Ini adalah artikel pertama dalam siri dua bahagian. Artikel ini mula-mula akan membincangkan sejarah dan cabaran reka bentuksuhu berasaskan termistorsistem pengukuran, serta perbandingannya dengan sistem pengukuran suhu termometer rintangan (RTD). Ia juga akan menerangkan pilihan termistor, pertukaran konfigurasi, dan kepentingan penukar analog-ke-digital (ADC) sigma-delta dalam kawasan aplikasi ini. Artikel kedua akan memperincikan cara mengoptimumkan dan menilai sistem pengukuran berasaskan termistor akhir.
Seperti yang diterangkan dalam siri artikel sebelumnya, Mengoptimumkan Sistem Penderia Suhu RTD, RTD ialah perintang yang rintangannya berbeza-beza mengikut suhu. Thermistor berfungsi 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 rintangannya apabila suhu meningkat, manakala termistor pekali suhu positif (PTC) meningkatkan rintangannya apabila suhu meningkat. Pada rajah. 1 menunjukkan ciri tindak balas termistor NTC dan PTC biasa dan membandingkannya dengan lengkung RTD.
Dari segi julat suhu, lengkung RTD adalah hampir linear, dan sensor meliputi julat suhu yang lebih luas daripada termistor (biasanya -200°C hingga +850°C) disebabkan sifat termistor bukan linear (eksponen). RTD biasanya disediakan dalam lengkung piawai yang terkenal, manakala lengkung termistor berbeza mengikut pengeluar. Kami akan membincangkan perkara ini secara terperinci dalam bahagian panduan pemilihan termistor artikel ini.
Termistor diperbuat daripada bahan komposit, biasanya seramik, polimer, atau semikonduktor (biasanya oksida logam) dan logam tulen (platinum, nikel, atau kuprum). Thermistor boleh mengesan perubahan suhu lebih cepat daripada RTD, memberikan maklum balas yang lebih pantas. Oleh itu, termistor biasanya digunakan oleh penderia dalam aplikasi yang memerlukan kos rendah, saiz kecil, tindak balas yang lebih cepat, kepekaan yang lebih tinggi, dan julat suhu terhad, seperti kawalan elektronik, kawalan rumah dan bangunan, makmal saintifik, atau pampasan simpang sejuk untuk termokopel dalam komersial. atau aplikasi perindustrian. tujuan. Aplikasi.
Dalam kebanyakan kes, termistor NTC digunakan untuk pengukuran suhu yang tepat, bukan termistor PTC. Sesetengah termistor PTC tersedia yang boleh digunakan dalam litar perlindungan arus lebih atau sebagai fius boleh reset untuk aplikasi keselamatan. Lengkung rintangan-suhu termistor PTC menunjukkan kawasan NTC yang sangat kecil sebelum mencapai titik suis (atau titik Curie), di atasnya rintangan meningkat secara mendadak dengan beberapa susunan magnitud dalam julat beberapa darjah Celsius. Di bawah keadaan arus lebih, termistor PTC akan menjana pemanasan sendiri yang kuat apabila suhu pensuisan melebihi, dan rintangannya akan meningkat secara mendadak, yang akan mengurangkan arus masukan ke sistem, dengan itu menghalang kerosakan. Titik pensuisan termistor PTC biasanya antara 60°C dan 120°C dan tidak sesuai untuk mengawal pengukuran suhu dalam pelbagai aplikasi. Artikel ini memfokuskan pada termistor NTC, yang biasanya boleh mengukur atau memantau suhu antara -80°C hingga +150°C. Termistor NTC mempunyai penarafan rintangan antara beberapa ohm hingga 10 MΩ pada 25°C. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah. 1, perubahan rintangan per darjah Celsius untuk termistor adalah 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 yang mudah.
Pengukuran suhu berasaskan termistor berketepatan tinggi memerlukan pemprosesan isyarat yang tepat, penukaran analog-ke-digital, linearisasi dan pampasan, seperti yang ditunjukkan dalam rajah. 2.
Walaupun rantaian isyarat kelihatan mudah, terdapat beberapa kerumitan yang mempengaruhi saiz, kos dan prestasi keseluruhan papan induk. Portfolio ADC ketepatan ADI termasuk beberapa penyelesaian bersepadu, seperti AD7124-4/AD7124-8, yang memberikan beberapa kelebihan untuk reka bentuk sistem terma kerana kebanyakan blok binaan yang diperlukan untuk aplikasi adalah terbina dalam. Walau bagaimanapun, terdapat pelbagai cabaran dalam mereka bentuk dan mengoptimumkan penyelesaian pengukuran suhu berasaskan termistor.
Artikel ini membincangkan setiap isu ini dan menyediakan cadangan untuk menyelesaikannya dan memudahkan lagi proses reka bentuk untuk sistem tersebut.
Terdapat pelbagai jenisTermistor NTCdi pasaran hari ini, jadi memilih termistor yang sesuai untuk aplikasi anda boleh menjadi tugas yang sukar. Ambil perhatian bahawa termistor disenaraikan mengikut nilai nominalnya, iaitu rintangan nominalnya pada 25°C. Oleh itu, termistor 10 kΩ mempunyai rintangan nominal 10 kΩ pada 25°C. Thermistor mempunyai nilai rintangan nominal atau asas antara beberapa ohm hingga 10 MΩ. Termistor dengan penilaian rintangan rendah (rintangan nominal 10 kΩ atau kurang) biasanya menyokong julat suhu yang lebih rendah, seperti -50°C hingga +70°C. Termistor dengan penarafan rintangan yang lebih tinggi boleh menahan suhu sehingga 300°C.
Unsur termistor diperbuat daripada oksida logam. Thermistor boleh didapati dalam bentuk bola, jejari dan SMD. Manik termistor bersalut epoksi atau berkapsul kaca untuk perlindungan tambahan. Termistor bebola bersalut epoksi, termistor jejari dan permukaan sesuai untuk suhu sehingga 150°C. Termistor manik kaca sesuai untuk mengukur suhu tinggi. Semua jenis salutan/pembungkusan juga melindungi daripada kakisan. Sesetengah termistor juga akan mempunyai perumah tambahan untuk perlindungan tambahan dalam persekitaran yang keras. Termistor manik mempunyai masa tindak balas yang lebih cepat daripada termistor jejari/SMD. Walau bagaimanapun, mereka tidak begitu tahan lama. Oleh itu, jenis termistor yang digunakan bergantung pada aplikasi akhir dan persekitaran di mana termistor berada. Kestabilan jangka panjang termistor bergantung pada 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.
Thermistor datang dalam ketepatan yang berbeza. Termistor piawai 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. Ambil perhatian bahawa nilai beta termistor berbeza mengikut pengeluar. Sebagai contoh, 10 kΩ NTC termistor daripada pengeluar yang berbeza akan mempunyai nilai beta yang berbeza. Untuk sistem yang lebih tepat, termistor seperti siri Omega™ 44xxx boleh digunakan. Ia mempunyai ketepatan 0.1°C atau 0.2°C pada julat suhu 0°C hingga 70°C. Oleh itu, julat suhu yang boleh diukur dan ketepatan yang diperlukan ke atas julat suhu itu menentukan sama ada termistor sesuai untuk aplikasi ini. Sila ambil perhatian bahawa lebih tinggi ketepatan siri Omega 44xxx, lebih tinggi kosnya.
Untuk menukar rintangan kepada 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 hampir dengan julat suhu yang digunakan dalam projek. Kebanyakan lembaran data termistor menyenaraikan nilai beta bersama-sama dengan toleransi rintangan pada 25°C dan toleransi untuk nilai beta.
Termistor ketepatan lebih tinggi dan penyelesaian penamatan ketepatan 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 pengeluar sensor. Oleh kerana pekali persamaan dijana menggunakan tiga titik suhu, persamaan yang terhasil meminimumkan ralat yang diperkenalkan oleh linearisasi (biasanya 0.02 °C).
A, B dan C ialah pemalar yang diperoleh daripada tiga titik set suhu. R = rintangan termistor dalam ohm T = suhu dalam K darjah
Pada rajah. 3 menunjukkan pengujaan semasa sensor. Arus pemacu digunakan pada termistor dan arus yang sama digunakan pada perintang ketepatan; perintang ketepatan digunakan sebagai rujukan untuk pengukuran. Nilai perintang rujukan mestilah lebih besar daripada atau sama dengan nilai rintangan termistor tertinggi (bergantung pada suhu terendah yang diukur dalam sistem).
Apabila memilih arus pengujaan, rintangan maksimum termistor mesti sekali lagi 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 padanan output. Jika termistor mempunyai rintangan yang tinggi pada suhu terukur terendah, ini akan menghasilkan arus pemacu yang sangat rendah. Oleh itu, voltan yang dihasilkan merentasi termistor pada suhu tinggi adalah kecil. Peringkat keuntungan boleh atur cara 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 ialah menetapkan keuntungan tetapi menggunakan arus pemacu dinamik. Oleh itu, apabila tahap isyarat daripada termistor berubah, nilai arus pemacu berubah secara dinamik supaya voltan yang dibangunkan merentasi termistor berada dalam julat input yang ditentukan peranti elektronik. Pengguna mesti memastikan bahawa voltan yang dibangunkan merentasi perintang rujukan juga berada pada tahap yang boleh diterima oleh elektronik. Kedua-dua pilihan memerlukan tahap kawalan yang tinggi, pemantauan berterusan voltan merentasi termistor supaya elektronik boleh mengukur isyarat. Adakah terdapat pilihan yang lebih mudah? Pertimbangkan pengujaan voltan.
Apabila voltan DC digunakan pada termistor, arus melalui termistor secara automatik berskala apabila rintangan termistor berubah. Sekarang, menggunakan perintang pengukur ketepatan dan bukannya perintang rujukan, tujuannya adalah untuk mengira arus yang mengalir melalui termistor, dengan itu membolehkan rintangan termistor dikira. Memandangkan voltan pemacu juga digunakan sebagai isyarat rujukan ADC, tiada peringkat keuntungan diperlukan. Pemproses tidak mempunyai tugas untuk memantau voltan termistor, menentukan sama ada tahap isyarat boleh diukur oleh elektronik, dan mengira keuntungan pemacu/nilai semasa yang perlu diselaraskan. Ini adalah kaedah yang digunakan dalam artikel ini.
Jika termistor mempunyai penarafan rintangan dan julat rintangan yang kecil, pengujaan voltan atau arus boleh digunakan. Dalam kes ini, arus pemacu dan keuntungan boleh diperbaiki. Oleh itu, litar akan menjadi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Kaedah ini mudah kerana ia adalah mungkin untuk mengawal arus melalui sensor dan perintang rujukan, yang berharga dalam aplikasi kuasa rendah. Di samping itu, pemanasan sendiri termistor diminimumkan.
Pengujaan voltan juga boleh digunakan untuk termistor dengan penilaian rintangan rendah. Walau bagaimanapun, pengguna mesti sentiasa memastikan bahawa arus melalui penderia tidak terlalu tinggi untuk penderia atau aplikasi.
Pengujaan voltan memudahkan pelaksanaan apabila menggunakan termistor dengan penarafan rintangan yang besar dan julat suhu yang luas. Rintangan nominal yang lebih besar memberikan tahap arus undian yang boleh diterima. Walau bagaimanapun, pereka bentuk perlu memastikan bahawa arus berada pada tahap yang boleh diterima pada keseluruhan julat suhu yang disokong oleh aplikasi.
ADC Sigma-Delta menawarkan beberapa kelebihan apabila mereka bentuk sistem pengukuran termistor. Pertama, kerana ADC sigma-delta menyampel semula input analog, penapisan luaran dikekalkan pada tahap minimum dan satu-satunya keperluan ialah penapis RC mudah. Mereka memberikan fleksibiliti dalam jenis penapis dan kadar baud keluaran. Penapisan digital terbina dalam boleh digunakan untuk menyekat sebarang gangguan dalam peranti berkuasa utama. Peranti 24-bit seperti AD7124-4/AD7124-8 mempunyai resolusi penuh sehingga 21.7 bit, jadi ia memberikan 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 hingar rendah, arus rendah, ADC ketepatan dengan PGA terbina dalam, rujukan terbina dalam, input analog dan penimbal rujukan.
Tidak kira sama ada anda menggunakan arus pemacu atau voltan pemacu, konfigurasi ratiometrik disyorkan di mana voltan rujukan dan voltan penderia datang daripada sumber pemacu yang sama. Ini bermakna sebarang 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 merentasi RREF ialah voltan rujukan untuk mengukur termistor.
Arus medan tidak perlu tepat dan mungkin kurang stabil kerana sebarang ralat dalam arus medan akan dihapuskan dalam konfigurasi ini. Secara amnya, pengujaan semasa lebih diutamakan berbanding pengujaan voltan kerana kawalan kepekaan yang unggul dan imuniti hingar yang lebih baik apabila penderia 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 menjadi lebih besar, jadi pengujaan voltan digunakan. Sebagai contoh, termistor 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 menjana 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, yang terlalu tinggi dan di luar julat operasi kebanyakan ADC tersedia yang digunakan dalam kawasan aplikasi ini. Thermistor juga biasanya disambungkan atau terletak berhampiran elektronik, jadi imuniti untuk memacu arus tidak diperlukan.
Menambah perintang deria secara bersiri sebagai litar pembahagi voltan akan mengehadkan arus melalui termistor kepada nilai rintangan minimumnya. Dalam konfigurasi ini, nilai perintang deria RSENSE mestilah sama dengan nilai rintangan termistor pada suhu rujukan 25°C, supaya voltan keluaran akan sama dengan titik tengah voltan rujukan pada suhu nominalnya 25°CC Begitu juga, jika termistor 10 kΩ dengan rintangan 10 kΩ pada 25°C digunakan, RSENSE hendaklah 10 kΩ. Apabila suhu berubah, rintangan termistor NTC juga berubah, dan nisbah voltan pemacu merentasi termistor juga berubah, menyebabkan voltan keluaran berkadar dengan rintangan termistor NTC.
Jika rujukan voltan terpilih yang digunakan untuk kuasa termistor dan/atau RSENSE sepadan dengan voltan rujukan ADC yang digunakan untuk pengukuran, sistem ditetapkan kepada pengukuran nisbah (Rajah 7) supaya sebarang punca voltan ralat berkaitan pengujaan akan dipincang untuk dialih keluar.
Ambil perhatian bahawa sama ada perintang deria (didorong voltan) atau perintang rujukan (didorong semasa) harus mempunyai toleransi awal yang rendah dan hanyut yang rendah, kerana kedua-dua pembolehubah boleh menjejaskan ketepatan keseluruhan sistem.
Apabila menggunakan berbilang termistor, satu voltan pengujaan boleh digunakan. Walau bagaimanapun, setiap termistor mesti mempunyai perintang deria ketepatan sendiri, seperti yang ditunjukkan dalam rajah. 8. Pilihan lain ialah menggunakan pemultipleks luaran atau suis rintangan rendah dalam keadaan hidup, yang membolehkan berkongsi satu perintang deria ketepatan. Dengan konfigurasi ini, setiap termistor memerlukan sedikit masa penyelesaian apabila diukur.
Ringkasnya, apabila mereka bentuk sistem pengukuran suhu berasaskan termistor, terdapat banyak soalan yang perlu dipertimbangkan: pemilihan sensor, pendawaian sensor, tukar ganti pemilihan komponen, konfigurasi ADC dan cara pelbagai pembolehubah ini mempengaruhi ketepatan keseluruhan sistem. Artikel seterusnya dalam siri ini menerangkan cara mengoptimumkan reka bentuk sistem anda dan keseluruhan belanjawan ralat sistem untuk mencapai prestasi sasaran anda.
Masa siaran: Sep-30-2022