Dit is it earste artikel yn in searje fan twa dielen. Dit artikel sil earst de skiednis en ûntwerpútdagings fan besprekketemperatuer basearre op termistormjitsystemen, lykas har ferliking mei temperatuermjitsystemen mei wjerstânstermometers (RTD). It sil ek de kar fan termistor, konfiguraasje-ôfwagings en it belang fan sigma-delta analoog-nei-digitale converters (ADC's) yn dit tapassingsgebiet beskriuwe. It twadde artikel sil detaillearre útlizze hoe't it definitive mjitsysteem op basis fan termistor optimalisearre en evaluearre wurde kin.
Lykas beskreaun yn 'e foarige artikelsearje, Optimalisearjen fan RTD-temperatuersensorsystemen, is in RTD in wjerstân waans wjerstân farieart mei de temperatuer. Termistors wurkje fergelykber mei RTD's. Oars as RTD's, dy't allinich in positive temperatuerkoëffisjint hawwe, kin in termistor in positive of negative temperatuerkoëffisjint hawwe. Negative temperatuerkoëffisjint (NTC)-termistoren ferminderje har wjerstân as de temperatuer oprint, wylst positive temperatuerkoëffisjint (PTC)-termistoren har wjerstân ferheegje as de temperatuer oprint. Op fig. 1 wurde de reaksjekarakteristiken fan typyske NTC- en PTC-termistoren toand en fergelike mei RTD-krommen.
Wat it temperatuerberik oanbelanget, is de RTD-kromme hast lineêr, en de sensor beslacht in folle breder temperatuerberik as termistors (meastal -200 °C oant +850 °C) fanwegen de net-lineêre (eksponentiële) aard fan 'e termistor. RTD's wurde meastentiids levere yn bekende standerdisearre krommen, wylst termistorkrommen ferskille per fabrikant. Wy sille dit yn detail beprate yn 'e seksje termistorseleksjegids fan dit artikel.
Termistors wurde makke fan gearstalde materialen, meastentiids keramyk, polymearen of healgeleiders (meastal metaaloksiden) en suvere metalen (platina, nikkel of koper). Termistors kinne temperatuerferoarings rapper detektearje as RTD's, wêrtroch't se rapper feedback jouwe. Dêrom wurde termistors faak brûkt troch sensoren yn tapassingen dy't lege kosten, lytse grutte, rapper antwurd, hegere gefoelichheid en in beheind temperatuerberik fereaskje, lykas elektroanikakontrôle, hûs- en geboukontrôle, wittenskiplike laboratoaria, of kâlde junction-kompensaasje foar thermokoppels yn kommersjele of yndustriële tapassingen. Tapassingen.
Yn 'e measte gefallen wurde NTC-termistors brûkt foar krekte temperatuermjitting, net PTC-termistors. Guon PTC-termistors binne beskikber dy't brûkt wurde kinne yn oerstreambeskermingskringen of as weromsette lonten foar feiligensapplikaasjes. De wjerstân-temperatuerkromme fan in PTC-termistor lit in heul lyts NTC-gebiet sjen foardat it skeakelpunt (of Curie-punt) berikt wurdt, wêrboppe de wjerstân skerp tanimt mei ferskate oarders fan grutte yn it berik fan ferskate graden Celsius. Under oerstreamomstannichheden sil de PTC-termistor sterke selsferwaarming generearje as de skeakeltemperatuer oerskreden wurdt, en syn wjerstân sil skerp tanimme, wat de ynfierstroom nei it systeem sil ferminderje, wêrtroch skea foarkomt. It skeakelpunt fan PTC-termistors leit typysk tusken 60 °C en 120 °C en is net geskikt foar it kontrolearjen fan temperatuermjittingen yn in breed skala oan tapassingen. Dit artikel rjochtet him op NTC-termistors, dy't typysk temperatueren kinne mjitte of kontrolearje fan -80 °C oant +150 °C. NTC-termistoren hawwe wjerstânsbeoardielingen dy't fariearje fan in pear ohm oant 10 MΩ by 25 °C. Lykas te sjen is yn fig. 1, is de feroaring yn wjerstân per graad Celsius foar termistors mear útsprutsen as foar wjerstânstermometers. Yn ferliking mei termistors ferienfâldigje de hege gefoelichheid en hege wjerstânswearde fan 'e termistor syn ynfiersirkwy, om't termistors gjin spesjale bedradingskonfiguraasje nedich binne, lykas 3-trieds of 4-trieds, om te kompensearjen foar leadwjerstân. It termistorûntwerp brûkt allinich in ienfâldige 2-triedskonfiguraasje.
Heechpresyzje temperatuermjitting basearre op termistor fereasket krekte sinjaalferwurking, analoog-nei-digitale konverzje, linearisaasje en kompensaasje, lykas te sjen is yn fig. 2.
Hoewol't de sinjaalketen ienfâldich liket, binne d'r ferskate kompleksiteiten dy't ynfloed hawwe op 'e grutte, kosten en prestaasjes fan it heule moederbord. De presyzje ADC-portfolio fan ADI omfettet ferskate yntegreare oplossingen, lykas de AD7124-4/AD7124-8, dy't in oantal foardielen biede foar it ûntwerp fan termyske systemen, om't de measte boublokken dy't nedich binne foar in applikaasje ynboud binne. D'r binne lykwols ferskate útdagings by it ûntwerpen en optimalisearjen fan temperatuermjittingsoplossingen basearre op termistor.
Dit artikel besprekt elk fan dizze problemen en jout oanbefellings foar it oplossen dêrfan en it fierder ferienfâldigjen fan it ûntwerpproses foar sokke systemen.
Der binne in breed ferskaat oanNTC-termistorsop 'e merk hjoed, dus it kiezen fan 'e juste termistor foar jo tapassing kin in lestige taak wêze. Tink derom dat termistors wurde neamd op har nominale wearde, dat is har nominale wjerstân by 25 °C. Dêrom hat in 10 kΩ termistor in nominale wjerstân fan 10 kΩ by 25 °C. Termistors hawwe nominale of basiswjerstânswearden fariearjend fan in pear ohm oant 10 MΩ. Termistors mei lege wjerstânsbeoardielingen (nominale wjerstân fan 10 kΩ of minder) stypje typysk legere temperatuerberik, lykas -50 °C oant +70 °C. Termistors mei hegere wjerstânsbeoardielingen kinne temperatueren oant 300 °C wjerstean.
It termistorelemint is makke fan metaalokside. Termistors binne beskikber yn bal-, radiale en SMD-foarmen. Termistorkralen binne epoxy-coated of glês-ynkapsulearre foar ekstra beskerming. Epoxy-coated baltermistors, radiale en oerflaktermistors binne geskikt foar temperatueren oant 150 °C. Glêzen kralentermistors binne geskikt foar it mjitten fan hege temperatueren. Alle soarten coatings/ferpakking beskermje ek tsjin korrosje. Guon termistors sille ek ekstra behuizingen hawwe foar ekstra beskerming yn rûge omjouwings. Kraaltermistors hawwe in fluggere reaksjetiid as radiale/SMD-termistors. Se binne lykwols net sa duorsum. Dêrom hinget it type termistor dat brûkt wurdt ôf fan 'e eintapassing en de omjouwing wêryn't de termistor him befynt. De lange-termyn stabiliteit fan in termistor hinget ôf fan syn materiaal, ferpakking en ûntwerp. Bygelyks, in epoxy-coated NTC-termistor kin 0,2 °C per jier feroarje, wylst in fersegele termistor mar 0,02 °C per jier feroaret.
Termistors komme yn ferskillende krektens. Standert termistors hawwe typysk in krektens fan 0,5 °C oant 1,5 °C. De termistorresistinsje en beta-wearde (ferhâlding fan 25 °C oant 50 °C / 85 °C) hawwe in tolerânsje. Tink derom dat de beta-wearde fan 'e termistor ferskilt per fabrikant. Bygelyks, 10 kΩ NTC-termistors fan ferskate fabrikanten sille ferskillende beta-wearden hawwe. Foar krektere systemen kinne termistors lykas de Omega™ 44xxx-searje brûkt wurde. Se hawwe in krektens fan 0,1 °C of 0,2 °C oer in temperatuerberik fan 0 °C oant 70 °C. Dêrom bepaalt it berik fan temperatueren dy't mjitten wurde kinne en de fereaske krektens oer dat temperatuerberik oft termistors geskikt binne foar dizze tapassing. Tink derom dat hoe heger de krektens fan 'e Omega 44xxx-searje, hoe heger de kosten.
Om wjerstân nei graden Celsius om te setten, wurdt meastal de beta-wearde brûkt. De beta-wearde wurdt bepaald troch de twa temperatuerpunten en de oerienkommende wjerstân op elk temperatuerpunt te kennen.
RT1 = Temperatuerwjerstân 1 RT2 = Temperatuerwjerstân 2 T1 = Temperatuer 1 (K) T2 = Temperatuer 2 (K)
De brûker brûkt de beta-wearde dy't it tichtst by it temperatuerberik leit dat yn it projekt brûkt wurdt. De measte termistor-datasheets listje in beta-wearde tegearre mei in wjerstânstolerânsje by 25 °C en in tolerânsje foar de beta-wearde.
Hegere presyzje termistors en hege presyzje terminaasje-oplossingen lykas de Omega 44xxx-searje brûke de Steinhart-Hart-fergeliking om wjerstân om te setten nei graden Celsius. Fergeliking 2 fereasket de trije konstanten A, B en C, opnij levere troch de sensorfabrikant. Omdat de fergelikingskoëffisiënten generearre wurde mei trije temperatuerpunten, minimalisearret de resultearjende fergeliking de flater dy't yntrodusearre wurdt troch linearisaasje (typysk 0,02 °C).
A, B en C binne konstanten ôflaat fan trije temperatuerynstellingspunten. R = termistorwjerstân yn ohm T = temperatuer yn K graden
Op fig. 3 wurdt de stroomoanstjoering fan 'e sensor werjûn. De oandriuwstroom wurdt tapast op 'e termistor en deselde stroom wurdt tapast op 'e presyzjewjerstân; in presyzjewjerstân wurdt brûkt as referinsje foar mjitting. De wearde fan 'e referinsjewjerstân moat grutter wêze as of gelyk oan de heechste wearde fan 'e termistorwjerstân (ôfhinklik fan 'e leechste temperatuer dy't yn it systeem metten is).
By it selektearjen fan 'e oanstjoerstroom moat de maksimale wjerstân fan 'e termistor opnij yn rekken brocht wurde. Dit soarget derfoar dat de spanning oer de sensor en de referinsjewjerstân altyd op in nivo is dat akseptabel is foar de elektroanika. De fjildstroomboarne fereasket wat romte of útfieroanpassing. As de termistor in hege wjerstân hat by de leechste mjitbere temperatuer, sil dit resultearje yn in heul lege oandriuwstroom. Dêrom is de spanning dy't by hege temperatuer oer de termistor generearre wurdt lyts. Programmeerbere fersterkingsstadia kinne brûkt wurde om de mjitting fan dizze leechnivo-sinjalen te optimalisearjen. De fersterking moat lykwols dynamysk programmearre wurde, om't it sinjaalnivo fan 'e termistor sterk farieart mei de temperatuer.
In oare opsje is om de fersterking yn te stellen, mar dynamyske oandriuwstroom te brûken. Dêrom, as it sinjaalnivo fan 'e termistor feroaret, feroaret de wearde fan 'e oandriuwstroom dynamysk, sadat de spanning dy't oer de termistor ûntwikkele wurdt binnen it oantsjutte ynfierberik fan it elektroanyske apparaat leit. De brûker moat derfoar soargje dat de spanning dy't oer de referinsjewjerstân ûntwikkele wurdt ek op in nivo is dat akseptabel is foar de elektroanika. Beide opsjes fereaskje in hege nivo fan kontrôle, konstante monitoaring fan 'e spanning oer de termistor, sadat de elektroanika it sinjaal mjitte kin. Is d'r in makliker opsje? Beskôgje spanningsoanstjoering.
As der in gelijkspanning tapast wurdt op 'e termistor, skaalet de stroom troch de termistor automatysk as de wjerstân fan 'e termistor feroaret. No, mei in presyzje-mjitwjerstân ynstee fan in referinsjewjerstân, is it doel om de stroom troch de termistor te berekkenjen, wêrtroch't de termistorwjerstân berekkene wurde kin. Om't de oandriuwspanning ek brûkt wurdt as it ADC-referinsjesignaal, is gjin fersterkingstrap nedich. De prosessor hat net de taak om de termistorspanning te kontrolearjen, te bepalen oft it sinjaalnivo troch de elektroanika metten wurde kin, en te berekkenjen hokker oandriuwfersterkings-/stroomwearde oanpast wurde moat. Dit is de metoade dy't yn dit artikel brûkt wurdt.
As de termistor in lytse wjerstânswurdearring en wjerstânsberik hat, kin spanning- of stroomoanstjoering brûkt wurde. Yn dit gefal kinne de oandriuwstroom en fersterking fêststeld wurde. Sa sil it sirkwy der útsjen lykas werjûn yn figuer 3. Dizze metoade is handich om't it mooglik is om de stroom fia de sensor en de referinsjewjerstân te kontrolearjen, wat weardefol is yn tapassingen mei leech fermogen. Derneist wurdt selsferwaarming fan 'e termistor minimalisearre.
Spanningsoanstjoering kin ek brûkt wurde foar termistors mei lege wjerstânswurdearrings. De brûker moat lykwols altyd derfoar soargje dat de stroom troch de sensor net te heech is foar de sensor of tapassing.
Spanningsoanstjoering ferienfâldiget de ymplemintaasje by it brûken fan in termistor mei in grutte wjerstânswurdearring en in breed temperatuerberik. In gruttere nominale wjerstân soarget foar in akseptabel nivo fan nominale stroom. Untwerpers moatte lykwols derfoar soargje dat de stroom op in akseptabel nivo is oer it heule temperatuerberik dat troch de applikaasje stipe wurdt.
Sigma-Delta ADC's biede ferskate foardielen by it ûntwerpen fan in termistor-mjitsysteem. Earst, om't de sigma-delta ADC de analoge ynfier opnij samplet, wurdt eksterne filterjen minimaal hâlden en is de ienige eask in ienfâldich RC-filter. Se biede fleksibiliteit yn filtertype en útfier-baudrate. Ynboude digitale filterjen kin brûkt wurde om ynterferinsje yn apparaten op it net te ûnderdrukken. 24-bit apparaten lykas de AD7124-4/AD7124-8 hawwe in folsleine resolúsje fan maksimaal 21,7 bits, sadat se in hege resolúsje leverje.
It gebrûk fan in sigma-delta ADC ferienfâldiget it ûntwerp fan 'e termistor sterk, wylst it spesifikaasje, systeemkosten, boerdromte en tiid oant de merk ferminderet.
Dit artikel brûkt de AD7124-4/AD7124-8 as de ADC, om't it presyzje-ADC's binne mei leech ruis, lege stroomsterkte en ynboude PGA, ynboude referinsje, analoge ynfier en referinsjebuffer.
Oft jo no oandriuwstroom of oandriuwspanning brûke, in ratiometryske konfiguraasje wurdt oanrikkemandearre wêrby't de referinsjespanning en sensorspanning fan deselde oandriuwboarne komme. Dit betsjut dat elke feroaring yn 'e oandriuwingsboarne gjin ynfloed sil hawwe op 'e krektens fan' e mjitting.
Op fig. 5 wurdt de konstante oandriuwstroom foar de termistor en presyzjewjerstân RREF toand, de spanning dy't oer RREF ûntwikkele wurdt is de referinsjespanning foar it mjitten fan de termistor.
De fjildstroom hoecht net akkuraat te wêzen en kin minder stabyl wêze, om't alle flaters yn 'e fjildstroom yn dizze konfiguraasje eliminearre wurde. Yn 't algemien wurdt stroomoanstjoering foarkar jûn boppe spanningoanstjoering fanwegen superieure gefoelichheidskontrôle en bettere rûsymmúniteit as de sensor op ôfstân leit. Dit type biasmetoade wurdt typysk brûkt foar RTD's of termistors mei lege wjerstânswearden. Foar in termistor mei in hegere wjerstânswearde en hegere gefoelichheid sil it sinjaalnivo dat troch elke temperatuerferoaring generearre wurdt lykwols grutter wêze, dus wurdt spanningoanstjoering brûkt. Bygelyks, in 10 kΩ termistor hat in wjerstân fan 10 kΩ by 25 °C. By -50 °C is de wjerstân fan 'e NTC-termistor 441.117 kΩ. De minimale oandriuwstroom fan 50 µA levere troch de AD7124-4/AD7124-8 genereart 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat te heech is en bûten it wurkberik fan 'e measte beskikbere ADC's dy't yn dit tapassingsgebiet brûkt wurde. Termistors binne meastal ek ferbûn mei of tichtby de elektroanika pleatst, sadat ymmuniteit foar oandriuwstroom net fereaske is.
It tafoegjen fan in sensorwjerstân yn searje as in spanningsdielersirkwy sil de stroom troch de termistor beheine ta syn minimale wjerstânswearde. Yn dizze konfiguraasje moat de wearde fan 'e sensorwjerstân RSENSE gelyk wêze oan de wearde fan' e termistorwjerstân by in referinsjetemperatuer fan 25 °C, sadat de útgongsspanning gelyk sil wêze oan it middelpunt fan 'e referinsjespanning by syn nominale temperatuer fan 25 °CC. Op deselde wize, as in 10 kΩ termistor mei in wjerstân fan 10 kΩ by 25 °C brûkt wurdt, moat RSENSE 10 kΩ wêze. As de temperatuer feroaret, feroaret de wjerstân fan 'e NTC-termistor ek, en de ferhâlding fan' e oandriuwspanning oer de termistor feroaret ek, wêrtroch't de útgongsspanning evenredich is mei de wjerstân fan 'e NTC-termistor.
As de selektearre spanningsreferinsje dy't brûkt wurdt om de termistor en/of RSENSE oan te driuwen oerienkomt mei de ADC-referinsjespanning dy't brûkt wurdt foar mjitting, wurdt it systeem ynsteld op ratiometryske mjitting (figuer 7), sadat elke oan 'e eksitaasje relatearre flaterspanningsboarne foaroardiele wurdt om te ferwiderjen.
Tink derom dat of de sensorwjerstân (spanningsoandreaun) of de referinsjewjerstân (stroomoandreaun) in lege inisjele tolerânsje en lege drift hawwe moatte, om't beide fariabelen de krektens fan it heule systeem beynfloedzje kinne.
By it brûken fan meardere termistors kin ien oanstjoeringsspanning brûkt wurde. Elke termistor moat lykwols syn eigen presyzjegefoelige wjerstân hawwe, lykas te sjen is yn fig. 8. In oare opsje is om in eksterne multiplexer of skeakel mei lege wjerstân te brûken yn 'e oan-steat, wêrtroch't ien presyzjegefoelige wjerstân dield wurde kin. Mei dizze konfiguraasje hat elke termistor wat ynsteltiid nedich by it mjitten.
Gearfetsjend, by it ûntwerpen fan in op termistor basearre temperatuermjittingssysteem binne d'r in protte fragen om te beskôgjen: sensorseleksje, sensorbedrading, ôfwagings foar komponintseleksje, ADC-konfiguraasje, en hoe't dizze ferskate fariabelen de algemiene krektens fan it systeem beynfloedzje. It folgjende artikel yn dizze searje leit út hoe't jo jo systeemûntwerp en algemiene systeemflaterbudzjet kinne optimalisearje om jo doelprestaasjes te berikken.
Pleatsingstiid: 30 septimber 2022