Dit is het eerste artikel in een tweedelige serie. Dit artikel zal eerst de geschiedenis en ontwerpuitdagingen bespreken vanOp thermistor gebaseerde temperatuurMeetsystemen, evenals hun vergelijking met weerstandsthermometer (RTD) temperatuurmeetsystemen. Het zal ook de keuze van thermistor, configuratie-afwegingen en het belang beschrijven van Sigma-Delta analoog-naar-digitale converters (ADC's) in dit toepassingsgebied. Het tweede artikel zal beschrijven hoe het uiteindelijke op thermistor gebaseerde meetsysteem kan worden geoptimaliseerd en geëvalueerd.
Zoals beschreven in de vorige artikelreeks, het optimaliseren van RTD -temperatuursensorsystemen, is een RTD een weerstand waarvan de weerstand varieert met de temperatuur. Thermistors werken op dezelfde manier als RTD's. In tegenstelling tot RTD's, die alleen een positieve temperatuurcoëfficiënt hebben, kan een thermistor een positieve of negatieve temperatuurcoëfficiënt hebben. Negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) thermistoren verminderen hun weerstand naarmate de temperatuur stijgt, terwijl de positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) thermistoren hun weerstand verhogen naarmate de temperatuur stijgt. Op Fig. 1 toont de responskenmerken van typische NTC- en PTC -thermistoren en vergelijkt ze met RTD -curven.
In termen van temperatuurbereik is de RTD -curve bijna lineair en bedekt de sensor een veel breder temperatuurbereik dan thermistors (meestal -200 ° C tot +850 ° C) vanwege de niet -lineaire (exponentiële) aard van de thermistor. RTD's worden meestal aangeboden in bekende gestandaardiseerde krommen, terwijl thermistorcurves variëren per fabrikant. We zullen dit in detail bespreken in het gedeelte Thermistor Selection Guide van dit artikel.
Thermistoren zijn gemaakt van composietmaterialen, meestal keramiek, polymeren of halfgeleiders (meestal metaaloxiden) en pure metalen (platina, nikkel of koper). Thermistors kunnen temperatuurveranderingen sneller detecteren dan RTD's, waardoor snellere feedback wordt gegeven. Daarom worden thermistoren vaak gebruikt door sensoren in toepassingen die lage kosten, kleine omvang, snellere respons, hogere gevoeligheid en beperkt temperatuurbereik vereisen, zoals elektronica -controle, thuis- en bouwcontrole, wetenschappelijke laboratoria of cold junction compensatie voor thermokoppels in commerciële of industriële toepassingen. doeleinden. Toepassingen.
In de meeste gevallen worden NTC -thermistoren gebruikt voor nauwkeurige temperatuurmeting, geen PTC -thermistoren. Sommige PTC -thermistoren zijn beschikbaar die kunnen worden gebruikt in overstroombeveiligingscircuits of als hervestbare zekeringen voor veiligheidstoepassingen. De weerstandstemperatuurcurve van een PTC-thermistor toont een zeer klein NTC-gebied voordat het schakelpunt (of Curie Point) wordt bereikt, waarboven de weerstand sterk stijgt met verschillende orden van grootte in het bereik van verschillende graden Celsius. Onder overstroomomstandigheden zal de PTC-thermistor sterk zelfverwarming genereren wanneer de schakeltemperatuur wordt overschreden, en de weerstand ervan zal sterk stijgen, wat de ingangsstroom naar het systeem zal verminderen, waardoor schade wordt voorkomen. Het schakelpunt van PTC -thermistoren is typisch tussen 60 ° C en 120 ° C en is niet geschikt voor het regelen van temperatuurmetingen in een breed bereik van toepassingen. Dit artikel richt zich op NTC -thermistoren, die meestal temperaturen kunnen meten of bewaken van -80 ° C tot +150 ° C. NTC -thermistors hebben weerstandsclassificaties variërend van enkele ohm tot 10 MΩ bij 25 ° C. Zoals getoond in Fig. 1, de verandering in weerstand per graad Celsius voor thermistors is meer uitgesproken dan voor weerstandsthermometers. In vergelijking met thermistors vereenvoudigt de hoge gevoeligheid en hoge weerstandswaarde van de thermistor zijn ingangscircuits, omdat thermistoren geen speciale bedradingconfiguratie vereisen, zoals 3-draads of 4-draads, om loodweerstand te compenseren. Het thermistorontwerp gebruikt slechts een eenvoudige 2-draads configuratie.
Hoge nauwkeurige thermistor gebaseerde temperatuurmeting vereist precieze signaalverwerking, analoog-naar-digitale conversie, linearisatie en compensatie, zoals getoond in Fig. 2.
Hoewel de signaalketen misschien eenvoudig lijkt, zijn er verschillende complexiteiten die de grootte, kosten en prestaties van het hele moederbord beïnvloeden. De Precision ADC-portfolio van ADI omvat verschillende geïntegreerde oplossingen, zoals de AD7124-4/AD7124-8, die een aantal voordelen bieden voor het ontwerp van het thermische systeem, aangezien de meeste bouwstenen die nodig zijn voor een applicatie zijn ingebouwd. Er zijn echter verschillende uitdagingen bij het ontwerpen en optimaliseren van oplossingen op basis van thermistor gebaseerde temperatuurmeting.
Dit artikel bespreekt elk van deze kwesties en geeft aanbevelingen om ze op te lossen en het ontwerpproces voor dergelijke systemen verder te vereenvoudigen.
Er is een breed scala aanNTC thermistorsOp de markt vandaag kan het kiezen van de juiste thermistor voor uw toepassing een ontmoedigende taak zijn. Merk op dat thermistoren worden vermeld door hun nominale waarde, wat hun nominale weerstand is bij 25 ° C. Daarom heeft een thermistor van 10 kΩ een nominale weerstand van 10 kΩ bij 25 ° C. Thermistors hebben nominale of basisweerstandswaarden variërend van enkele ohm tot 10 MΩ. Thermistoren met lage weerstandswaarden (nominale weerstand van 10 kΩ of minder) ondersteunen typisch onderste temperatuurbereiken, zoals -50 ° C tot +70 ° C. Thermistoren met hogere weerstandswaarden kunnen de temperatuur tot 300 ° C weerstaan.
Het thermistorelement is gemaakt van metaaloxide. Thermistors zijn verkrijgbaar in bal-, radiale en SMD -vormen. Thermistor -kralen zijn met epoxy gecoat of glas ingekapseld voor extra bescherming. Epoxy gecoate balthermistors, radiale en oppervlaktethermistoren zijn geschikt voor temperaturen tot 150 ° C. Glazen kraal thermistors zijn geschikt voor het meten van hoge temperaturen. Alle soorten coatings/verpakkingen beschermen ook tegen corrosie. Sommige thermistoren hebben ook extra behuizingen voor extra bescherming in harde omgevingen. Bead -thermistors hebben een snellere responstijd dan radiale/SMD -thermistoren. Ze zijn echter niet zo duurzaam. Daarom hangt het gebruikte type thermistor af van de eindtoepassing en de omgeving waarin de thermistor zich bevindt. De stabiliteit op lange termijn van een thermistor hangt af van het materiaal, de verpakking en het ontwerp. Een door epoxy gecoate NTC-thermistor kan bijvoorbeeld 0,2 ° C per jaar veranderen, terwijl een afgesloten thermistor slechts 0,02 ° C per jaar verandert.
Thermistors komen in verschillende nauwkeurigheid. Standaard thermistors hebben meestal een nauwkeurigheid van 0,5 ° C tot 1,5 ° C. De thermistorweerstandsbeoordeling en de bètawaarde (verhouding van 25 ° C tot 50 ° C/85 ° C) hebben een tolerantie. Merk op dat de bètawaarde van de thermistor varieert per fabrikant. Bijvoorbeeld, 10 kΩ NTC -thermistoren van verschillende fabrikanten hebben verschillende bètawaarden. Voor meer nauwkeurige systemen kunnen thermistors zoals de Omega ™ 44xxx -serie worden gebruikt. Ze hebben een nauwkeurigheid van 0,1 ° C of 0,2 ° C over een temperatuurbereik van 0 ° C tot 70 ° C. Daarom bepaalt het temperatuurbereik dat kan worden gemeten en de nauwkeurigheid die nodig is over dat temperatuurbereik of thermistoren geschikt zijn voor deze toepassing. Houd er rekening mee dat hoe hoger de nauwkeurigheid van de omega 44xxx -serie, hoe hoger de kosten.
Om weerstand tegen graden Celsius te converteren, wordt de bètawaarde meestal gebruikt. De bèta -waarde wordt bepaald door de twee temperatuurpunten en de overeenkomstige weerstand op elk temperatuurpunt te kennen.
RT1 = Temperatuurweerstand 1 RT2 = Temperatuurweerstand 2 T1 = Temperatuur 1 (K) T2 = Temperatuur 2 (K)
De gebruiker gebruikt de bètawaarde die het dichtst bij het temperatuurbereik in het project wordt gebruikt. De meeste thermistorgegevensasheets vermelden een bètawaarde samen met een weerstandstolerantie bij 25 ° C en een tolerantie voor de bètawaarde.
Hogere precisiethermistors en hoge precisie-beëindigingsoplossingen zoals de omega 44xxx-serie gebruiken de Steinhart-Hart-vergelijking om weerstand tegen Graden Celsius te converteren. Vergelijking 2 vereist de drie constanten A, B en C, opnieuw verstrekt door de sensorfabrikant. Omdat de vergelijkingscoëfficiënten worden gegenereerd met behulp van drie temperatuurpunten, minimaliseert de resulterende vergelijking de fout die wordt geïntroduceerd door linearisatie (meestal 0,02 ° C).
A, B en C zijn constanten afgeleid van drie temperatuursetpunten. R = thermistorweerstand in ohm T = temperatuur in k graden
Op Fig. 3 toont de huidige excitatie van de sensor. Drive -stroom wordt toegepast op de thermistor en dezelfde stroom wordt toegepast op de precisieweerstand; Een precisieweerstand wordt gebruikt als referentie voor meting. De waarde van de referentieweerstand moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de hoogste waarde van de thermistorweerstand (afhankelijk van de laagste temperatuur gemeten in het systeem).
Bij het selecteren van de excitatiestroom moet opnieuw rekening worden gehouden met de maximale weerstand van de thermistor. Dit zorgt ervoor dat de spanning over de sensor en de referentieweerstand altijd op een niveau is dat acceptabel is voor de elektronica. De veldstroombron vereist wat hoofdruimte of uitvoeraanst ( Als de thermistor een hoge weerstand heeft bij de laagste meetbare temperatuur, zal dit resulteren in een zeer lage aandrijfstroom. Daarom is de spanning die wordt gegenereerd over de thermistor bij hoge temperatuur klein. Programmeerbare versterkingsfasen kunnen worden gebruikt om de meting van deze signalen op laag niveau te optimaliseren. De versterking moet echter dynamisch worden geprogrammeerd omdat het signaalniveau van de thermistor sterk varieert met de temperatuur.
Een andere optie is om de versterking in te stellen maar Dynamic Drive Current te gebruiken. Daarom, naarmate het signaalniveau van de thermistor verandert, verandert de aandrijfstroomwaarde dynamisch zodat de spanning ontwikkeld over de thermistor binnen het gespecificeerde ingangsbereik van het elektronische apparaat ligt. De gebruiker moet ervoor zorgen dat de spanning die is ontwikkeld over de referentieweerstand ook op een niveau is dat acceptabel is voor de elektronica. Beide opties vereisen een hoog niveau van controle, constante monitoring van de spanning over de thermistor zodat de elektronica het signaal kan meten. Is er een gemakkelijkere optie? Overweeg spanning -excitatie.
Wanneer DC -spanning op de thermistor wordt toegepast, schaalt de stroom door de thermistor automatisch naarmate de weerstand van de thermistor verandert. Nu, met behulp van een precisie -meetweerstand in plaats van een referentieweerstand, is het doel ervan de stroom te berekenen die door de thermistor stroomt, waardoor de thermistorweerstand kan worden berekend. Omdat de aandrijfspanning ook wordt gebruikt als het ADC -referentiesignaal, is er geen versterkingsfase vereist. De processor heeft niet de taak om de thermistorspanning te bewaken, te bepalen of het signaalniveau kan worden gemeten door de elektronica en het berekenen van welke aandrijfversterking/stroomwaarde moet worden aangepast. Dit is de methode die in dit artikel wordt gebruikt.
Als de thermistor een kleine weerstandsbeoordeling en weerstandsbereik heeft, kan spanning of stroomuitval worden gebruikt. In dit geval kan de schijfstroom en -winst worden opgelost. Het circuit zal dus zijn zoals weergegeven in figuur 3. Deze methode is handig omdat het mogelijk is om de stroom door de sensor en de referentieweerstand te regelen, die waardevol is in toepassingen met een laag vermogen. Bovendien wordt zelfverwarming van de thermistor geminimaliseerd.
Spanningsuitexcitatie kan ook worden gebruikt voor thermistoren met lage weerstandsbeoordelingen. De gebruiker moet er echter altijd voor zorgen dat de stroom door de sensor niet te hoog is voor de sensor of toepassing.
Spanningsuitexcitatie vereenvoudigt de implementatie bij het gebruik van een thermistor met een grote weerstandsclassificatie en een breed temperatuurbereik. Grotere nominale weerstand biedt een acceptabel niveau van nominale stroom. Ontwerpers moeten er echter voor zorgen dat de stroom op een acceptabel niveau is over het gehele temperatuurbereik dat door de toepassing wordt ondersteund.
Sigma-Delta ADC's bieden verschillende voordelen bij het ontwerpen van een thermistormeetsysteem. Ten eerste, omdat de Sigma-Delta ADC de analoge ingang opnieuw voorbeelt, wordt externe filtering tot een minimum beperkt en is de enige vereiste een eenvoudig RC-filter. Ze bieden flexibiliteit in filtertype en output baudsnelheid. Ingebouwde digitale filtering kan worden gebruikt om elke interferentie in apparaten met netwerk te onderdrukken. 24-bits apparaten zoals de AD7124-4/AD7124-8 hebben een volledige resolutie van maximaal 21,7 bits, dus ze bieden een hoge resolutie.
Het gebruik van een Sigma-Delta ADC vereenvoudigt het thermistorontwerp aanzienlijk en vereenvoudigt de specificatie, systeemkosten, bordruimte en tijd naar markt.
Dit artikel gebruikt de AD7124-4/AD7124-8 als ADC omdat ze lage ruis, lage stroom, precisie-ADC's zijn met ingebouwde PGA, ingebouwde referentie, analoge ingang en referentiebuffer.
Ongeacht of u de aandrijfstroom of aandrijfspanning gebruikt, wordt een ratiometrische configuratie aanbevolen waarin de referentiespanning en sensorspanning afkomstig zijn van dezelfde aandrijfbron. Dit betekent dat elke verandering in de excitatiebron geen invloed heeft op de nauwkeurigheid van de meting.
Op Fig. 5 toont de constante aandrijfstroom voor de thermistor- en precisieweerstand RREF, de spanning ontwikkeld over RREF is de referentiespanning voor het meten van de thermistor.
De veldstroom hoeft niet nauwkeurig te zijn en kan minder stabiel zijn omdat eventuele fouten in de veldstroom in deze configuratie worden geëlimineerd. Over het algemeen heeft stroomuitval de voorkeur boven spanningsuitexcitatie vanwege superieure gevoeligheidsregeling en betere ruisimmuniteit wanneer de sensor zich op externe locaties bevindt. Dit type bias -methode wordt meestal gebruikt voor RTD's of thermistors met lage weerstandswaarden. Voor een thermistor met een hogere weerstandswaarde en een hogere gevoeligheid zal het signaalniveau gegenereerd door elke temperatuurverandering echter groter zijn, dus wordt spanningsuitexcitatie gebruikt. Een thermistor van 10 kΩ heeft bijvoorbeeld een weerstand van 10 kΩ bij 25 ° C. Bij -50 ° C is de weerstand van de NTC -thermistor 441.117 kΩ. De minimale aandrijfstroom van 50 µA geleverd door de AD7124-4/AD7124-8 genereert 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, die te hoog is en buiten het werkbereik van de meeste beschikbare ADC's die in dit toepassingsgebied worden gebruikt. Thermistoren zijn meestal ook verbonden of gelegen in de buurt van de elektronica, dus immuniteit om stroom te stimuleren is niet vereist.
Het toevoegen van een gevoelweerstand in serie als een spanningsverdelercircuit zal de stroom door de thermistor beperken tot de minimale weerstandswaarde. In deze configuratie moet de waarde van de zintuiglijke weerstand gelijk zijn aan de waarde van de thermistorweerstand bij een referentietemperatuur van 25 ° C, zodat de uitgangsspanning gelijk zal zijn aan het middelpunt van de referentiespanning bij de nominale temperatuur van 25 ° CC vergelijkbaar, als een 10 kΩ -thermistor met een weerstand van 10 kΩ wordt gebruikt, moet rsense 10 kΩ zijn. Naarmate de temperatuur verandert, verandert de weerstand van de NTC -thermistor ook en verandert de verhouding van de aandrijfspanning over de thermistor ook, waardoor de uitgangsspanning evenredig is met de weerstand van de NTC -thermistor.
Als de geselecteerde spanningsreferentie wordt gebruikt om de thermistor en/of rSense overeen te komen met de ADC-referentiespanning die wordt gebruikt voor meting, wordt het systeem ingesteld op ratiometrische meting (figuur 7) zodat elke excitatiegerelateerde foutspanningsbron bevooroordeeld is om te verwijderen.
Merk op dat ofwel de zintuiglijke weerstand (spanning aangedreven) of de referentieweerstand (stroom aangedreven) een lage initiële tolerantie en lage drift moet hebben, omdat beide variabelen de nauwkeurigheid van het gehele systeem kunnen beïnvloeden.
Bij het gebruik van meerdere thermistors kan één excitatiespanning worden gebruikt. Elke thermistor moet echter zijn eigen Precision Sense -weerstand hebben, zoals getoond in Fig. 8. Een andere optie is om een externe multiplexer of lage weerstandsschakelaar in de AAN-status te gebruiken, waardoor het delen van één precisie-gevoelweerstand kan delen. Met deze configuratie heeft elke thermistor enige vestigingstijd nodig wanneer gemeten.
Samenvattend, bij het ontwerpen van een op thermistor gebaseerd temperatuurmeetsysteem zijn er veel vragen om te overwegen: selectieselectie, sensorbedrading, afwegingen van componenten selectie, ADC-configuratie en hoe deze verschillende variabelen de algehele nauwkeurigheid van het systeem beïnvloeden. Het volgende artikel in deze serie legt uit hoe u uw systeemontwerp en het algemene systeemfoutbudget kunt optimaliseren om uw doelprestaties te bereiken.
Posttijd: SEP-30-2022