Ini adalah artikel pertama dalam siri dua bahagian. Artikel ini akan membincangkan sejarah dan reka bentuk cabaran darisuhu berasaskan termistorSistem pengukuran, serta perbandingan mereka dengan sistem pengukuran suhu termometer rintangan (RTD). Ia juga akan menggambarkan pilihan termistor, konfigurasi perdagangan, dan kepentingan penukar analog-ke-digital Sigma-delta (ADCs) di kawasan aplikasi ini. Artikel kedua akan terperinci bagaimana untuk mengoptimumkan dan menilai sistem pengukuran berasaskan termistor akhir.
Seperti yang diterangkan dalam siri artikel sebelumnya, mengoptimumkan sistem sensor suhu RTD, RTD adalah perintang yang rintangannya berbeza dengan suhu. Thermistors bekerja sama dengan RTD. Tidak seperti RTD, yang hanya mempunyai pekali suhu positif, termistor boleh mempunyai pekali suhu positif atau negatif. Termistor pekali suhu negatif (NTC) mengurangkan rintangan mereka apabila suhu meningkat, manakala termistor pekali suhu positif (PTC) meningkatkan rintangan mereka apabila suhu meningkat. Pada rajah. 1 menunjukkan ciri -ciri tindak balas tipikal NTC dan PTC tipikal dan membandingkannya dengan lengkung RTD.
Dari segi julat suhu, lengkung RTD hampir linear, dan sensor meliputi julat suhu yang lebih luas daripada thermistors (biasanya -200 ° C hingga +850 ° C) disebabkan oleh sifat termistor bukan linear (eksponen). RTD biasanya disediakan dalam lengkung standard yang terkenal, manakala lengkung termistor berbeza-beza oleh pengilang. Kami akan membincangkannya secara terperinci dalam bahagian Panduan Pemilihan Thermistor dalam artikel ini.
Thermistors diperbuat daripada bahan komposit, biasanya seramik, polimer, atau semikonduktor (biasanya oksida logam) dan logam tulen (platinum, nikel, atau tembaga). Thermistors dapat mengesan perubahan suhu lebih cepat daripada RTD, memberikan maklum balas yang lebih cepat. Oleh itu, termistor biasanya digunakan oleh sensor dalam aplikasi yang memerlukan kos rendah, saiz kecil, tindak balas yang lebih cepat, kepekaan yang lebih tinggi, dan julat suhu yang terhad, seperti kawalan elektronik, kawalan rumah dan bangunan, makmal saintifik, atau pampasan persimpangan sejuk untuk termokopel dalam aplikasi komersial atau perindustrian. tujuan. Aplikasi.
Dalam kebanyakan kes, termistor NTC digunakan untuk pengukuran suhu yang tepat, bukan termistor PTC. Sesetengah termistor PTC boleh didapati yang boleh digunakan dalam litar perlindungan overcurrent atau sebagai fius yang boleh disambung semula untuk aplikasi keselamatan. Kurva suhu rintangan dari termistor PTC menunjukkan rantau NTC yang sangat kecil sebelum mencapai titik suis (atau titik Curie), di atasnya rintangan meningkat dengan ketara oleh beberapa pesanan magnitud dalam julat beberapa darjah Celsius. Di bawah keadaan overcurrent, termistor PTC akan menjana pemanasan diri yang kuat apabila suhu beralih melebihi, dan rintangannya akan meningkat dengan ketara, yang akan mengurangkan arus input ke sistem, dengan itu menghalang kerosakan. Titik penukaran termistor PTC biasanya antara 60 ° C dan 120 ° C dan tidak sesuai untuk mengawal pengukuran suhu dalam pelbagai aplikasi. Artikel ini memberi tumpuan kepada termistor NTC, yang biasanya boleh mengukur atau memantau suhu dari -80 ° C hingga +150 ° C. Thermistors NTC mempunyai penarafan rintangan dari beberapa ohm hingga 10 MΩ pada 25 ° C. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1, perubahan rintangan per darjah Celsius untuk termistor lebih ketara daripada termometer rintangan. Berbanding dengan termistor, sensitiviti tinggi termistor dan nilai rintangan yang tinggi memudahkan litar inputnya, kerana termistor tidak memerlukan sebarang konfigurasi pendawaian khas, seperti 3-wayar atau 4-wayar, untuk mengimbangi rintangan plumbum. Reka bentuk termistor hanya menggunakan konfigurasi 2-wayar mudah.
Pengukuran suhu berasaskan termistor yang tinggi memerlukan pemprosesan isyarat yang tepat, penukaran analog-ke-digital, linearization, dan pampasan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.
Walaupun rantaian isyarat mungkin kelihatan mudah, terdapat beberapa kerumitan yang mempengaruhi saiz, kos, dan prestasi keseluruhan motherboard. Portfolio ADC Precision ADI termasuk beberapa penyelesaian bersepadu, seperti AD7124-4/AD7124-8, yang menyediakan beberapa kelebihan untuk reka bentuk sistem terma kerana kebanyakan blok bangunan yang diperlukan untuk aplikasi terbina dalam. Walau bagaimanapun, terdapat pelbagai cabaran dalam merancang dan mengoptimumkan penyelesaian pengukuran suhu berasaskan termistor.
Artikel ini membincangkan setiap isu ini dan menyediakan cadangan untuk menyelesaikannya dan memudahkan proses reka bentuk untuk sistem tersebut.
Terdapat pelbagai jenisThermistors NTCDi pasaran hari ini, jadi memilih termistor yang tepat untuk permohonan anda boleh menjadi tugas yang menakutkan. Perhatikan bahawa termistor disenaraikan oleh nilai nominal mereka, yang merupakan rintangan nominal mereka pada 25 ° C. Oleh itu, thermistor 10 kΩ mempunyai rintangan nominal 10 kΩ pada 25 ° C. Thermistors mempunyai nilai rintangan nominal atau asas dari beberapa ohm hingga 10 MΩ. Thermistors dengan penilaian rintangan yang rendah (rintangan nominal 10 kΩ atau kurang) biasanya menyokong julat suhu yang lebih rendah, seperti -50 ° C hingga +70 ° C. Thermistors dengan penilaian rintangan yang lebih tinggi dapat menahan suhu sehingga 300 ° C.
Unsur termistor diperbuat daripada oksida logam. Thermistors boleh didapati dalam bentuk bola, radial dan SMD. Manik termistor adalah bersalut epoksi atau kaca yang terkandung untuk perlindungan tambahan. Thermistor bola bersalut epoksi, termistor radial dan permukaan sesuai untuk suhu sehingga 150 ° C. Thermistors manik kaca sesuai untuk mengukur suhu tinggi. Semua jenis salutan/pembungkusan juga melindungi daripada kakisan. Sesetengah termistor juga akan mempunyai perumahan tambahan untuk perlindungan tambahan dalam persekitaran yang keras. Thermistors manik mempunyai masa tindak balas yang lebih cepat daripada termistor radial/SMD. Walau bagaimanapun, mereka tidak tahan lama. Oleh itu, jenis termistor yang digunakan bergantung kepada aplikasi akhir dan persekitaran di mana termistor terletak. Kestabilan jangka panjang termistor bergantung kepada bahan, pembungkusan, dan reka bentuknya. Sebagai contoh, termistor NTC bersalut epoksi boleh berubah 0.2 ° C setahun, manakala termistor tertutup hanya berubah 0.02 ° C setahun.
Thermistors datang dalam ketepatan yang berbeza. Thermistors standard biasanya mempunyai ketepatan 0.5 ° C hingga 1.5 ° C. Penarafan rintangan termistor dan nilai beta (nisbah 25 ° C hingga 50 ° C/85 ° C) mempunyai toleransi. Perhatikan bahawa nilai beta termistor berbeza dengan pengilang. Sebagai contoh, termistor 10 kΩ NTC dari pengeluar yang berbeza akan mempunyai nilai beta yang berbeza. Untuk sistem yang lebih tepat, termistor seperti siri Omega ™ 44xxx boleh digunakan. Mereka mempunyai ketepatan 0.1 ° C atau 0.2 ° C ke atas julat suhu 0 ° C hingga 70 ° C. Oleh itu, julat suhu yang boleh diukur dan ketepatan yang diperlukan ke atas julat suhu menentukan sama ada termistor sesuai untuk aplikasi ini. Sila ambil perhatian bahawa semakin tinggi ketepatan siri Omega 44xxx, semakin tinggi kosnya.
Untuk menukar rintangan ke darjah Celsius, nilai beta biasanya digunakan. Nilai beta ditentukan dengan mengetahui dua titik suhu dan rintangan yang sepadan pada setiap titik suhu.
Rt1 = rintangan suhu 1 rt2 = rintangan suhu 2 t1 = suhu 1 (k) t2 = suhu 2 (k)
Pengguna menggunakan nilai beta yang paling dekat dengan julat suhu yang digunakan dalam projek. Kebanyakan datasheet termistor menyenaraikan nilai beta bersama -sama dengan toleransi rintangan pada 25 ° C dan toleransi untuk nilai beta.
Thermistors ketepatan yang lebih tinggi dan penyelesaian penamatan ketepatan yang tinggi seperti siri Omega 44xxx menggunakan persamaan Steinhart-Hart untuk menukar rintangan kepada darjah Celsius. Persamaan 2 memerlukan tiga pemalar A, B, dan C, sekali lagi disediakan oleh pengilang sensor. Kerana pekali persamaan dijana menggunakan tiga titik suhu, persamaan yang dihasilkan meminimumkan ralat yang diperkenalkan oleh linearization (biasanya 0.02 ° C).
A, B dan C adalah pemalar yang diperoleh daripada tiga titik set suhu. R = rintangan termistor dalam ohm t = suhu dalam darjah k
Pada rajah. 3 menunjukkan pengujaan semasa sensor. Arus pemacu digunakan untuk termistor dan arus yang sama digunakan untuk perintang ketepatan; Perintang ketepatan digunakan sebagai rujukan untuk pengukuran. Nilai perintang rujukan mestilah lebih besar daripada atau sama dengan nilai tertinggi rintangan termistor (bergantung kepada suhu terendah yang diukur dalam sistem).
Apabila memilih arus pengujaan, rintangan maksimum termistor mesti diambil kira. Ini memastikan bahawa voltan merentasi sensor dan perintang rujukan sentiasa berada pada tahap yang boleh diterima oleh elektronik. Sumber semasa medan memerlukan beberapa ruang kepala atau pemadanan output. Jika termistor mempunyai rintangan yang tinggi pada suhu terukur yang paling rendah, ini akan menghasilkan arus pemacu yang sangat rendah. Oleh itu, voltan yang dihasilkan di seluruh termistor pada suhu tinggi adalah kecil. Tahap keuntungan yang boleh diprogramkan boleh digunakan untuk mengoptimumkan pengukuran isyarat tahap rendah ini. Walau bagaimanapun, keuntungan mesti diprogramkan secara dinamik kerana tahap isyarat dari termistor sangat berbeza dengan suhu.
Pilihan lain adalah untuk menetapkan keuntungan tetapi menggunakan arus pemacu dinamik. Oleh itu, apabila tahap isyarat dari perubahan termistor, nilai semasa pemacu berubah secara dinamik supaya voltan yang dibangunkan di seluruh termistor berada dalam julat input yang ditentukan peranti elektronik. Pengguna mesti memastikan bahawa voltan yang dibangunkan di seluruh perintang rujukan juga pada tahap yang boleh diterima oleh elektronik. Kedua -dua pilihan memerlukan tahap kawalan yang tinggi, pemantauan berterusan voltan merentasi termistor supaya elektronik dapat mengukur isyarat. Adakah terdapat pilihan yang lebih mudah? Pertimbangkan pengujaan voltan.
Apabila voltan DC digunakan untuk termistor, arus melalui termistor secara automatik skala apabila perubahan rintangan termistor. Sekarang, dengan menggunakan perintang pengukur ketepatan dan bukannya perintang rujukan, tujuannya adalah untuk mengira arus yang mengalir melalui termistor, dengan itu membolehkan ketahanan termistor dikira. Oleh kerana voltan pemacu juga digunakan sebagai isyarat rujukan ADC, tiada peringkat keuntungan diperlukan. Pemproses tidak mempunyai tugas memantau voltan termistor, menentukan jika tahap isyarat dapat diukur oleh elektronik, dan mengira apa keuntungan pemacu/nilai semasa perlu diselaraskan. Inilah kaedah yang digunakan dalam artikel ini.
Jika termistor mempunyai rating rintangan kecil dan julat rintangan, voltan atau pengujaan semasa boleh digunakan. Dalam kes ini, arus pemacu dan keuntungan boleh diperbaiki. Oleh itu, litar akan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Kaedah ini mudah kerana ia mungkin untuk mengawal arus melalui sensor dan perintang rujukan, yang bernilai dalam aplikasi kuasa yang rendah. Di samping itu, pemanasan sendiri termistor diminimumkan.
Pengujaan voltan juga boleh digunakan untuk termistor dengan penilaian rintangan yang rendah. Walau bagaimanapun, pengguna mesti sentiasa memastikan bahawa semasa melalui sensor tidak terlalu tinggi untuk sensor atau aplikasi.
Pengujaan voltan memudahkan pelaksanaan apabila menggunakan termistor dengan penarafan rintangan yang besar dan julat suhu yang luas. Rintangan nominal yang lebih besar menyediakan tahap arus yang boleh diterima. Walau bagaimanapun, pereka perlu memastikan bahawa arus berada pada tahap yang boleh diterima sepanjang julat suhu keseluruhan yang disokong oleh aplikasi.
ADC Sigma-Delta menawarkan beberapa kelebihan apabila mereka bentuk sistem pengukuran termistor. Pertama, kerana Sigma-Delta ADC menyambung semula input analog, penapisan luaran disimpan minimum dan satu-satunya keperluan adalah penapis RC yang mudah. Mereka menyediakan fleksibiliti dalam jenis penapis dan output kadar baud. Penapisan digital terbina dalam boleh digunakan untuk menindas sebarang gangguan dalam peranti kuasa utama. Peranti 24-bit seperti AD7124-4/AD7124-8 mempunyai resolusi penuh sehingga 21.7 bit, jadi mereka menyediakan resolusi tinggi.
Penggunaan ADC Sigma-Delta sangat memudahkan reka bentuk termistor sambil mengurangkan spesifikasi, kos sistem, ruang papan, dan masa untuk memasarkan.
Artikel ini menggunakan AD7124-4/AD7124-8 sebagai ADC kerana ia adalah bunyi yang rendah, arus rendah, ADC ketepatan dengan PGA terbina dalam, rujukan terbina dalam, input analog, dan penampan rujukan.
Tidak kira sama ada anda menggunakan voltan pemacu semasa atau pemacu, konfigurasi ratiometrik disyorkan di mana voltan rujukan dan voltan sensor berasal dari sumber pemacu yang sama. Ini bermakna apa -apa perubahan dalam sumber pengujaan tidak akan menjejaskan ketepatan pengukuran.
Pada rajah. 5 menunjukkan arus pemacu malar untuk termistor dan perintang ketepatan RREF, voltan yang dibangunkan di seluruh RREF adalah voltan rujukan untuk mengukur termistor.
Arus medan tidak perlu tepat dan mungkin kurang stabil kerana sebarang kesilapan dalam arus medan akan dihapuskan dalam konfigurasi ini. Umumnya, pengujaan semasa lebih disukai daripada pengujaan voltan kerana kawalan sensitiviti yang unggul dan imuniti bunyi yang lebih baik apabila sensor terletak di lokasi terpencil. Kaedah bias jenis ini biasanya digunakan untuk RTD atau termistor dengan nilai rintangan yang rendah. Walau bagaimanapun, untuk termistor dengan nilai rintangan yang lebih tinggi dan kepekaan yang lebih tinggi, tahap isyarat yang dihasilkan oleh setiap perubahan suhu akan lebih besar, jadi pengujaan voltan digunakan. Sebagai contoh, thermistor 10 kΩ mempunyai rintangan 10 kΩ pada 25 ° C. Pada -50 ° C, rintangan termistor NTC ialah 441.117 kΩ. Arus pemacu minimum 50 μA yang disediakan oleh AD7124-4/AD7124-8 menghasilkan 441.117 kΩ × 50 μA = 22 V, yang terlalu tinggi dan di luar pelbagai operasi ADC yang paling banyak digunakan di kawasan aplikasi ini. Thermistors juga biasanya dihubungkan atau terletak berhampiran elektronik, jadi imuniti untuk memandu arus tidak diperlukan.
Menambah perintang rasa dalam siri sebagai litar pembahagi voltan akan mengehadkan arus melalui termistor ke nilai rintangan minimumnya. Dalam konfigurasi ini, nilai rsense perintang rasa mestilah sama dengan nilai rintangan termistor pada suhu rujukan 25 ° C, supaya voltan output akan sama dengan titik tengah voltan rujukan pada suhu nominalnya 25 ° cc sama, jika 10 kΩ dengan rintangan 10 kΩ. Apabila suhu berubah, rintangan termistor NTC juga berubah, dan nisbah voltan pemacu merentasi termistor juga berubah, mengakibatkan voltan output berkadar dengan rintangan termistor NTC.
Sekiranya rujukan voltan yang dipilih digunakan untuk menggerakkan termistor dan/atau rsense yang sepadan dengan voltan rujukan ADC yang digunakan untuk pengukuran, sistem ditetapkan kepada pengukuran ratiometrik (Rajah 7) supaya sebarang sumber voltan ralat yang berkaitan dengan pengujaan akan menjadi berat sebelah untuk dikeluarkan.
Perhatikan bahawa sama ada perintang rasa (voltan didorong) atau perintang rujukan (semasa didorong) harus mempunyai toleransi awal yang rendah dan drift yang rendah, kerana kedua -dua pembolehubah boleh menjejaskan ketepatan keseluruhan sistem.
Apabila menggunakan pelbagai termistor, satu voltan pengujaan boleh digunakan. Walau bagaimanapun, setiap termistor mesti mempunyai perintang rasa ketepatannya sendiri, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 8. Pilihan lain ialah menggunakan suis multiplexer luaran atau suis rintangan rendah dalam keadaan ON, yang membolehkan perkongsian satu perintang rasa ketepatan. Dengan konfigurasi ini, setiap termistor memerlukan beberapa masa menetap apabila diukur.
Ringkasnya, apabila mereka bentuk sistem pengukuran suhu berasaskan termistor, terdapat banyak soalan yang perlu dipertimbangkan: pemilihan sensor, pendawaian sensor, pemilihan komponen pemilihan, konfigurasi ADC, dan bagaimana pelbagai pembolehubah ini mempengaruhi ketepatan keseluruhan sistem. Artikel seterusnya dalam siri ini menerangkan bagaimana untuk mengoptimumkan reka bentuk sistem anda dan anggaran kesilapan sistem keseluruhan untuk mencapai prestasi sasaran anda.
Masa Post: Sep-30-2022