Dit is het eerste artikel in een tweedelige serie. In dit artikel worden eerst de geschiedenis en ontwerpuitdagingen vanthermistor-gebaseerde temperatuurMeetsystemen, evenals hun vergelijking met temperatuurmeetsystemen met weerstandsthermometers (RTD's). Het beschrijft ook de keuze van de thermistor, configuratie-afwegingen en het belang van sigma-delta analoog-naar-digitaal converters (ADC's) in dit toepassingsgebied. Het tweede artikel beschrijft hoe het uiteindelijke thermistorgebaseerde meetsysteem geoptimaliseerd en geëvalueerd kan worden.
Zoals beschreven in de vorige artikelenreeks, Optimalisatie van RTD-temperatuursensorsystemen, is een RTD een weerstand waarvan de weerstand varieert met de temperatuur. Thermistors werken op een vergelijkbare manier als RTD's. In tegenstelling tot RTD's, die alleen een positieve temperatuurcoëfficiënt hebben, kan een thermistor een positieve of negatieve temperatuurcoëfficiënt hebben. Thermistoren met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) verlagen hun weerstand naarmate de temperatuur stijgt, terwijl thermistoren met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) hun weerstand verhogen naarmate de temperatuur stijgt. Figuur 1 toont de responskarakteristieken van typische NTC- en PTC-thermistors en vergelijkt deze met RTD-curven.
Qua temperatuurbereik is de RTD-curve vrijwel lineair en bestrijkt de sensor een veel breder temperatuurbereik dan thermistoren (meestal -200 °C tot +850 °C) dankzij de niet-lineaire (exponentiële) aard van de thermistor. RTD's worden meestal geleverd in bekende gestandaardiseerde curven, terwijl thermistorcurven per fabrikant verschillen. We zullen dit in detail bespreken in het gedeelte 'Thermistorselectiegids' van dit artikel.
Thermistors zijn gemaakt van composietmaterialen, meestal keramiek, polymeren of halfgeleiders (meestal metaaloxiden) en zuivere metalen (platina, nikkel of koper). Thermistors kunnen temperatuurveranderingen sneller detecteren dan RTD's, wat zorgt voor een snellere feedback. Daarom worden thermistoren vaak gebruikt in sensoren in toepassingen die lage kosten, een klein formaat, een snellere respons, een hogere gevoeligheid en een beperkt temperatuurbereik vereisen, zoals elektronische besturing, woning- en gebouwbeheer, wetenschappelijke laboratoria of koudelascompensatie voor thermokoppels in commerciële of industriële toepassingen. Toepassingen.
In de meeste gevallen worden NTC-thermistors gebruikt voor nauwkeurige temperatuurmeting, geen PTC-thermistors. Er zijn PTC-thermistors verkrijgbaar die kunnen worden gebruikt in overstroombeveiligingscircuits of als resetbare zekeringen voor veiligheidstoepassingen. De weerstand-temperatuurcurve van een PTC-thermistor vertoont een zeer klein NTC-gebied vóór het bereiken van het schakelpunt (of Curiepunt), waarboven de weerstand sterk stijgt met enkele ordes van grootte in het bereik van enkele graden Celsius. Bij overstroom zal de PTC-thermistor sterke zelfopwarming genereren wanneer de schakeltemperatuur wordt overschreden, waardoor de weerstand sterk stijgt. Dit zal de ingangsstroom naar het systeem verminderen en zo schade voorkomen. Het schakelpunt van PTC-thermistors ligt doorgaans tussen 60 °C en 120 °C en is niet geschikt voor het regelen van temperatuurmetingen in een breed scala aan toepassingen. Dit artikel richt zich op NTC-thermistors, die doorgaans temperaturen van -80 °C tot +150 °C kunnen meten of bewaken. NTC-thermistors hebben een weerstandsbereik van enkele ohms tot 10 MΩ bij 25 °C. Zoals te zien is in figuur 1, is de weerstandsverandering per graad Celsius bij thermistoren groter dan bij weerstandsthermometers. Vergeleken met thermistoren vereenvoudigen de hoge gevoeligheid en de hoge weerstandswaarde van de thermistor het ingangscircuit, omdat thermistoren geen speciale bedradingsconfiguratie nodig hebben, zoals 3-draads of 4-draads, om de weerstand van de geleider te compenseren. Het thermistorontwerp maakt gebruik van slechts een eenvoudige 2-draadsconfiguratie.
Voor uiterst precieze temperatuurmetingen op basis van thermistoren zijn nauwkeurige signaalverwerking, analoog-naar-digitaal-conversie, linearisatie en compensatie nodig, zoals weergegeven in figuur 2.
Hoewel de signaalketen eenvoudig lijkt, zijn er verschillende complexiteiten die de grootte, kosten en prestaties van het gehele moederbord beïnvloeden. Het precisie-ADC-portfolio van ADI omvat verschillende geïntegreerde oplossingen, zoals de AD7124-4/AD7124-8, die een aantal voordelen bieden voor het ontwerp van thermische systemen, omdat de meeste bouwstenen die nodig zijn voor een toepassing ingebouwd zijn. Er zijn echter diverse uitdagingen bij het ontwerpen en optimaliseren van thermistorgebaseerde temperatuurmeetoplossingen.
In dit artikel worden deze problemen besproken en worden aanbevelingen gedaan om ze op te lossen en het ontwerpproces voor dergelijke systemen verder te vereenvoudigen.
Er is een grote verscheidenheid aanNTC-thermistorsEr zijn tegenwoordig veel thermistoren op de markt, dus het kiezen van de juiste thermistor voor uw toepassing kan een lastige opgave zijn. Houd er rekening mee dat thermistoren worden vermeld op basis van hun nominale waarde, wat hun nominale weerstand bij 25 °C is. Een 10 kΩ-thermistor heeft dus een nominale weerstand van 10 kΩ bij 25 °C. Thermistoren hebben nominale of basisweerstandswaarden variërend van enkele ohms tot 10 MΩ. Thermistoren met een lage weerstandswaarde (nominale weerstand van 10 kΩ of minder) ondersteunen doorgaans lagere temperatuurbereiken, zoals -50 °C tot +70 °C. Thermistoren met een hogere weerstandswaarde zijn bestand tegen temperaturen tot 300 °C.
Het thermistorelement is gemaakt van metaaloxide. Thermistors zijn verkrijgbaar in bol-, radiale en SMD-vorm. Thermistorkralen zijn epoxygecoat of in glas ingekapseld voor extra bescherming. Epoxygecoate bolthermistors, radiale en oppervlaktethermistors zijn geschikt voor temperaturen tot 150 °C. Glaskraalthermistors 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 zware omstandigheden. Kraalthermistors hebben een snellere responstijd dan radiale/SMD-thermistors. Ze zijn echter minder duurzaam. Het type thermistor dat wordt gebruikt, hangt daarom af van de uiteindelijke toepassing en de omgeving waarin de thermistor zich bevindt. De stabiliteit van een thermistor op lange termijn hangt af van het materiaal, de verpakking en het ontwerp. Een epoxygecoate NTC-thermistor kan bijvoorbeeld 0,2 °C per jaar veranderen, terwijl een gesloten thermistor slechts 0,02 °C per jaar verandert.
Thermistors zijn verkrijgbaar in verschillende nauwkeurigheidsgraden. Standaardthermistors hebben doorgaans een nauwkeurigheid van 0,5 °C tot 1,5 °C. De weerstandswaarde en bètawaarde van de thermistor (verhouding van 25 °C tot 50 °C/85 °C) hebben een tolerantie. Houd er rekening mee dat de bètawaarde van de thermistor per fabrikant verschilt. Zo hebben 10 kΩ NTC-thermistors van verschillende fabrikanten verschillende bètawaarden. Voor nauwkeurigere systemen kunnen thermistoren zoals de Omega™ 44xxx-serie worden gebruikt. Deze hebben een nauwkeurigheid van 0,1 °C of 0,2 °C over een temperatuurbereik van 0 °C tot 70 °C. Daarom bepalen het temperatuurbereik dat kan worden gemeten en de vereiste nauwkeurigheid binnen 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 om te rekenen naar graden Celsius, wordt meestal de bètawaarde gebruikt. De bètawaarde wordt bepaald door de twee temperatuurpunten en de bijbehorende weerstand bij 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 ligt. De meeste datasheets van thermistoren vermelden een bètawaarde, een weerstandstolerantie bij 25 °C en een tolerantie voor de bètawaarde.
Thermistoren met een hogere precisie en oplossingen voor zeer nauwkeurige afsluitingen, zoals de Omega 44xxx-serie, gebruiken de Steinhart-Hart-vergelijking om weerstand om te rekenen naar graden Celsius. Vergelijking 2 vereist de drie constanten A, B en C, wederom geleverd door de sensorfabrikant. Omdat de vergelijkingscoëfficiënten worden gegenereerd met behulp van drie temperatuurpunten, minimaliseert de resulterende vergelijking de fout die ontstaat door linearisatie (meestal 0,02 °C).
A, B en C zijn constanten afgeleid van drie temperatuurinstellingen. R = thermistorweerstand in ohm T = temperatuur in K graden
Figuur 3 toont de stroombekrachtiging van de sensor. De stuurstroom wordt naar de thermistor gestuurd en dezelfde stroom wordt naar de precisieweerstand gestuurd; een precisieweerstand wordt gebruikt als referentie voor de meting. De waarde van de referentieweerstand moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de hoogste waarde van de thermistorweerstand (afhankelijk van de laagste gemeten temperatuur in het systeem).
Bij het selecteren van de excitatiestroom moet wederom rekening worden gehouden met de maximale weerstand van de thermistor. Dit zorgt ervoor dat de spanning over de sensor en de referentieweerstand altijd acceptabel is voor de elektronica. De veldstroombron vereist enige speling of uitgangsaanpassing. Als de thermistor een hoge weerstand heeft bij de laagst meetbare temperatuur, resulteert dit in een zeer lage aanstuurstroom. De spanning die over de thermistor wordt gegenereerd bij hoge temperatuur is daarom klein. Programmeerbare versterkingsstappen kunnen worden gebruikt om de meting van deze lage signalen 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 dynamische stuurstroom te gebruiken. Naarmate het signaalniveau van de thermistor verandert, verandert de waarde van de stuurstroom dynamisch, zodat de spanning die over de thermistor wordt ontwikkeld binnen het gespecificeerde ingangsbereik van het elektronische apparaat blijft. De gebruiker moet ervoor zorgen dat de spanning die over de referentieweerstand wordt ontwikkeld, ook op een voor de elektronica acceptabel niveau ligt. Beide opties vereisen een hoge mate van controle en constante bewaking van de spanning over de thermistor, zodat de elektronica het signaal kan meten. Is er een eenvoudigere optie? Overweeg spanningsexcitatie.
Wanneer er gelijkspanning op de thermistor wordt aangelegd, schaalt de stroom door de thermistor automatisch mee met de verandering van de weerstand van de thermistor. Nu wordt een precisiemeetweerstand gebruikt in plaats van een referentieweerstand. Het doel hiervan is om de stroom door de thermistor te berekenen, waardoor de thermistorweerstand kan worden berekend. Omdat de stuurspanning ook als ADC-referentiesignaal wordt gebruikt, is er geen versterkingstrap nodig. De processor heeft niet de taak om de thermistorspanning te bewaken, te bepalen of het signaalniveau door de elektronica kan worden gemeten en te berekenen welke versterking/stroomwaarde van de aandrijving moet worden aangepast. Deze methode wordt in dit artikel gebruikt.
Als de thermistor een kleine weerstandswaarde en een klein weerstandsbereik heeft, kan spannings- of stroombekrachtiging worden gebruikt. In dat geval kunnen de aandrijfstroom en de versterking worden vastgezet. Het circuit ziet er dan uit zoals weergegeven in figuur 3. Deze methode is handig omdat het mogelijk is om de stroom door de sensor en de referentieweerstand te regelen, wat waardevol is in toepassingen met een laag vermogen. Bovendien wordt de zelfopwarming van de thermistor geminimaliseerd.
Spanningsexcitatie kan ook worden gebruikt voor thermistoren met een lage weerstand. De gebruiker moet er echter altijd voor zorgen dat de stroom door de sensor niet te hoog is voor de sensor of toepassing.
Spanningsexcitatie vereenvoudigt de implementatie bij gebruik van een thermistor met een hoge weerstandswaarde en een breed temperatuurbereik. Een hogere nominale weerstand zorgt voor een acceptabel niveau van de nominale stroom. Ontwerpers moeten er echter voor zorgen dat de stroom over het gehele temperatuurbereik van de toepassing op een acceptabel niveau blijft.
Sigma-Delta ADC's bieden verschillende voordelen bij het ontwerpen van een thermistormeetsysteem. Ten eerste, omdat de sigma-delta ADC de analoge ingang resampled, wordt externe filtering tot een minimum beperkt en is een eenvoudig RC-filter voldoende. Ze bieden flexibiliteit in filtertype en output-baudrate. Ingebouwde digitale filtering kan worden gebruikt om interferentie in apparaten met netvoeding te onderdrukken. 24-bits apparaten zoals de AD7124-4/AD7124-8 hebben een volledige resolutie tot 21,7 bits en bieden dus een hoge resolutie.
Door gebruik te maken van een sigma-delta ADC wordt het ontwerp van de thermistor aanzienlijk vereenvoudigd, terwijl de specificaties, systeemkosten, ruimte op de printplaat en de time-to-market worden gereduceerd.
In dit artikel worden de AD7124-4/AD7124-8 als ADC gebruikt, omdat dit ADC's zijn met een lage ruis, lage stroomsterkte, precisie, ingebouwde PGA, ingebouwde referentie, analoge ingang en referentiebuffer.
Ongeacht of u stuurstroom of stuurspanning gebruikt, wordt een ratiometrische configuratie aanbevolen waarbij de referentiespanning en de sensorspanning afkomstig zijn van dezelfde aandrijfbron. Dit betekent dat een wijziging in de excitatiebron geen invloed heeft op de nauwkeurigheid van de meting.
Figuur 5 toont de constante aandrijfstroom voor de thermistor en precisieweerstand RREF. De spanning die over RREF ontstaat, is de referentiespanning voor het meten van de thermistor.
De veldstroom hoeft niet nauwkeurig te zijn en kan minder stabiel zijn, omdat fouten in de veldstroom in deze configuratie worden geëlimineerd. Stroombekrachtiging heeft over het algemeen de voorkeur boven spanningsexcitatie vanwege de superieure gevoeligheidsregeling en betere ruisimmuniteit wanneer de sensor zich op afgelegen locaties bevindt. Dit type biasmethode wordt doorgaans gebruikt voor RTD's of thermistors met lage weerstandswaarden. Voor een thermistor met een hogere weerstandswaarde en hogere gevoeligheid zal het signaalniveau dat bij elke temperatuurverandering wordt gegenereerd echter groter zijn, dus wordt spanningsexcitatie gebruikt. Een 10 kΩ-thermistor heeft bijvoorbeeld een weerstand van 10 kΩ bij 25 °C. Bij -50 °C bedraagt de weerstand van de NTC-thermistor 441,117 kΩ. De minimale stuurstroom van 50 µA van de AD7124-4/AD7124-8 genereert 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat te hoog is en buiten het werkbereik valt van de meeste beschikbare ADC's die in dit toepassingsgebied worden gebruikt. Thermistoren worden meestal ook aangesloten of bevinden zich in de buurt van de elektronica, dus immuniteit voor stuurstroom is niet vereist.
Door een meetweerstand in serie toe te voegen als spanningsdeler, wordt de stroom door de thermistor beperkt tot de minimale weerstandswaarde. In deze configuratie moet de waarde van de meetweerstand RSENSE gelijk zijn aan de waarde van de thermistorweerstand bij een referentietemperatuur van 25 °C, zodat de uitgangsspanning gelijk is aan het middelpunt van de referentiespanning bij de nominale temperatuur van 25 °C. Evenzo, als een 10 kΩ-thermistor met een weerstand van 10 kΩ bij 25 °C wordt gebruikt, moet RSENSE 10 kΩ zijn. Naarmate de temperatuur verandert, verandert ook de weerstand van de NTC-thermistor en verandert de verhouding van de stuurspanning over de thermistor, waardoor de uitgangsspanning evenredig is met de weerstand van de NTC-thermistor.
Als de geselecteerde spanningsreferentie die wordt gebruikt om de thermistor en/of RSENSE van stroom te voorzien, overeenkomt met de ADC-referentiespanning die wordt gebruikt voor de meting, wordt het systeem ingesteld op ratiometrische meting (Figuur 7), zodat elke excitatiegerelateerde foutspanningsbron wordt voorgespannen om deze te verwijderen.
Houd er rekening mee dat de meetweerstand (spanningsgestuurd) of de referentieweerstand (stroomgestuurd) een lage initiële tolerantie en een lage drift moet hebben, omdat beide variabelen de nauwkeurigheid van het hele systeem kunnen beïnvloeden.
Bij gebruik van meerdere thermistoren kan één excitatiespanning worden gebruikt. Elke thermistor moet echter een eigen precisiedetectieweerstand hebben, zoals weergegeven in figuur 8. Een andere optie is om een externe multiplexer of een schakelaar met lage weerstand te gebruiken in de ingeschakelde toestand, waardoor één precisiedetectieweerstand kan worden gedeeld. Met deze configuratie heeft elke thermistor enige tijd nodig om zich te stabiliseren tijdens de meting.
Kortom, bij het ontwerpen van een thermistorgebaseerd temperatuurmeetsysteem zijn er veel vragen om te overwegen: sensorselectie, sensorbedrading, afwegingen bij de componentselectie, ADC-configuratie en hoe deze verschillende variabelen de algehele nauwkeurigheid van het systeem beïnvloeden. Het volgende artikel in deze reeks legt uit hoe u uw systeemontwerp en algehele systeemfoutbudget kunt optimaliseren om de gewenste prestaties te behalen.
Plaatsingstijd: 30-09-2022