Detta är den första artikeln i en serie i två delar.Den här artikeln kommer först att diskutera historien och designutmaningarnatermistorbaserad temperaturmätsystem, såväl som deras jämförelse med motståndstermometer (RTD) temperaturmätningssystem.Den kommer också att beskriva valet av termistor, konfigurationsavvägningar och vikten av sigma-delta analog-till-digital-omvandlare (ADC) i detta applikationsområde.Den andra artikeln kommer att beskriva hur man optimerar och utvärderar det slutliga termistorbaserade mätsystemet.
Som beskrivits i föregående artikelserie, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, är en RTD ett motstånd vars resistans varierar med temperaturen.Termistorer fungerar på samma sätt som RTD.Till skillnad från RTD, som bara har en positiv temperaturkoefficient, kan en termistor ha en positiv eller negativ temperaturkoefficient.Termistorer med negativ temperaturkoefficient (NTC) minskar sitt motstånd när temperaturen stiger, medan termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC) ökar sitt motstånd när temperaturen stiger.På fig.1 visar svarsegenskaperna för typiska NTC- och PTC-termistorer och jämför dem med RTD-kurvor.
När det gäller temperaturintervall 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 val av termistor i den här artikeln.
Termistorer är gjorda av kompositmaterial, vanligtvis keramik, polymerer eller halvledare (vanligtvis metalloxider) och rena metaller (platina, nickel eller koppar).Termistorer kan upptäcka temperaturförändringar snabbare än RTD, vilket ger snabbare återkoppling.Därför används termistorer ofta av sensorer i applikationer som kräver låg kostnad, liten storlek, snabbare respons, högre känslighet och begränsat temperaturområde, såsom elektronikkontroll, hem- och byggnadskontroll, vetenskapliga laboratorier eller kallövergångskompensation för termoelement i kommersiellt bruk eller industriella tillämpningar.syften.Ansökningar.
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 återställbara säkringar för säkerhetsapplikationer.Resistans-temperaturkurvan för en PTC-termistor visar ett mycket litet NTC-område innan man når växlingspunkten (eller Curie-punkten), över vilken resistansen stiger kraftigt med flera storleksordningar i intervallet flera grader Celsius.Under överströmsförhållanden kommer PTC-termistorn att generera stark självuppvärmning när omkopplingstemperaturen överskrids, och dess motstånd kommer att öka kraftigt, vilket kommer att minska ingångsströmmen till systemet och därigenom förhindra skador.Omkopplingspunkten för PTC-termistorer är typiskt mellan 60°C och 120°C och är inte lämplig för kontroll av temperaturmätningar inom ett stort antal applikationer.Den här artikeln 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.Såsom visas i fig.1 är förändringen i motstånd per grad Celsius för termistorer mer uttalad än för motståndstermometrar.Jämfört med termistorer förenklar termistorns höga känslighet och höga resistansvärde dess ingångskretsar, eftersom termistorer inte kräver någon speciell ledningskonfiguration, såsom 3-trådar eller 4-trådar, för att kompensera för ledningsresistans.Termistordesignen använder endast en enkel 2-trådskonfiguration.
Termistorbaserad temperaturmätning med hög precision kräver exakt signalbehandling, analog-till-digital-omvandling, linjärisering och kompensation, som visas i fig.2.
Även om signalkedjan kan verka enkel, finns det flera komplexiteter som påverkar storleken, kostnaden och prestanda för hela moderkortet.ADI:s precisions-ADC-portfölj inkluderar flera integrerade lösningar, såsom AD7124-4/AD7124-8, som ger ett antal fördelar för termisk systemdesign eftersom de flesta av de byggstenar som behövs för en applikation är inbyggda.Det finns dock olika utmaningar i att designa och optimera termistorbaserade temperaturmätningslösningar.
Den här artikeln diskuterar var och en 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 deras nominella värde, vilket är deras nominella motstånd 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 få ohm till 10 MΩ.Termistorer med låga resistansvärden (nominellt motstånd på 10 kΩ eller mindre) stöder vanligtvis lägre temperaturområden, såsom -50°C till +70°C.Termistorer med högre resistansklasser tål temperaturer upp till 300°C.
Termistorelementet är tillverkat av metalloxid.Termistorer finns i kul-, radiell- och SMD-form.Termistorpärlor är epoxibelagda eller glasinkapslade för extra skydd.Epoxibelagda kultermistorer, radiella och yttermistorer är lämpliga för temperaturer upp till 150°C.Termistorer av glaspärlor är lämpliga för att mäta höga temperaturer.Alla typer av beläggningar/förpackningar skyddar även mot korrosion.Vissa termistorer kommer också att ha ytterligare höljen för extra skydd i tuffa miljöer.Kultermistorer har en snabbare svarstid än radiella/SMD-termistorer.De är dock inte lika hållbara.Därför beror typen av termistor som används på slutapplikationen och miljön i vilken termistorn är placerad.Den långsiktiga stabiliteten hos en termistor beror på dess material, förpackning och design.Till exempel kan en epoxibelagd NTC-termistor förändras 0,2°C per år, medan en förseglad termistor bara ändrar 0,02°C per år.
Termistorer kommer med olika noggrannhet.Standardtermistorer har vanligtvis en noggrannhet på 0,5°C till 1,5°C.Termistorresistansklassificeringen och betavärdet (förhållandet 25°C till 50°C/85°C) har en tolerans.Observera att termistorns betavärde varierar beroende på tillverkare.Till exempel kommer 10 kΩ NTC-termistorer från olika tillverkare att ha 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 på 0°C till 70°C.Därför avgör temperaturintervallet som kan mätas och den noggrannhet som krävs över det temperaturintervallet om termistorer är lämpliga för denna applikation.Observera att ju högre noggrannhet Omega 44xxx-serien är, desto högre kostnad.
För att omvandla resistans till grader Celsius används vanligtvis betavärdet.Betavärdet bestäms genom att känna till de två temperaturpunkterna och motsvarande motstånd vid varje temperaturpunkt.
RT1 = Temperaturresistans 1 RT2 = Temperaturresistans 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
Användaren använder det betavärde som ligger närmast det temperaturintervall som används i projektet.De flesta termistordatablad listar ett betavärde tillsammans med en resistanstolerans vid 25°C och en tolerans för betavärdet.
Termistorer med högre precision och termineringslösningar med hög precision som 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
På fig.3 visar sensorns aktuella excitation.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 termistorresistansen (beroende på den lägsta uppmätta temperaturen i systemet).
Vid val av magnetiseringsström måste termistorns maximala resistans återigen beaktas.Detta säkerställer att spänningen över sensorn och referensmotståndet alltid är på en nivå som är acceptabel för elektroniken.Fältströmkällan kräver viss höjd 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 dock 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 ändras, ändras drivströmvärdet dynamiskt så att spänningen som utvecklas över termistorn ligger inom det specificerade ingångsområdet för den elektroniska anordningen.Användaren måste säkerställa att spänningen som utvecklas över referensmotståndet också är på en nivå som är acceptabel för elektroniken.Båda alternativen kräver en hög nivå av kontroll, konstant övervakning av spänningen över termistorn så att elektroniken kan mäta signalen.Finns det ett enklare alternativ?Tänk på spänningsexcitering.
När likspänning tillförs termistorn, skalas strömmen genom termistorn automatiskt när termistorns resistans ändras.Nu, med hjälp av ett precisionsmätmotstånd 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 till uppgift att övervaka termistorspänningen, avgöra om signalnivån kan mätas av elektroniken och beräkna vilken drivkraftsförstärkning/strömvärde som behöver justeras.Detta är metoden som används i den här artikeln.
Om termistorn har ett litet resistansvärde och ett litet resistansområde, kan spännings- eller strömexcitering användas.I detta fall kan drivströmmen och förstärkningen fixeras.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 lågeffekttillämpningar.Dessutom minimeras självuppvärmningen av termistorn.
Spänningsexcitering kan också användas för termistorer med låga resistansvärden.Användaren måste dock alltid se till att strömmen genom sensorn inte är för hög för sensorn eller applikationen.
Spänningsexcitering förenklar implementeringen vid användning av en termistor med ett stort motståndsvärde och ett brett temperaturområde.Större nominellt motstånd ger en acceptabel nivå av märkström.Konstruktörer måste dock se till att strömmen är på en acceptabel nivå över hela temperaturområdet som stöds av applikationen.
Sigma-Delta ADC erbjuder flera fördelar när man designar ett termistormätsystem.För det första, eftersom sigma-delta ADC 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 utgående baudhastighet.Inbyggd digital filtrering kan användas för att undertrycka alla störningar i nätanslutna enheter.24-bitars enheter 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 specifikation, systemkostnad, kortutrymme och tid till marknad reduceras.
Den här artikeln använder AD7124-4/AD7124-8 som ADC eftersom de är ADC:er med låg brus, låg ström och precision 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 den konstanta drivströmmen för termistorn och precisionsmotståndet RREF, spänningen som utvecklas över RREF är referensspänningen för mätning av termistorn.
Fältströmmen behöver inte vara exakt och kan vara mindre stabil eftersom eventuella fel i fältströmmen kommer att elimineras i denna konfiguration.Generellt föredras strömexcitering framför spänningsexcitering på grund av överlägsen känslighetskontroll och bättre brusimmunitet när sensorn är placerad på avlägsna platser.Denna typ av förspänningsmetod används vanligtvis för RTD:er eller termistorer med låga resistansvärden.Men för en termistor med ett högre resistansvärde och högre känslighet kommer signalnivån som genereras av varje temperaturändring att vara större, så spänningsexcitering används.Till exempel har en 10 kΩ termistor en resistans på 10 kΩ vid 25°C.Vid -50°C är resistansen för 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 driftområdet för de flesta tillgängliga ADC:er som används i detta applikationsområde.Termistorer är också vanligtvis anslutna eller placerade nära elektroniken, så immunitet mot drivström krävs inte.
Att lägga till ett avkänningsmotstånd i serie som en spänningsdelarkrets kommer att begränsa strömmen genom termistorn till dess minsta resistansvärde.I denna konfiguration måste värdet på avkänningsmotståndet RSENSE vara lika med värdet på termistorresistansen vid en referenstemperatur på 25°C, så att utspänningen blir lika med referensspänningens mittpunkt vid dess nominella temperatur på 25°CC På liknande sätt, om en 10 kΩ termistor med en resistans på 10 kΩ vid 25°C används, bör RSENSE vara 10 kΩ.När temperaturen ändras ändras också 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 mätning, ställs systemet in på kvotmätning (Figur 7) så att eventuell excitationsrelaterad felspänningskälla kommer att vara förspänd att ta bort.
Observera att antingen avkänningsmotståndet (spänningsdrivet) eller referensmotståndet (strömdrivet) bör ha en låg initialtolerans och låg drift, eftersom båda variablerna kan påverka noggrannheten i hela systemet.
Vid användning av flera termistorer kan en magnetiseringsspänning användas.Varje termistor måste dock ha sitt eget precisionsavkänningsmotstånd, såsom visas i fig.8. Ett annat alternativ är att använda en extern multiplexer eller lågresistansbrytare i påslaget läge, vilket gör det möjligt att dela ett precisionsavkänningsmotstånd.Med denna konfiguration behöver varje termistor viss inställningstid vid mätning.
Sammanfattningsvis, när man designar ett termistorbaserat temperaturmätningssystem, finns det många frågor att ta hänsyn till: sensorval, sensorledningar, komponentvalsavvägningar, ADC-konfiguration och hur dessa olika variabler påverkar systemets övergripande noggrannhet.Nästa artikel i den här serien förklarar hur du optimerar din systemdesign och din totala systemfelbudget för att uppnå din målprestanda.
Posttid: 2022-09-30