Dit is het eerste artikel in een tweedelige serie.Dit artikel bespreekt eerst de geschiedenis en ontwerpuitdagingen vanop thermistor gebaseerde temperatuurmeetsystemen, evenals hun vergelijking met temperatuurmeetsystemen met weerstandsthermometers (RTD).Het beschrijft ook de keuze van de thermistor, configuratie-afwegingen en het belang van sigma-delta analoog-digitaalomzetters (ADC's) in dit toepassingsgebied.In het tweede artikel wordt gedetailleerd beschreven hoe het uiteindelijke op thermistor gebaseerde meetsysteem kan worden geoptimaliseerd en geëvalueerd.
Zoals beschreven in de vorige artikelserie, Optimalisatie van RTD-temperatuursensorsystemen, is een RTD een weerstand waarvan de weerstand varieert met de temperatuur.Thermistoren 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.Thermistors met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) verlagen hun weerstand naarmate de temperatuur stijgt, terwijl thermistors met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) hun weerstand verhogen naarmate de temperatuur stijgt.Op afb.1 toont de responskarakteristieken van typische NTC- en PTC-thermistors en vergelijkt deze met RTD-curven.
Wat het temperatuurbereik betreft, is de RTD-curve bijna lineair, en de sensor bestrijkt een veel breder temperatuurbereik dan thermistors (doorgaans -200 °C tot +850 °C) vanwege de niet-lineaire (exponentiële) aard van de thermistor.RTD's worden doorgaans geleverd in bekende gestandaardiseerde curven, terwijl thermistorcurven per fabrikant verschillen.We zullen dit in detail bespreken in het gedeelte over de thermistorselectiegids van dit artikel.
Thermistoren zijn gemaakt van composietmaterialen, meestal keramiek, polymeren of halfgeleiders (meestal metaaloxiden) en zuivere metalen (platina, nikkel of koper).Thermistoren kunnen temperatuurveranderingen sneller detecteren dan RTD's, waardoor snellere feedback wordt gegeven.Daarom worden thermistors vaak gebruikt door sensoren in toepassingen die lage kosten, een klein formaat, een snellere respons, een hogere gevoeligheid en een beperkt temperatuurbereik vereisen, zoals elektronische besturing, huis- en gebouwcontrole, wetenschappelijke laboratoria of koude-junctiecompensatie voor thermokoppels in commerciële toepassingen. of industriële toepassingen.doeleinden.Toepassingen.
In de meeste gevallen worden NTC-thermistors gebruikt voor nauwkeurige temperatuurmetingen, geen PTC-thermistors.Er zijn enkele PTC-thermistors beschikbaar die kunnen worden gebruikt in overstroombeveiligingscircuits of als resetbare zekeringen voor veiligheidstoepassingen.De weerstandstemperatuurcurve van een PTC-thermistor toont een zeer klein NTC-gebied voordat het schakelpunt (of Curie-punt) wordt bereikt, waarboven de weerstand scherp stijgt met verschillende ordes van grootte in het bereik van enkele graden Celsius.Onder overstroomomstandigheden zal de PTC-thermistor sterke zelfverhitting genereren wanneer de schakeltemperatuur wordt overschreden, en zal de weerstand ervan scherp stijgen, waardoor de ingangsstroom naar het systeem wordt verminderd, waardoor schade wordt 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 weerstandswaarden variërend van enkele ohm tot 10 MΩ bij 25 °C.Zoals weergegeven in afb.1 is de weerstandsverandering per graad Celsius voor thermistors groter dan voor weerstandsthermometers.Vergeleken met thermistors vereenvoudigen de hoge gevoeligheid en hoge weerstandswaarde van de thermistor het ingangscircuit, omdat thermistoren geen speciale bedradingsconfiguratie vereisen, zoals 3-draads of 4-draads, om de leidingweerstand te compenseren.Het thermistorontwerp maakt gebruik van slechts een eenvoudige tweedraadsconfiguratie.
Uiterst nauwkeurige temperatuurmetingen op basis van thermistoren vereisen nauwkeurige signaalverwerking, analoog-naar-digitaal-conversie, linearisatie en compensatie, zoals weergegeven in afb.2.
Hoewel de signaalketen misschien eenvoudig lijkt, zijn er verschillende complexiteiten die van invloed zijn op de grootte, kosten en prestaties van het hele moederbord.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, aangezien de meeste bouwstenen die nodig zijn voor een toepassing ingebouwd zijn.Er zijn echter verschillende uitdagingen bij het ontwerpen en optimaliseren van op thermistor gebaseerde oplossingen voor temperatuurmeting.
Dit artikel bespreekt elk van deze problemen en geeft aanbevelingen om deze op te lossen en het ontwerpproces voor dergelijke systemen verder te vereenvoudigen.
Er is een grote verscheidenheid aanNTC-thermistorsdie momenteel op de markt zijn, dus het kiezen van de juiste thermistor voor uw toepassing kan een hele klus zijn.Merk op dat thermistors worden weergegeven op basis van hun nominale waarde, wat hun nominale weerstand bij 25°C is.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.Thermistors met lage weerstandswaarden (nominale weerstand van 10 kΩ of minder) ondersteunen doorgaans lagere temperatuurbereiken, zoals -50°C tot +70°C.Thermistors met hogere weerstandswaarden zijn bestand tegen temperaturen tot 300 °C.
Het thermistorelement is gemaakt van metaaloxide.Thermistoren zijn verkrijgbaar in kogel-, radiale en SMD-vormen.Thermistorkralen zijn voorzien van een epoxycoating of glas ingekapseld voor extra bescherming.Epoxygecoate kogelthermistors, radiale en oppervlaktethermistors zijn geschikt voor temperaturen tot 150°C.Glaskraalthermistors zijn geschikt voor het meten van hoge temperaturen.Alle soorten coatings/verpakkingen beschermen bovendien tegen corrosie.Sommige thermistors hebben ook extra behuizingen voor extra bescherming in ruwe omgevingen.Bead-thermistors hebben een snellere responstijd dan radiale/SMD-thermistors.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 van een thermistor op lange termijn hangt af van het materiaal, de verpakking en het ontwerp ervan.Een met epoxy gecoate NTC-thermistor kan bijvoorbeeld 0,2°C per jaar veranderen, terwijl een afgedichte thermistor slechts 0,02°C per jaar verandert.
Thermistors zijn er in verschillende nauwkeurigheid.Standaardthermistors hebben doorgaans een nauwkeurigheid van 0,5 °C tot 1,5 °C.De thermistorweerstandswaarde en bètawaarde (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.NTC-thermistors van 10 kΩ van verschillende fabrikanten hebben bijvoorbeeld verschillende bètawaarden.Voor nauwkeurigere 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 bepalen het temperatuurbereik dat kan worden gemeten en de vereiste nauwkeurigheid over dat temperatuurbereik of thermistors geschikt zijn voor deze toepassing.Houd er rekening mee dat hoe hoger de nauwkeurigheid van de Omega 44xxx-serie, hoe hoger de kosten.
Om de weerstand om te rekenen naar graden Celsius wordt meestal de bètawaarde gebruikt.De bètawaarde wordt bepaald door de twee temperatuurpunten en de bijbehorende 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 ligt dat in het project wordt gebruikt.De meeste thermistordatabladen vermelden een bètawaarde samen met een weerstandstolerantie bij 25°C en een tolerantie voor de bètawaarde.
Thermistoren met hogere precisie en afsluitoplossingen met hoge precisie, zoals de Omega 44xxx-serie, gebruiken de Steinhart-Hart-vergelijking om de weerstand om te zetten in graden Celsius.Vergelijking 2 vereist de drie constanten A, B en C, opnieuw geleverd door de sensorfabrikant.Omdat de vergelijkingscoëfficiënten worden gegenereerd met behulp van drie temperatuurpunten, minimaliseert de resulterende vergelijking de fout die wordt geïntroduceerd door linearisatie (typisch 0,02 °C).
A, B en C zijn constanten afgeleid van drie temperatuurinstelpunten.R = thermistorweerstand in ohm T = temperatuur in K graden
Op afb.3 toont de huidige excitatie van de sensor.Aandrijfstroom wordt toegepast op de thermistor en dezelfde stroom wordt toegepast op de precisieweerstand;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 bekrachtigingsstroom 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 voor de elektronica acceptabel niveau ligt.De veldstroombron vereist enige speelruimte of uitgangsaanpassing.Als de thermistor een hoge weerstand heeft bij de laagst meetbare temperatuur, zal dit resulteren in een zeer lage aandrijfstroom.Daarom is de spanning die bij hoge temperaturen over de thermistor wordt gegenereerd, klein.Programmeerbare versterkingstrappen kunnen worden gebruikt om de meting van deze signalen met een 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 dynamische aandrijfstroom te gebruiken.Naarmate het signaalniveau van de thermistor verandert, verandert de stuurstroomwaarde dynamisch, zodat de over de thermistor ontwikkelde spanning binnen het gespecificeerde ingangsbereik van het elektronische apparaat ligt.De gebruiker moet ervoor zorgen dat de spanning die over de referentieweerstand wordt ontwikkeld ook op een niveau ligt dat aanvaardbaar is voor de elektronica.Beide opties vereisen een hoog niveau van controle en constante monitoring van de spanning over de thermistor, zodat de elektronica het signaal kan meten.Is er een gemakkelijkere optie?Denk aan spanningsexcitatie.
Wanneer gelijkspanning op de thermistor wordt toegepast, wordt de stroom door de thermistor automatisch geschaald naarmate de weerstand van de thermistor verandert.Met behulp van een precisiemeetweerstand in plaats van een referentieweerstand is het doel nu om de stroom te berekenen die door de thermistor vloeit, waardoor de thermistorweerstand kan worden berekend.Omdat de stuurspanning ook als ADC-referentiesignaal wordt gebruikt, is er geen versterkingstrap vereist.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 aandrijfversterking/stroomwaarde moet worden aangepast.Dit is de methode die in dit artikel wordt gebruikt.
Als de thermistor een kleine weerstandswaarde en weerstandsbereik heeft, kan spannings- of stroombekrachtiging worden gebruikt.In dit geval kunnen de aandrijfstroom en -versterking worden vastgesteld.Het circuit ziet er dus uit zoals weergegeven in figuur 3. Deze methode is handig omdat het mogelijk is de stroom door de sensor en de referentieweerstand te regelen, wat waardevol is bij toepassingen met laag vermogen.Bovendien wordt de zelfverhitting van de thermistor geminimaliseerd.
Spanningsexcitatie kan ook worden gebruikt voor thermistoren met lage weerstandswaarden.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 grote weerstandswaarde en een breed temperatuurbereik.Een grotere nominale weerstand zorgt voor 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 bemonstert, wordt externe filtering tot een minimum beperkt en is de enige vereiste een eenvoudig RC-filter.Ze bieden flexibiliteit in het filtertype en de baudsnelheid van de uitvoer.Ingebouwde digitale filtering kan worden gebruikt om eventuele interferentie in op netvoeding aangesloten apparaten te onderdrukken.24-bits apparaten zoals de AD7124-4/AD7124-8 hebben een volledige resolutie van maximaal 21,7 bits en bieden dus een hoge resolutie.
Het gebruik van een Sigma-Delta ADC vereenvoudigt het thermistorontwerp aanzienlijk, terwijl de specificaties, systeemkosten, kaartruimte en time-to-market worden verminderd.
In dit artikel wordt de AD7124-4/AD7124-8 als de ADC gebruikt, omdat dit nauwkeurige ADC's met weinig ruis, lage stroomsterkte en ingebouwde PGA, ingebouwde referentie, analoge ingang en referentiebuffer zijn.
Ongeacht of u aandrijfstroom of aandrijfspanning gebruikt, wordt een ratiometrische configuratie aanbevolen waarbij de referentiespanning en sensorspanning afkomstig zijn van dezelfde aandrijfbron.Dit betekent dat elke verandering in de excitatiebron de nauwkeurigheid van de meting niet zal beïnvloeden.
Op afb.5 toont de constante aandrijfstroom voor de thermistor en precisieweerstand RREF; de spanning die over RREF wordt ontwikkeld is de referentiespanning voor het meten van de thermistor.
De veldstroom hoeft niet nauwkeurig te zijn en kan minder stabiel zijn, aangezien eventuele fouten in de veldstroom in deze configuratie worden geëlimineerd.Over het algemeen heeft stroomexcitatie 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 door elke temperatuurverandering wordt gegenereerd echter groter zijn, dus wordt spanningsexcitatie gebruikt.Een thermistor van 10 kΩ 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 aandrijfstroom van 50 µA die door de AD7124-4/AD7124-8 wordt geleverd, genereert 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat te hoog is en buiten het werkbereik ligt van de meeste beschikbare ADC's die in dit toepassingsgebied worden gebruikt.Thermistors zijn meestal ook aangesloten of bevinden zich in de buurt van de elektronica, dus immuniteit voor aandrijfstroom is niet vereist.
Door een detectieweerstand in serie toe te voegen als spanningsdelercircuit wordt de stroom door de thermistor beperkt tot de minimale weerstandswaarde.In deze configuratie moet de waarde van de detectieweerstand RSENSE 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 Op dezelfde manier, als een thermistor van 10 kΩ 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 ook de verhouding van de aandrijfspanning 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 voor de meting wordt gebruikt, wordt het systeem ingesteld op ratiometrische meting (Afbeelding 7), zodat eventuele excitatiegerelateerde foutspanningsbronnen zullen worden verwijderd.
Houd er rekening mee dat de detectieweerstand (spanningsgestuurd) of de referentieweerstand (stroomgestuurd) een lage initiële tolerantie en lage drift moet hebben, omdat beide variabelen de nauwkeurigheid van het hele systeem kunnen beïnvloeden.
Bij gebruik van meerdere thermistors kan één bekrachtigingsspanning worden gebruikt.Elke thermistor moet echter zijn eigen nauwkeurige detectieweerstand hebben, zoals weergegeven in Fig.8. Een andere optie is het gebruik van een externe multiplexer of schakelaar met lage weerstand in de aan-stand, waardoor het delen van één precisie-detectieweerstand mogelijk is.Bij deze configuratie heeft elke thermistor bij metingen enige rusttijd nodig.
Samenvattend zijn er bij het ontwerpen van een op thermistor gebaseerd temperatuurmeetsysteem veel vragen waarmee rekening moet worden gehouden: sensorselectie, sensorbedrading, afwegingen bij componentselectie, ADC-configuratie en hoe deze verschillende variabelen de algehele nauwkeurigheid van het systeem beïnvloeden.In het volgende artikel in deze serie wordt uitgelegd hoe u uw systeemontwerp en het algehele systeemfoutbudget kunt optimaliseren om uw beoogde prestaties te bereiken.
Posttijd: 30 september 2022