramvezérelt) alacsony kezdeti tûréssel és csekély eltolódással kell rendelkeznie, mivel mindkét változó befolyásolhatja a teljes rendszer pontosságát.
Több termisztor használata esetén egy gerjesztési feszültség használható.Azonban minden termisztornak saját precíziós érzékelési ellenállással kell rendelkeznie, amint az az 1. ábrán látható.8. Egy másik lehetőség egy külső multiplexer vagy alacsony ellenállású kapcsoló használata bekapcsolt állapotban, amely lehetővé teszi egy precíziós érzékelési ellenállás megosztását.Ennél a konfigurációnál minden termisztornak szüksége van bizonyos beállási időre a mérés során.
Összefoglalva, a termisztor alapú hőmérsékletmérő rendszer tervezésekor számos kérdést kell figyelembe venni: az érzékelő kiválasztása, az érzékelő vezetékezése, az alkatrészek kiválasztásának kompromisszumai, az ADC konfigurációja, és hogy ezek a különböző változók hogyan befolyásolják a rendszer általános pontosságát.A sorozat következő cikke elmagyarázza, hogyan optimalizálhatja a rendszertervet és a teljes rendszerhiba-költségvetést a célteljesítmény elérése érdekében.
Feladás időpontja: 2022-09-30