Detta är den första artikeln i en serie i två delar. Artikeln kommer först att diskutera historien och designutmaningarna förtermistorbaserad temperaturmätsystem, samt deras jämförelse med temperaturmätningssystem med resistanstermometer (RTD). Den kommer också att beskriva valet av termistor, konfigurationsavvägningar och vikten av sigma-delta analog-till-digital-omvandlare (ADC) inom detta tillämpningsområde. Den andra artikeln kommer att i detalj beskriva hur man optimerar och utvärderar det slutliga termistorbaserade mätsystemet.
Som beskrivits i den föregående artikelserien, Optimering av RTD-temperatursensorsystem, är en RTD ett motstånd vars resistans varierar med temperaturen. Termistorer fungerar på liknande sätt som RTD:er. Till skillnad från RTD:er, som bara har en positiv temperaturkoefficient, kan en termistor ha en positiv eller negativ temperaturkoefficient. Termistorer med negativ temperaturkoefficient (NTC) minskar sin resistans när temperaturen stiger, medan termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC) ökar sin resistans när temperaturen stiger. Fig. 1 visar svarsegenskaperna för typiska NTC- och PTC-termistorer och jämför dem med RTD-kurvor.
När det gäller temperaturområde är RTD-kurvan nästan linjär, och sensorn täcker ett mycket bredare temperaturområde än termistorer (vanligtvis -200 °C till +850 °C) på grund av termistorns icke-linjära (exponentiella) natur. RTD:er tillhandahålls vanligtvis i välkända standardiserade kurvor, medan termistorkurvor varierar beroende på tillverkare. Vi kommer att diskutera detta i detalj i avsnittet om termistorvalsguide i den här artikeln.
Termistorer är tillverkade av kompositmaterial, vanligtvis keramik, polymerer eller halvledare (vanligtvis metalloxider) och rena metaller (platina, nickel eller koppar). Termistorer kan detektera temperaturförändringar snabbare än RTD:er, vilket ger snabbare feedback. Därför används termistorer ofta av sensorer i applikationer som kräver låg kostnad, liten storlek, snabbare respons, högre känslighet och begränsat temperaturområde, såsom elektronikstyrning, hem- och byggnadskontroll, vetenskapliga laboratorier eller kalla junction-kompensation för termoelement i kommersiella eller industriella applikationer. Användningsområden.
I de flesta fall används NTC-termistorer för noggrann temperaturmätning, inte PTC-termistorer. Vissa PTC-termistorer finns tillgängliga som kan användas i överströmsskyddskretsar eller som återställningsbara säkringar för säkerhetsapplikationer. Resistans-temperaturkurvan för en PTC-termistor visar ett mycket litet NTC-område innan den når kopplingspunkten (eller Curie-punkten), över vilken resistansen ökar kraftigt med flera storleksordningar i intervallet flera grader Celsius. Under överströmsförhållanden kommer PTC-termistorn att generera stark självuppvärmning när kopplingstemperaturen överskrids, och dess resistans kommer att öka kraftigt, vilket minskar ingångsströmmen till systemet och därigenom förhindrar skador. Kopplingspunkten för PTC-termistorer ligger vanligtvis mellan 60 °C och 120 °C och är inte lämplig för att styra temperaturmätningar i ett brett spektrum av applikationer. Denna artikel fokuserar på NTC-termistorer, som vanligtvis kan mäta eller övervaka temperaturer från -80 °C till +150 °C. NTC-termistorer har resistansvärden som sträcker sig från några få ohm till 10 MΩ vid 25 °C. Som visas i figur 1 är förändringen i resistans per grad Celsius för termistorer mer uttalad än för resistanstermometrar. Jämfört med termistorer förenklar termistorns höga känslighet och höga resistansvärde dess ingångskretsar, eftersom termistorer inte kräver någon speciell ledningskonfiguration, såsom 3-tråds eller 4-tråds, för att kompensera för ledningsresistans. Termistorkonstruktionen använder endast en enkel 2-trådskonfiguration.
Högprecisionstemperaturmätning baserad på termistorer kräver exakt signalbehandling, analog-till-digital-omvandling, linearisering och kompensation, såsom visas i figur 2.
Även om signalkedjan kan verka enkel finns det flera komplexiteter som påverkar storleken, kostnaden och prestandan för hela moderkortet. ADI:s precisions-ADC-portfölj inkluderar flera integrerade lösningar, såsom AD7124-4/AD7124-8, vilka ger ett antal fördelar för termisk systemdesign eftersom de flesta byggstenarna som behövs för en applikation är inbyggda. Det finns dock olika utmaningar med att designa och optimera termistorbaserade temperaturmätningslösningar.
Den här artikeln diskuterar vart och ett av dessa problem och ger rekommendationer för att lösa dem och ytterligare förenkla designprocessen för sådana system.
Det finns en mängd olikaNTC-termistorerpå marknaden idag, så att välja rätt termistor för din applikation kan vara en svår uppgift. Observera att termistorer listas efter sitt nominella värde, vilket är deras nominella resistans vid 25 °C. Därför har en 10 kΩ termistor en nominell resistans på 10 kΩ vid 25 °C. Termistorer har nominella eller grundläggande resistansvärden som sträcker sig från några ohm till 10 MΩ. Termistorer med låg resistansklassificering (nominell resistans på 10 kΩ eller mindre) stöder vanligtvis lägre temperaturområden, såsom -50 °C till +70 °C. Termistorer med högre resistansklassificeringar tål temperaturer upp till 300 °C.
Termistorelementet är tillverkat av metalloxid. Termistorer finns i kulform, radialform och SMD-form. Termistorkulor är epoxibelagda eller glasinkapslade för extra skydd. Epoxibelagda kultermistorer, radialtermistorer och yttermistorer är lämpliga för temperaturer upp till 150 °C. Glaskultermistorer är lämpliga för mätning av höga temperaturer. Alla typer av beläggningar/förpackningar skyddar också mot korrosion. Vissa termistorer har också extra höljen för extra skydd i tuffa miljöer. Glaskultermistorer har en snabbare svarstid än radial-/SMD-termistorer. De är dock inte lika hållbara. Därför beror typen av termistor som används på slutapplikationen och den miljö där termistorn är placerad. Termistorns långsiktiga stabilitet beror på dess material, förpackning och design. Till exempel kan en epoxibelagd NTC-termistor ändras med 0,2 °C per år, medan en förseglad termistor bara ändras med 0,02 °C per år.
Termistorer finns med olika noggrannhet. Standardtermistorer har vanligtvis en noggrannhet på 0,5 °C till 1,5 °C. Termistorns resistansklassificering och betavärde (förhållandet 25 °C till 50 °C/85 °C) har en tolerans. Observera att termistorns betavärde varierar beroende på tillverkare. Till exempel har 10 kΩ NTC-termistorer från olika tillverkare olika betavärden. För mer exakta system kan termistorer som Omega™ 44xxx-serien användas. De har en noggrannhet på 0,1 °C eller 0,2 °C över ett temperaturområde från 0 °C till 70 °C. Därför avgör det temperaturområde som kan mätas och den noggrannhet som krävs över det temperaturområdet om termistorer är lämpliga för denna tillämpning. Observera att ju högre noggrannhet Omega 44xxx-serien har, desto högre blir kostnaden.
För att omvandla resistans till grader Celsius används vanligtvis betavärdet. Betavärdet bestäms genom att känna till de två temperaturpunkterna och motsvarande resistans vid varje temperaturpunkt.
RT1 = Temperaturmotstånd 1 RT2 = Temperaturmotstånd 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
Användaren använder det betavärde som ligger närmast det temperaturområde som används i projektet. De flesta termistordatablad listar ett betavärde tillsammans med en resistanstolerans vid 25 °C och en tolerans för betavärdet.
Högprecisionstermistorer och högprecisionstermineringslösningar, såsom Omega 44xxx-serien, använder Steinhart-Hart-ekvationen för att omvandla resistans till grader Celsius. Ekvation 2 kräver de tre konstanterna A, B och C, återigen tillhandahållna av sensortillverkaren. Eftersom ekvationskoefficienterna genereras med hjälp av tre temperaturpunkter minimerar den resulterande ekvationen felet som introduceras av linearisering (vanligtvis 0,02 °C).
A, B och C är konstanter härledda från tre temperaturbörvärden. R = termistorresistans i ohm T = temperatur i K grader
Figur 3 visar strömexciteringen av sensorn. Drivström appliceras på termistorn och samma ström appliceras på precisionsmotståndet; ett precisionsmotstånd används som referens för mätningen. Referensmotståndets värde måste vara större än eller lika med det högsta värdet på termistorresistansen (beroende på den lägsta temperaturen som uppmätts i systemet).
Vid val av excitationsström måste termistorns maximala resistans återigen beaktas. Detta säkerställer att spänningen över sensorn och referensresistansen alltid är på en nivå som är acceptabel för elektroniken. Fältströmskällan kräver viss utrymmeskapacitet eller utgångsanpassning. Om termistorn har en hög resistans vid den lägsta mätbara temperaturen kommer detta att resultera i en mycket låg drivström. Därför är spänningen som genereras över termistorn vid hög temperatur liten. Programmerbara förstärkningssteg kan användas för att optimera mätningen av dessa lågnivåsignaler. Förstärkningen måste dock programmeras dynamiskt eftersom signalnivån från termistorn varierar kraftigt med temperaturen.
Ett annat alternativ är att ställa in förstärkningen men använda dynamisk drivström. Därför, när signalnivån från termistorn ändras, ändras drivströmmens värde dynamiskt så att spänningen som utvecklas över termistorn ligger inom det angivna ingångsområdet för den elektroniska enheten. Användaren måste säkerställa att spänningen som utvecklas över referensmotståndet också ligger på en nivå som är acceptabel för elektroniken. Båda alternativen kräver en hög nivå av kontroll och konstant övervakning av spänningen över termistorn så att elektroniken kan mäta signalen. Finns det ett enklare alternativ? Överväg spänningsexcitation.
När likspänning appliceras på termistorn skalas strömmen genom termistorn automatiskt allt eftersom termistorns resistans ändras. Genom att använda ett precisionsmätningsmotstånd istället för ett referensmotstånd är dess syfte att beräkna strömmen som flyter genom termistorn, vilket gör det möjligt att beräkna termistorresistansen. Eftersom drivspänningen också används som ADC-referenssignal krävs inget förstärkningssteg. Processorn har inte uppgiften att övervaka termistorspänningen, avgöra om signalnivån kan mätas av elektroniken och beräkna vilket drivförstärknings-/strömvärde som behöver justeras. Detta är den metod som används i den här artikeln.
Om termistorn har ett litet resistansområde och resistansområde kan spännings- eller strömexcitation användas. I detta fall kan drivströmmen och förstärkningen vara fasta. Kretsen kommer således att se ut som visas i figur 3. Denna metod är bekväm eftersom det är möjligt att styra strömmen genom sensorn och referensmotståndet, vilket är värdefullt i lågeffektapplikationer. Dessutom minimeras termistorns självuppvärmning.
Spänningsexcitation kan också användas för termistorer med låg resistans. Användaren måste dock alltid se till att strömmen genom sensorn inte är för hög för sensorn eller applikationen.
Spänningsexcitation förenklar implementeringen när man använder en termistor med stor resistansklassning och ett brett temperaturområde. Större nominell resistans ger en acceptabel nivå av märkström. Konstruktörer måste dock säkerställa att strömmen är på en acceptabel nivå över hela det temperaturområde som stöds av applikationen.
Sigma-Delta ADC:er erbjuder flera fördelar vid design av termistormätningssystem. För det första, eftersom sigma-delta ADC:n omsamplar den analoga ingången, hålls extern filtrering till ett minimum och det enda kravet är ett enkelt RC-filter. De ger flexibilitet i filtertyp och utgångsbaudhastighet. Inbyggd digital filtrering kan användas för att undertrycka störningar i nätdrivna enheter. 24-bitarsenheter som AD7124-4/AD7124-8 har en full upplösning på upp till 21,7 bitar, så de ger hög upplösning.
Användningen av en sigma-delta ADC förenklar termistordesignen avsevärt samtidigt som den minskar specifikationer, systemkostnader, kortutrymme och tid till marknaden.
Den här artikeln använder AD7124-4/AD7124-8 som ADC eftersom de är precisions-ADC:er med lågt brus och låg strömstyrka, inbyggd PGA, inbyggd referens, analog ingång och referensbuffert.
Oavsett om du använder drivström eller drivspänning rekommenderas en ratiometrisk konfiguration där referensspänningen och sensorspänningen kommer från samma drivkälla. Detta innebär att eventuella förändringar i excitationskällan inte påverkar mätningens noggrannhet.
Figur 5 visar den konstanta drivströmmen för termistorn och precisionsmotståndet RREF. Spänningen som utvecklas över RREF är referensspänningen för mätning av termistorn.
Fältströmmen behöver inte vara noggrann och kan vara mindre stabil eftersom eventuella fel i fältströmmen elimineras i denna konfiguration. Generellt sett föredras strömexcitation framför spänningsexcitation på grund av överlägsen känslighetskontroll och bättre brusimmunitet när sensorn är placerad på avlägsna platser. Denna typ av biasmetod används vanligtvis för RTD:er eller termistorer med låga resistansvärden. För en termistor med ett högre resistansvärde och högre känslighet kommer dock signalnivån som genereras av varje temperaturförändring att vara större, så spänningsexcitation används. Till exempel har en 10 kΩ termistor en resistans på 10 kΩ vid 25 °C. Vid -50 °C är resistansen hos NTC-termistorn 441,117 kΩ. Den minsta drivströmmen på 50 µA som tillhandahålls av AD7124-4/AD7124-8 genererar 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, vilket är för högt och utanför driftsområdet för de flesta tillgängliga ADC:er som används inom detta tillämpningsområde. Termistorer är vanligtvis också anslutna eller placerade nära elektroniken, så immunitet mot drivström krävs inte.
Genom att lägga till ett sensormotstånd i serie som en spänningsdelare begränsas strömmen genom termistorn till dess minsta resistansvärde. I denna konfiguration måste värdet på sensormotståndet RSENSE vara lika med värdet på termistorresistansen vid en referenstemperatur på 25 °C, så att utspänningen blir lika med mittpunkten för referensspänningen vid dess nominella temperatur på 25 °CC. På liknande sätt, om en 10 kΩ termistor med ett motstånd på 10 kΩ vid 25 °C används, bör RSENSE vara 10 kΩ. När temperaturen ändras ändras även resistansen hos NTC-termistorn, och förhållandet mellan drivspänningen över termistorn ändras också, vilket resulterar i att utspänningen är proportionell mot resistansen hos NTC-termistorn.
Om den valda spänningsreferensen som används för att driva termistorn och/eller RSENSE matchar ADC-referensspänningen som används för mätningen, ställs systemet in på ratiometrisk mätning (Figur 7) så att eventuella excitationsrelaterade felspänningskällor kommer att förspännas för att eliminera dem.
Observera att antingen avkänningsmotståndet (spänningsdrivet) eller referensmotståndet (strömdrivet) bör ha en låg initial tolerans och låg drift, eftersom båda variablerna kan påverka hela systemets noggrannhet.
När man använder flera termistorer kan en excitationsspänning användas. Varje termistor måste dock ha sitt eget precisionsavkänningsmotstånd, som visas i figur 8. Ett annat alternativ är att använda en extern multiplexor eller lågresistansbrytare i påslaget läge, vilket gör det möjligt att dela ett precisionsavkänningsmotstånd. Med denna konfiguration behöver varje termistor en viss inställningstid vid mätning.
Sammanfattningsvis finns det många frågor att beakta när man utformar ett termistorbaserat temperaturmätningssystem: val av sensor, sensorkabeldragning, avvägningar vid komponentval, ADC-konfiguration och hur dessa olika variabler påverkar systemets övergripande noggrannhet. Nästa artikel i den här serien förklarar hur du optimerar din systemdesign och övergripande systemfelsbudget för att uppnå din målprestanda.
Publiceringstid: 30 sep-2022