Detta är den första artikeln i en tvådelad serie. Den här artikeln kommer först att diskutera historien och designutmaningarna förtermistorbaserad temperaturMätningssystem, såväl som deras jämförelse med temperaturmätningssystem för motståndstermometer (RTD). Det kommer också att beskriva valet av termistor, konfigurationsavvägningar och vikten av Sigma-Delta analoga till digitala omvandlare (ADC) i detta applikationsområde. Den andra artikeln kommer att beskriva hur man optimerar och utvärderar det slutliga termistormätningssystemet.
Såsom beskrivs i den tidigare artikelserien, optimering av RTD -temperatursensorsystem, är ett RTD ett motstånd vars motstånd varierar med temperaturen. Termistorer arbetar på samma sätt som RTD: er. Till skillnad från RTD: er, som bara har en positiv temperaturkoefficient, kan en termistor ha en positiv eller negativ temperaturkoefficient. Negativ temperaturkoefficient (NTC) termistorer minskar deras motstånd när temperaturen stiger, medan positiv temperaturkoefficient (PTC) termistorer ökar deras motstånd när temperaturen stiger. På fig. 1 visar svaregenskaperna för typiska NTC- och PTC -termistorer och jämför dem med RTD -kurvor.
När det gäller temperaturområdet är RTD -kurvan nästan linjär, och sensorn täcker ett mycket bredare temperaturområde än termistorer (vanligtvis -200 ° C till +850 ° C) på grund av termistornas 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 Thermistor Selection Guide i denna artikel.
Termistorer är tillverkade av kompositmaterial, vanligtvis keramik, polymerer eller halvledare (vanligtvis metalloxider) och rena metaller (platina, nickel eller koppar). Termistorer kan upptäcka temperaturförändringar snabbare än RTD: er, vilket ger snabbare feedback. Därför används termistorer vanligtvis av sensorer i applikationer som kräver låg kostnad, liten storlek, snabbare respons, högre känslighet och begränsat temperaturområde, såsom elektronikkontroll, hem- och byggkontroll, vetenskapliga laboratorier eller kallt korsningskompensation för termoalement i kommersiella kommersiella eller industriella applikationer. syften. Applikationer.
I de flesta fall används NTC -termistorer för korrekt temperaturmätning, inte PTC -termistorer. Vissa PTC -termistorer finns tillgängliga som kan användas i överströmsskyddskretsar eller som återställbara säkringar för säkerhetsapplikationer. Motståndstemperaturkurvan för en PTC-termistor visar en mycket liten NTC-region innan den når switchpunkten (eller curie-punkten), över vilken motståndet stiger kraftigt med flera storleksordningar i intervallet av flera grader Celsius. Under överströmsbetingelser kommer PTC-termistorn att generera stark självuppvärmning när växlingstemperaturen överskrids, och dess motstånd kommer att stiga kraftigt, vilket kommer att minska ingångsströmmen till systemet och därmed förhindra skador. Växlingspunkten för PTC -termistorer är vanligtvis mellan 60 ° C och 120 ° C och är inte lämplig för att kontrollera temperaturmätningar i ett brett spektrum av tillämpningar. Den här artikeln fokuserar på NTC -termistorer, som vanligtvis kan mäta eller övervaka temperaturer som sträcker sig från -80 ° C till +150 ° C. NTC -termistorer har resistensgraderingar från några ohm till 10 MΩ vid 25 ° C. Som visas i fig. 1 är förändringen i motstånd per grad Celsius för termistorer mer uttalad än för resistenstermometrar. Jämfört med termistorer förenklar termistorens höga känslighet och höga motståndsvärde sina ingångskretsar, eftersom termistorer inte kräver någon speciell ledningskonfiguration, till exempel 3-trådar eller 4-trådar, för att kompensera för blymotstånd. Termistordesignen använder endast en enkel 2-tråds konfiguration.
Högprecision termistor-baserad temperaturmätning kräver exakt signalbehandling, analog till digital omvandling, linearisering och kompensation, såsom visas i fig. 2.
Även om signalkedjan kan verka enkel, finns det flera komplexiteter som påverkar storleken, kostnaden och prestandan för hela moderkortet. ADI: s Precision ADC-portfölj innehåller flera integrerade lösningar, till exempel AD7124-4/AD7124-8, som ger ett antal fördelar för termisk systemdesign eftersom de flesta av byggstenarna som behövs för en applikation är inbyggda. Det finns emellertid olika utmaningar när det gäller att utforma och optimera termistorbaserade temperaturmätningslösningar.
Den här artikeln diskuterar var och en av dessa frågor och ger rekommendationer för att lösa dem och ytterligare förenkla designprocessen för sådana system.
Det finns ett brett utbud avNTC -termistorerPå marknaden idag, så att välja rätt termistor för din applikation kan vara en skrämmande uppgift. Observera att termistorer listas efter deras nominella värde, som är deras nominella motstånd vid 25 ° C. Därför har en 10 kΩ termistor ett nominellt motstånd på 10 kΩ vid 25 ° C. Termistorer har nominella eller grundläggande motståndsvärden som sträcker sig från några ohm till 10 MΩ. Termistorer med låg motståndsvärden (nominell motstånd på 10 kΩ eller mindre) stöder vanligtvis lägre temperaturintervall, såsom -50 ° C till +70 ° C. Termistorer med högre motståndsvärden tål temperaturer upp till 300 ° C.
Termistorelementet är tillverkat av metalloxid. Termistorer finns i boll-, radiella och SMD -former. Termistorpärlor är epoxibelagda eller glas inkapslade för extra skydd. Epoxybelagda kultermistorer, radiella och yttermistorer är lämpliga för temperaturer upp till 150 ° C. Glaspärltermistorer är lämpliga för att mäta höga temperaturer. Alla typer av beläggningar/förpackningar skyddar också mot korrosion. Vissa termistorer kommer också att ha ytterligare hus för ökat skydd i hårda miljöer. Pärltermistorer har en snabbare responstid än radiella/SMD -termistorer. De är dock inte lika hållbara. Därför beror den typ av termistor som används på slutapplikationen och miljön där termistorn är belägen. Den långsiktiga stabiliteten hos en termistor beror på dess material, förpackning och design. Till exempel kan en epoxibelagd NTC-termistor ändra 0,2 ° C per år, medan en förseglad termistor endast ändrar 0,02 ° C per år.
Termistorer finns i olika noggrannhet. Standardtermistorer har vanligtvis en noggrannhet av 0,5 ° C till 1,5 ° C. Termistormotståndet och beta -värdet (förhållandet 25 ° C till 50 ° C/85 ° C) har en tolerans. Observera att betavärdet för termistorn varierar beroende på tillverkare. Till exempel kommer 10 kΩ NTC -termistorer från olika tillverkare att ha olika beta -värden. För mer exakta system kan termistorer som Omega ™ 44XXX -serien användas. De har en noggrannhet av 0,1 ° C eller 0,2 ° C över ett temperaturområde från 0 ° C till 70 ° C. Därför bestämmer temperaturområdet som kan mätas och noggrannheten som krävs över det temperaturområdet om termistorer är lämpliga för denna applikation. Observera att ju högre noggrannheten i Omega 44xxx -serien, desto högre kostnad.
För att konvertera motstånd mot grader Celsius används Beta -värdet vanligtvis. Betavärdet bestäms genom att känna till de två temperaturpunkterna och motsvarande motstånd vid varje temperaturpunkt.
RT1 = Temperaturmotstånd 1 RT2 = Temperaturmotstånd 2 T1 = Temperatur 1 (k) T2 = Temperatur 2 (k)
Användaren använder betavärdet närmast temperaturområdet som används i projektet. De flesta termistordatablad listar ett betavärde tillsammans med en resistensolerans vid 25 ° C och en tolerans för betavärde.
Högre precisionstermistorer och lösningar med hög precision såsom omega 44xxx-serien använder Steinhart-Hart-ekvationen för att konvertera resistens 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 införts genom linearisering (vanligtvis 0,02 ° C).
A, B och C är konstanter härledda från tre temperaturuppsättningar. R = termistormotstånd i ohm t = temperatur i K -grader
På fig. 3 visar den nuvarande excitationen av sensorn. Drivström appliceras på termistorn och samma ström appliceras på precisionsmotståndet; Ett precisionsmotstånd används som referens för mätning. Värdet på referensmotståndet måste vara större än eller lika med det högsta värdet på termistormotståndet (beroende på den lägsta temperaturen mätt i systemet).
När du väljer excitationsströmmen måste termistornas maximala motstånd åter beaktas. Detta säkerställer att spänningen över sensorn och referensmotståndet alltid är på en nivå som är acceptabel för elektroniken. Fältströmskällan kräver viss utrymme eller utgångsmatchning. Om termistorn har ett högt motstånd 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 emellertid programmeras dynamiskt eftersom signalnivån från termistorn varierar mycket med temperaturen.
Ett annat alternativ är att ställa in förstärkningen men använda dynamisk drivström. Därför, när signalnivån från termistorn förändras, förändras drivströmvärdet dynamiskt så att spänningen som utvecklats över termistorn ligger inom det angivna ingångsområdet för den elektroniska enheten. Användaren måste se till att spänningen som utvecklats över referensmotståndet också är på en nivå som är acceptabel för elektroniken. Båda alternativen kräver en hög kontrollnivå, konstant övervakning av spänningen över termistorn så att elektroniken kan mäta signalen. Finns det ett enklare alternativ? Tänk på spänningsexcitation.
När DC -spänningen appliceras på termistorn skalar strömmen genom termistorn automatiskt när termistorns motstånd förändras. Nu, med hjälp av ett precisionsmätningsmotstånd istället för ett referensmotstånd, är dess syfte att beräkna strömmen som strömmar genom termistorn, vilket gör att termistormotståndet kan beräknas. Eftersom drivspänningen också används som ADC -referenssignal krävs inget förstärkningssteg. Processorn har inte jobbet med att övervaka termistorspänningen, bestämma om signalnivån kan mätas med elektroniken och beräkna vilken drivförstärkning/nuvarande värde som måste justeras. Detta är metoden som används i den här artikeln.
Om termistorn har ett litet motståndsgradering och motståndsområde kan spänning eller strömexcitation användas. I detta fall kan drivströmmen och förstärkningen fixas. Således kommer kretsen att vara som visas i figur 3. Denna metod är bekväm genom att det är möjligt att styra strömmen genom sensorn och referensmotståndet, vilket är värdefullt i applikationer med låg effekt. Dessutom minimeras självuppvärmningen av termistorn.
Spänningsexcitation kan också användas för termistorer med låg motstånd. Användaren måste dock alltid se till att strömmen genom sensorn inte är för hög för sensorn eller applikationen.
Spänningsexcitation förenklar implementeringen när du använder en termistor med ett stort motståndsgradering och ett brett temperaturområde. Större nominell motstånd ger en acceptabel nivå av nominell ström. Formgivare måste emellertid se till att strömmen är på en acceptabel nivå över hela temperaturområdet som stöds av applikationen.
Sigma-Delta ADC: er erbjuder flera fördelar när man utformar ett termistmätningssystem. För det första, eftersom Sigma-Delta ADC omsamlar 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 eventuell störning 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 i hög grad termistordesignen samtidigt som man minskar specifikationen, systemkostnaden, kortutrymmet och tid att marknadsföra.
Den här artikeln använder AD7124-4/AD7124-8 som ADC eftersom de är lågt brus, låg ström, precision ADC med 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 varje förändring i excitationskällan inte kommer att påverka mätningens noggrannhet.
På fig. 5 visar konstantdrivströmmen för termistorn och precisionsmotståndet RREF, spänningen som utvecklats över RREF är referensspänningen för att mäta termistorn.
Fältströmmen behöver inte vara korrekt och kan vara mindre stabilt eftersom eventuella fel i fältströmmen elimineras i denna konfiguration. I allmänhet föredras strömexcitation framför spänningsexcitation på grund av överlägsen känslighetskontroll och bättre brusimmunitet när sensorn är belägen på avlägsna platser. Denna typ av förspänningsmetod används vanligtvis för RTD: er eller termistorer med låga resistensvärden. För en termistor med högre motståndsvärde och högre känslighet kommer emellertid signalnivån som genereras av varje temperaturförändring att bli större, så spänningsexcitation används. Till exempel har en 10 kΩ termistor ett motstånd på 10 kΩ vid 25 ° C. Vid -50 ° C är motståndet hos NTC -termistorn 441,117 kΩ. Den minsta drivströmmen på 50 µA tillhandahållen 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 applikationsområde. Termistorer är också vanligtvis anslutna eller belägna nära elektroniken, så immunitet att driva ström krävs inte.
Att lägga till ett förnuftmotstånd i serie som en spänningsdelare krets kommer att begränsa strömmen genom termistorn till dess minsta motståndsvärde. I denna konfiguration måste värdet på sensmotståndet rsense vara lika med värdet på termistormotståndet vid en referenstemperatur på 25 ° C, så att utgångsspänningen kommer att vara lika med referensspänningsens mittpunkt vid dess nominella temperatur på 25 ° CC På liknande sätt, om en 10 kΩ termistor med en motstånd på 10 kΩ vid 25 ° C används, bör RSense vara 10 kΩ. När temperaturen förändras förändras också motståndet för NTC -termistorn, och förhållandet mellan drivspänningen över termistorn förändras också, vilket resulterar i att utgångsspänningen är proportionell mot motståndet hos NTC -termistorn.
Om den valda spänningsreferensen som används för att driva termistorn och/eller rsense matchar ADC-referensspänningen som används för mätning, är systemet inställt på ratiometrisk mätning (figur 7) så att eventuell excitationsrelaterad felspänningskälla kommer att vara partisk för att ta bort.
Observera att antingen förnuftmotståndet (spänningsdrivet) eller referensmotståndet (strömdriven) bör ha en låg initial tolerans och låg drift, eftersom båda variablerna kan påverka noggrannheten för hela systemet.
När du använder flera termistorer kan en excitationsspänning användas. Emellertid måste varje termistor ha sitt eget precisionsmotstånd, såsom visas i fig. 8. Ett annat alternativ är att använda en extern multiplexer eller lågresistensomkopplare i ON-tillståndet, vilket möjliggör att dela ett precisionsmotstånd. Med denna konfiguration behöver varje termistor lite avvecklingstid när den mäts.
Sammanfattningsvis, när man utformar ett termistorbaserat temperaturmätningssystem, finns det många frågor att tänka på: sensorval, sensorledningar, komponentvalavvägningar, ADC-konfiguration och hur dessa olika variabler påverkar systemets totala noggrannhet. Nästa artikel i den här serien förklarar hur du optimerar din systemdesign och övergripande systemfelbudget för att uppnå din målprestanda.
Posttid: 30-2022 september