Dit is it earste artikel yn in twadielige searje.Dit artikel sil earst beprate de skiednis en ûntwerp útdagings fanthermistor-basearre temperatuermjitsystemen, lykas har fergeliking mei wjerstânsthermometer (RTD) temperatuermjitsystemen.It sil ek beskriuwe de kar fan termistor, konfiguraasje trade-offs, en it belang fan sigma-delta analog-to-digital converters (ADCs) yn dit tapassing gebiet.It twadde artikel sil detaillearje hoe't jo it definitive mjitsysteem op termistorbasis kinne optimisearje en evaluearje.
Lykas beskreaun yn 'e foarige artikelsearje, Optimalisearjen fan RTD-temperatuersensorsystemen, is in RTD in wjerstân wêrfan de wjerstân fariearret mei temperatuer.Thermistors wurkje fergelykber mei RTD's.Oars as RTD's, dy't allinich in positive temperatuerkoëffisjint hawwe, kin in thermistor in positive of negative temperatuerkoëffisjint hawwe.Negative temperatuer koëffisjint (NTC) termistors ferminderje harren wjerstân as de temperatuer nimt ta, wylst positive temperatuer koëffisjint (PTC) termistors fergrutsje harren wjerstân as de temperatuer nimt ta.Op fig.1 toant de antwurdkarakteristiken fan typyske NTC- en PTC-thermistors en fergeliket se mei RTD-kurven.
Yn termen fan temperatuerberik is de RTD-kromme hast lineêr, en de sensor beslacht in folle breder temperatuerberik dan termistors (typysk -200 ° C oant +850 ° C) fanwegen de net-lineêre (eksponinsjele) aard fan 'e termistor.RTD's wurde meastentiids foarsjoen yn bekende standerdisearre bochten, wylst termistorkurven fariearje troch fabrikant.Wy sille dit yn detail beprate yn 'e seksje foar seleksje fan termistors fan dit artikel.
Thermistors wurde makke fan gearstalde materialen, meastentiids keramyk, polymearen, of semiconductors (meastentiids metaal oksiden) en suvere metalen (platina, nikkel, of koper).Thermistors kinne temperatuerferoaringen rapper detektearje dan RTD's, en leverje rapper feedback.Dêrom wurde termistors faak brûkt troch sensoren yn tapassingen dy't lege kosten, lytse grutte, rapper antwurd, hegere gefoelichheid en beheind temperatuerberik fereaskje, lykas elektroanikakontrôle, hûs- en geboukontrôle, wittenskiplike laboratoaren, as kompensaasje foar kâlde junction foar thermocouples yn kommersjeel of yndustriële applikaasjes.doelen.Oanfraach.
Yn 'e measte gefallen wurde NTC-thermistors brûkt foar krekte temperatuermjitting, net PTC-thermistors.Guon PTC-thermistors binne beskikber dy't kinne wurde brûkt yn oerstreamingsbeskermingscircuits as as weromsettebare lont foar feiligensapplikaasjes.De wjerstân-temperatuerkromme fan in PTC-termistor lit in tige lyts NTC-regio sjen foardat it skeakelpunt (of Curie-punt) berikt wurdt, dêr't de wjerstân yn ferskate graden Celsius skerp opstiet mei ferskate oarders fan grutte.Under oerstreamende omstannichheden sil de PTC-thermistor in sterke selsferwaarming generearje as de skeakeltemperatuer wurdt overschreden, en har wjerstân sil sterk tanimme, wat de ynfierstroom nei it systeem sil ferminderje, sadat skea foarkomt.It skeakelpunt fan PTC-thermistors is 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-thermistors, dy't typysk temperatueren fan -80 °C oant +150 °C kinne mjitte of kontrolearje.NTC-thermistors hawwe wjerstânswurdearrings fariearjend fan in pear ohm oant 10 MΩ by 25 ° C.As werjûn yn fig.1, de feroaring yn wjerstân per graad Celsius foar termistors is mear útsprutsen as foar wjerstân thermometers.Yn ferliking mei thermistors ferienfâldigje de hege gefoelichheid en hege wjerstânswearde fan 'e thermistor syn ynfiersirkwy, om't thermistors gjin spesjale wiringkonfiguraasje nedich binne, lykas 3-wire of 4-wire, om te kompensearjen foar leadresistinsje.Thermistor-ûntwerp brûkt allinich in ienfâldige 2-wire-konfiguraasje.
Thermistor-basearre temperatuermjitting mei hege presyzje fereasket krekte sinjaalferwurking, analoog-nei-digitale konverzje, linearisaasje en kompensaasje, lykas werjûn yn fig.2.
Hoewol de sinjaalketen ienfâldich liket, binne d'r ferskate kompleksiteiten dy't ynfloed hawwe op 'e grutte, kosten en prestaasjes fan it heule moederbord.ADI's presys ADC-portfolio omfettet ferskate yntegreare oplossingen, lykas de AD7124-4 / AD7124-8, dy't in oantal foardielen leverje foar thermysk systeemûntwerp, om't de measte boustiennen dy't nedich binne foar in applikaasje binne ynboud.D'r binne lykwols ferskate útdagings by it ûntwerpen en optimalisearjen fan oplossings foar temperatuermjittingen op termistorbasis.
Dit artikel besprekt elk fan dizze problemen en jout oanbefellings foar it oplossen fan se en it fierder ferienfâldigjen fan it ûntwerpproses foar sokke systemen.
Der binne in breed ferskaat oanNTC termistorshjoed op 'e merke, dus it kiezen fan' e juste termistor foar jo applikaasje kin in drege taak wêze.Tink derom dat termistors wurde neamd troch 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.Thermistors hawwe nominale as basis wjerstân wearden fariearjend fan in pear ohm oant 10 MΩ.Thermistors mei lege wjerstân wurdearrings (nominale wjerstân fan 10 kΩ of minder) typysk stypje legere temperatuer berik, lykas -50 ° C oant +70 ° C.Thermistors mei hegere fersetwurdearrings kinne temperatueren oant 300 ° C wjerstean.
Thermistor elemint is makke fan metaal okside.Thermistors binne beskikber yn bal, radiale en SMD foarmen.Thermistor kralen binne epoksy coated as glês ynkapsele foar tafoege beskerming.Epoksy-coated balthermistors, radiale en oerflakthermistors binne geskikt foar temperatueren oant 150 ° C.Thermistoren fan glêskralen binne geskikt foar it mjitten fan hege temperatueren.Alle soarten coatings / ferpakking beskermje ek tsjin korrosje.Guon termistors sille ek ekstra húsfesting hawwe foar tafoege beskerming yn hurde omjouwings.Bead-thermistors hawwe in rappere reaksjetiid dan radiale / SMD-thermistors.Se binne lykwols net sa duorsum.Dêrom is it brûkte type thermistor ôfhinklik fan 'e einapplikaasje en de omjouwing wêryn't de thermistor leit.De stabiliteit op lange termyn fan in termistor hinget ôf fan syn materiaal, ferpakking en ûntwerp.Bygelyks, in epoksy-coated NTC-thermistor kin 0,2 ° C per jier feroarje, wylst in fersegele termistor allinich 0,02 ° C per jier feroaret.
Thermistors komme yn ferskillende krektens.Standert termistors hawwe typysk in krektens fan 0,5 ° C oant 1,5 ° C.Thermistor ferset wurdearring en beta wearde (ferhâlding fan 25 ° C oant 50 ° C / 85 ° C) hawwe in tolerânsje.Tink derom dat de beta-wearde fan 'e thermistor per fabrikant ferskilt.Bygelyks, 10 kΩ NTC-thermistors fan ferskate fabrikanten sille ferskillende beta-wearden hawwe.Foar krekter 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 dat kin wurde mjitten en de krektens dy't nedich binne oer dat temperatuerberik oft thermistoren geskikt binne foar dizze tapassing.Tink derom dat hoe heger de krektens fan 'e Omega 44xxx-searje, hoe heger de kosten.
Om wjerstân te konvertearjen nei graden Celsius wurdt normaal de beta-wearde brûkt.De beta-wearde wurdt bepaald troch de twa temperatuerpunten te kennen en de oerienkommende wjerstân op elk temperatuerpunt.
RT1 = Temperatuer ferset 1 RT2 = Temperatuer ferset 2 T1 = Temperatuer 1 (K) T2 = Temperatuer 2 (K)
De brûker brûkt de beta-wearde dy't it tichtst by it temperatuerberik brûkt wurdt yn it projekt.De measte termistordatablêden listje in beta-wearde tegearre mei in fersettolerânsje by 25 ° C en in tolerânsje foar de beta-wearde.
Hegere presyzje-thermistors en oplossings foar beëiniging mei hege presyzje lykas de Omega 44xxx-searje brûke de Steinhart-Hart-fergeliking om wjerstân te konvertearjen nei graden Celsius.Fergeliking 2 fereasket de trije konstanten A, B en C, wer levere troch de sensorfabrikant.Om't de fergelikingskoëffisjinten wurde generearre mei trije temperatuerpunten, minimalisearret de resultearjende fergeliking de flater dy't troch linearisaasje ynfierd wurdt (typysk 0,02 °C).
A, B en C binne konstanten ôflaat fan trije temperatuer setpoints.R = termistorresistinsje yn ohm T = temperatuer yn K graden
Op fig.3 toant de hjoeddeistige opwekking fan 'e sensor.Drive stroom wurdt tapast oan de termistor en deselde stroom wurdt tapast oan de presyzje wjerstân;in presyzje wjerstân wurdt brûkt as referinsje foar mjitting.De wearde fan de referinsje wjerstân moat wêze grutter as of gelyk oan de heechste wearde fan de termistor wjerstân (ôfhinklik fan de leechste temperatuer mjitten yn it systeem).
By it selektearjen fan de excitaasjestroom moat de maksimale wjerstân fan 'e thermistor wer rekken holden wurde.Dit soarget derfoar dat de spanning oer de sensor en de referinsje wjerstân is altyd op in nivo akseptabel foar de elektroanika.De fjildaktuele boarne fereasket wat headroom as output-oerienkomst.As de thermistor in hege wjerstân hat by de leechste mjitbere temperatuer, sil dit resultearje yn in tige lege driuwstrom.Dêrom, de spanning generearre oer de thermistor by hege temperatuer is lyts.Programmierbere fersterkingsstadia kinne brûkt wurde om de mjitting fan dizze sinjalen op leech nivo te optimalisearjen.De winst moat lykwols dynamysk programmearre wurde, om't it sinjaalnivo fan 'e thermistor sterk feroaret mei temperatuer.
In oare opsje is om de winst yn te stellen, mar dynamyske driuwstrom te brûken.Dêrom, as it sinjaalnivo fan 'e thermistor feroaret, feroaret de driuwstroomwearde dynamysk, sadat de spanning ûntwikkele oer de thermistor binnen it oantsjutte ynfierberik fan it elektroanyske apparaat is.De brûker moat soargje dat de spanning ûntwikkele oer de referinsje wjerstân is ek op in nivo akseptabel foar de elektroanika.Beide opsjes fereaskje in heech nivo fan kontrôle, konstante tafersjoch op de spanning oer de thermistor sadat de elektroanika kin mjitte it sinjaal.Is der in maklikere opsje?Tink oan spanning excitation.
As DC-spanning wurdt tapast op de termistor, wurdt de stroom troch de termistor automatysk skalen as de wjerstân fan de termistor feroaret.No, mei help fan in presyzje mjitten wjerstân ynstee fan in referinsje wjerstân, har doel is om te berekkenjen de hjoeddeiske streamt troch de termistor, sadat de termistor wjerstân wurde berekkene.Sûnt de oandriuwspanning wurdt ek brûkt as de ADC referinsje sinjaal, gjin winst poadium is nedich.De prosessor hat net de taak fan in tafersjoch op de termistor voltage, bepale oft it sinjaal nivo kin wurde metten troch de elektroanika, en berekkenjen hokker driuwfear winst / hjoeddeistige wearde moat wurde oanpast.Dit is de metoade brûkt yn dit artikel.
As de thermistor in lyts fersetwurdearring en fersetberik hat, kin spanning as aktuele excitaasje brûkt wurde.Yn dit gefal kinne de driuwstrom en winst wurde fêststeld.Sa sil it circuit wêze lykas werjûn yn figuer 3. Dizze metoade is handich yn dat it mooglik is om de stroom te kontrolearjen troch de sensor en de referinsjeresistor, dy't weardefol is yn applikaasjes mei lege macht.Derneist wurdt selsferwaarming fan 'e thermistor minimalisearre.
Voltage excitation kin ek brûkt wurde foar termistors mei lege wjerstân wurdearrings.De brûker moat lykwols altyd soargje dat de stroom troch de sensor net te heech is foar de sensor of applikaasje.
Voltage excitation simplifies ymplemintaasje by it brûken fan in thermistor mei in grutte ferset wurdearring en in breed temperatuer berik.Gruttere nominale wjerstân soarget foar in akseptabel nivo fan nominearre stroom.Untwerpers moatte lykwols soargje dat de stroom op in akseptabel nivo is oer it heule temperatuerberik stipe troch de applikaasje.
Sigma-Delta ADC's biede ferskate foardielen by it ûntwerpen fan in termistormjitsysteem.Earst, om't de sigma-delta ADC de analoge ynput resamples, wurdt eksterne filtering op in minimum hâlden en de ienige eask is in ienfâldich RC-filter.Se jouwe fleksibiliteit yn filter type en output baud rate.Ynboude digitale filtering kin brûkt wurde om elke ynterferinsje yn net-oandreaune apparaten te ûnderdrukken.24-bit-apparaten lykas de AD7124-4 / AD7124-8 hawwe in folsleine resolúsje fan oant 21,7 bits, sadat se in hege resolúsje leverje.
It brûken fan in sigma-delta ADC ferienfâldiget it termistorûntwerp sterk, wylst spesifikaasje, systeemkosten, boardromte en tiid om te merken ferminderje.
Dit artikel brûkt de AD7124-4 / AD7124-8 as de ADC, om't se leech lûd, lege stroom, presys ADC's binne mei ynboude PGA, ynboude referinsje, analoge ynfier en referinsjebuffer.
Nettsjinsteande oft jo driuwstrom of driuwspanning brûke, wurdt in ratiometryske konfiguraasje oanrikkemandearre wêryn de referinsjespanning en sensorspanning út deselde stasjonsboarne komme.Dit betsjut dat elke feroaring yn 'e excitaasjeboarne gjin ynfloed hat op' e krektens fan 'e mjitting.
Op fig.5 toant de konstante oandriuwstroom foar de thermistor en de presyzjewjerstân RREF, de spanning ûntwikkele oer RREF is de referinsjespanning foar it mjitten fan de thermistor.
De fjildstream hoecht net krekt te wêzen en kin minder stabyl wêze, om't alle flaters yn 'e fjildstream yn dizze konfiguraasje wurde elimineare.Yn 't algemien wurdt hjoeddeistige excitaasje de foarkar boppe spanningseksitaasje fanwege superieure gefoelichheidskontrôle en bettere lûdimmuniteit as de sensor op ôfstân lokaasjes leit.Dit soarte fan biasmetoade wurdt typysk brûkt foar RTD's as termistors mei lege wjerstânswearden.Foar in thermistor mei in hegere wjerstânwearde en hegere gefoelichheid sil it sinjaalnivo dat troch elke temperatuerferoaring wurdt generearre grutter wêze, sadat spanningseksitaasje wurdt 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 wurkbereik fan de meast beskikbere ADC's brûkt yn dit tapassingsgebiet.Thermistors binne ek meastentiids ferbûn of leit tichtby de elektroanika, dus immuniteit te riden stroom is net nedich.
It tafoegjen fan in sinresistor yn searje as in spanningsdeler circuit sil de stroom troch de thermistor beheine ta syn minimale fersetwearde.Yn dizze konfiguraasje moat de wearde fan 'e sinjale wjerstân RSENSE lyk wêze oan' e wearde fan 'e termistorresistinsje by in referinsjetemperatuer fan 25 ° C, sadat de útfierspanning gelyk is oan it middenpunt fan 'e referinsjespanning by syn nominale temperatuer fan 25 ° CC Lykas, as in 10 kΩ termistor mei in wjerstân fan 10 kΩ by 25 ° C wurdt brûkt, moat RSENSE 10 kΩ wêze.As de temperatuer feroaret, feroaret ek de wjerstân fan 'e NTC-termistor, en feroaret de ferhâlding fan' e driuwspanning oer de thermistor ek, sadat de útfierspanning evenredich is mei de wjerstân fan 'e NTC-termistor.
As de selekteare spanningsreferinsje dy't brûkt wurdt om de thermistor en / of RSENSE te bemachtigjen, komt oerien mei de ADC-referinsjespanning dy't brûkt wurdt foar mjitting, wurdt it systeem ynsteld op ratiometryske mjitting (figuer 7) sadat elke excitaasje-relatearre flaterspanningsboarne sil wurde bias om te ferwiderjen.
Tink derom dat itsij de sin wjerstannen (spanning oandreaune) of de referinsje wjerstân (stromoandreaune) moat hawwe in lege initial tolerânsje en lege drift, as beide fariabelen kinne beynfloedzje de krektens fan it hiele systeem.
By it brûken fan meardere thermistors kin ien excitaasjespanning brûkt wurde.Lykwols, elke termistor moat hawwe in eigen presyzje sinjale wjerstannen, lykas werjûn yn fig.8. In oare opsje is in gebrûk fan in eksterne multiplexer of low-resistance switch yn 'e op steat, dat makket it mooglik om te dielen ien precision sin resistor.Mei dizze konfiguraasje hat elke thermistor wat settiid nedich by mjitten.
Gearfetsjend, by it ûntwerpen fan in termistor-basearre temperatuermjittingsysteem, binne d'r in protte fragen om te beskôgjen: sensorseleksje, sensorbedrading, ôfwikselingen foar seleksje fan komponinten, ADC-konfiguraasje, en hoe't dizze ferskate fariabelen ynfloed hawwe op de algemiene krektens fan it systeem.It folgjende artikel yn dizze searje ferklearret hoe't jo jo systeemûntwerp en algemien systeemflaterbudzjet kinne optimalisearje om jo doelprestaasjes te berikken.
Post tiid: Sep-30-2022