Ĉi tiu estas la unua artikolo en duparta serio. Ĉi tiu artikolo unue diskutos la historion kaj projektajn defiojn determisto-bazita temperaturomezursistemoj, same kiel ilia komparo kun rezista termometro (RTD) temperaturmezursistemoj. Ĝi ankaŭ priskribos la elekton de termistoro, konfiguraciokomercojn, kaj la gravecon de sigma-delta analog-al-ciferecaj konvertiloj (ADC) en ĉi tiu aplika areo. La dua artikolo detalos kiel optimumigi kaj taksi la finan termistor-bazitan mezuran sistemon.
Kiel priskribite en la antaŭa artikola serio, Optimumigo de RTD Temperatura Sensilo-Sistemoj, RTD estas rezistilo, kies rezisto varias laŭ temperaturo. Termistoroj funkcias simile al RTDoj. Male al RTDoj, kiuj nur havas pozitivan temperaturkoeficienton, termistoro povas havi pozitivan aŭ negativan temperaturkoeficienton. Negativa temperaturkoeficiento (NTC) termistoroj malpliigas sian reziston kiam la temperaturo pliiĝas, dum pozitiva temperaturkoeficiento (PTC) termistoroj pliigas sian reziston kiam la temperaturo pliiĝas. Sur fig. 1 montras la respondkarakterizaĵojn de tipaj NTC kaj PTC-termistoroj kaj komparas ilin kun RTD-kurboj.
Laŭ temperaturintervalo, la RTD-kurbo estas preskaŭ linia, kaj la sensilo kovras multe pli larĝan temperaturintervalon ol termistoroj (tipe -200 °C ĝis +850 °C) pro la ne-linia (eksponenta) naturo de la termistoro. RTDoj estas kutime disponigitaj en bonkonataj normigitaj kurboj, dum termistorkurboj varias je produktanto. Ni diskutos ĉi tion detale en la sekcio de gvidilo pri elektado de termistoroj de ĉi tiu artikolo.
Termistoroj estas faritaj el kunmetitaj materialoj, kutime ceramikaĵoj, polimeroj aŭ duonkonduktaĵoj (kutime metaloksidoj) kaj puraj metaloj (plateno, nikelo aŭ kupro). Termistoroj povas detekti temperaturŝanĝojn pli rapide ol RTDoj, disponigante pli rapidan religon. Tial, termistoroj estas ofte uzitaj per sensiloj en aplikoj kiuj postulas malaltan koston, malgrandan grandecon, pli rapidan respondon, pli altan sentemon kaj limigitan temperaturintervalon, kiel elektronikan kontrolon, hejman kaj konstruan kontrolon, sciencajn laboratoriojn aŭ malvarman krucvojn kompenson por termoparoj en komercaj. aŭ industriaj aplikoj. celoj. Aplikoj.
Plejofte, NTC-termistoroj estas uzitaj por preciza temperaturmezurado, ne PTC-termistoroj. Kelkaj PTC-termistoroj estas haveblaj kiuj povas esti uzitaj en trokurentaj protektocirkvitoj aŭ kiel rekomenceblaj fuzeoj por sekurecaj aplikoj. La rezist-temperatura kurbo de PTC termistoro montras tre malgrandan NTC-regionon antaŭ atingado de la ŝaltilpunkto (aŭ Curie-punkto), super kiu la rezisto pliiĝas akre je pluraj grandordoj en la intervalo de pluraj celsiusgradoj. Sub superfluaj kondiĉoj, la termistoro de PTC generos fortan memvarmadon kiam la ŝanĝa temperaturo estas superita, kaj ĝia rezisto akre altiĝos, kio reduktos la enigan kurenton al la sistemo, tiel malhelpante damaĝon. La ŝanĝpunkto de PTC-termistoroj estas tipe inter 60 °C kaj 120 °C kaj ne taŭgas por kontroli temperaturmezuradon en larĝa gamo de aplikoj. Tiu artikolo temigas NTC-termistorojn, kiuj povas tipe mezuri aŭ monitori temperaturojn intervalantajn de -80 °C ĝis +150 °C. NTC-termistoroj havas rezistrangigojn intervalantajn de kelkaj omoj ĝis 10 MΩ je 25 °C. Kiel montrite en fig. 1, la ŝanĝo en rezisto je celsiusgrado por termistoroj estas pli prononcita ol por rezistaj termometroj. Kompare al termistoroj, la alta sentiveco kaj alta rezistvaloro de la termistoro simpligas ĝian enigcirkviton, ĉar termistoroj ne postulas ajnan specialan karataran agordon, kiel ekzemple 3-drato aŭ 4-drato, por kompensi plumboreziston. La termistordezajno uzas nur simplan 2-dratan agordon.
Altprecizega termistor-bazita temperaturmezurado postulas precizan signaltraktadon, analog-al-ciferecan konvertiĝon, linearigigon kaj kompenson, kiel montrite en fig. 2.
Kvankam la signala ĉeno povas ŝajni simpla, ekzistas pluraj kompleksaĵoj, kiuj influas la grandecon, koston kaj rendimenton de la tuta baztabulo. La precizeca ADC-paperaro de ADI inkludas plurajn integrajn solvojn, kiel ekzemple la AD7124-4/AD7124-8, kiuj disponigas kelkajn avantaĝojn por termika sistemdezajno ĉar la plej multaj el la konstrubriketoj necesaj por aplikiĝo estas enkonstruitaj. Tamen, ekzistas diversaj defioj en projektado kaj optimumigado de termistor-bazitaj temperaturmezursolvoj.
Ĉi tiu artikolo diskutas ĉiun el ĉi tiuj aferoj kaj provizas rekomendojn por solvi ilin kaj plu simpligi la dezajnprocezon por tiaj sistemoj.
Estas ampleksa vario deNTC-termistorojsur la merkato hodiaŭ, do elekti la ĝustan termistoron por via aplikaĵo povas esti timiga tasko. Notu ke termistoroj estas listigitaj per sia nominala valoro, kio estas ilia nominala rezisto je 25 °C. Tial, 10 kΩ termistoro havas nominalan reziston de 10 kΩ je 25 °C. Termistoroj havas nominalajn aŭ bazajn rezistvalorojn intervalantajn de kelkaj omoj ĝis 10 MΩ. Termistoroj kun malaltaj rezistrangigoj (nominala rezisto de 10 kΩ aŭ malpli) tipe subtenas pli malaltajn temperaturintervalojn, kiel ekzemple -50 °C ĝis +70 °C. Termistoroj kun pli altaj rezistaj taksoj povas elteni temperaturojn ĝis 300 °C.
La termistora elemento estas farita el metala rusto. Termistoroj estas haveblaj en pilkaj, radialaj kaj SMD-formoj. Termistobiloj estas epoksiaj tegitaj aŭ vitro enkapsuligita por plia protekto. Epoksiaj tegitaj pilkaj termistoroj, radialaj kaj surfacaj termistoroj taŭgas por temperaturoj ĝis 150 °C. Vitraperla termistoroj taŭgas por mezuri altajn temperaturojn. Ĉiuj specoj de tegaĵoj/pakaĵoj ankaŭ protektas kontraŭ korodo. Iuj termistoroj ankaŭ havos kromajn loĝejojn por plia protekto en severaj medioj. Bidaj termistoroj havas pli rapidan respondtempon ol radialaj/SMD-termistoroj. Tamen ili ne estas tiel daŭraj. Tial, la speco de termistoro uzita dependas de la fina apliko kaj la medio en kiu la termistoro situas. La longdaŭra stabileco de termistoro dependas de sia materialo, enpakado kaj dezajno. Ekzemple, epoksi-tegita NTC-termistoro povas ŝanĝi 0.2 °C jare, dum hermetika termistoro nur ŝanĝas 0.02 °C jare.
Termistoroj venas en malsama precizeco. Normaj termistoroj tipe havas precizecon de 0,5 °C ĝis 1,5 °C. La termistorrezista takso kaj beta-valoro (proporcio de 25 °C ĝis 50 °C/85 °C) havas toleremon. Notu, ke la beta-valoro de la termistoro varias laŭ fabrikanto. Ekzemple, 10 kΩ NTC-termistoroj de malsamaj produktantoj havos malsamajn beta-valorojn. Por pli precizaj sistemoj, termistoroj kiel la Omega™ 44xxx-serio povas esti uzataj. Ili havas precizecon de 0,1 °C aŭ 0,2 °C en temperaturo de 0 °C ĝis 70 °C. Tial, la intervalo de temperaturoj kiuj povas esti mezuritaj kaj la precizeco postulata super tiu temperaturintervalo determinas ĉu termistoroj estas taŭgaj por tiu aplikiĝo. Bonvolu noti, ke ju pli alta estas la precizeco de la serio Omega 44xxx, des pli alta estas la kosto.
Por konverti reziston al celsiusgradoj, oni kutime uzas la beta-valoron. La beta-valoro estas determinita konante la du temperaturpunktojn kaj la ekvivalentan reziston ĉe ĉiu temperaturpunkto.
RT1 = Temperaturrezisto 1 RT2 = Temperaturrezisto 2 T1 = Temperaturo 1 (K) T2 = Temperaturo 2 (K)
La uzanto uzas la beta-valoron plej proksiman al la temperaturo-intervalo uzata en la projekto. La plej multaj termistoraj datenfolioj listigas beta-valoron kune kun rezista toleremo je 25 °C kaj toleremo por la beta-valoro.
Pli altaj precizecaj termistoroj kaj altprecizaj finsolvoj kiel ekzemple la Omega 44xxx-serio uzas la Steinhart-Hart-ekvacion por konverti reziston al celsiusgradoj. Ekvacio 2 postulas la tri konstantojn A, B, kaj C, denove disponigitajn fare de la sensilproduktanto. Ĉar la ekvaciokoeficientoj estas generitaj uzante tri temperaturpunktojn, la rezulta ekvacio minimumigas la eraron lanĉitan per linearigo (tipe 0.02 °C).
A, B kaj C estas konstantoj derivitaj de tri temperaturvaloroj. R = termistorrezisto en omoj T = temperaturo en K gradoj
Sur fig. 3 montras la nunan eksciton de la sensilo. Vetura kurento estas aplikata al la termistoro kaj la sama fluo estas aplikata al la precizeca rezistilo; precizeca rezistilo estas uzata kiel referenco por mezurado. La valoro de la referencrezistilo devas esti pli granda ol aŭ egala al la plej alta valoro de la termistorezisto (depende de la plej malsupra temperaturo mezurita en la sistemo).
Elektante la ekscitfluon, la maksimuma rezisto de la termistoro denove devas esti enkalkulita. Ĉi tio certigas, ke la tensio trans la sensilo kaj la referenca rezistilo ĉiam estas je nivelo akceptebla por la elektroniko. La kampa nuna fonto postulas iom da kapspaco aŭ produktaĵkongruo. Se la termistoro havas altan reziston ĉe la plej malalta mezurebla temperaturo, tio rezultigos tre malaltan veturfluon. Tial, la tensio generita trans la termistoro ĉe alta temperaturo estas malgranda. Programeblaj gajnostadioj povas esti uzitaj por optimumigi la mezuradon de tiuj malaltnivelaj signaloj. Tamen, la gajno devas esti programita dinamike ĉar la signalnivelo de la termistoro varias multe laŭ temperaturo.
Alia opcio estas agordi la gajnon sed uzi dinamikan stiradon. Tial, ĉar la signalnivelo de la termistoro ŝanĝiĝas, la veturada nuna valoro ŝanĝiĝas dinamike tiel ke la tensio evoluinta trans la termistoro estas ene de la specifita enirintervalo de la elektronika aparato. La uzanto devas certigi, ke la tensio evoluinta trans la referenca rezistilo estas ankaŭ je nivelo akceptebla por la elektroniko. Ambaŭ opcioj postulas altnivelan de kontrolo, konstanta monitorado de la tensio trans la termistoro tiel ke la elektroniko povas mezuri la signalon. Ĉu ekzistas pli facila opcio? Konsideru streĉan eksciton.
Kiam DC-tensio estas aplikita al la termistoro, la fluo tra la termistoro aŭtomate skalas kiam la rezisto de la termistoro ŝanĝiĝas. Nun, uzante precizecan mezurrezistilon anstataŭ referencrezistilon, ĝia celo estas kalkuli la kurenton fluantan tra la termistoro, tiel permesante la termistorreziston esti kalkulita. Ĉar la veturadtensio ankaŭ estas utiligita kiel la ADC-referenca signalo, neniu gajnostadio estas postulata. La procesoro ne havas la taskon de monitorado de la termistortension, determini ĉu la signalnivelo povas esti mezurita per la elektroniko, kaj kalkulante kian veturgajnon/nunvaloron devas esti alĝustigita. Ĉi tiu estas la metodo uzata en ĉi tiu artikolo.
Se la termistoro havas malgrandan rezistrangigon kaj rezistan gamon, tensio aŭ nuna ekscito povas esti uzata. En ĉi tiu kazo, la veturfluo kaj gajno povas esti fiksitaj. Tiel, la cirkvito estos kiel montrita en Figuro 3. Ĉi tiu metodo estas oportuna ĉar eblas kontroli la fluon tra la sensilo kaj la referenca rezistilo, kiu estas valora en malaltaj potencaj aplikoj. Krome, mem-varmigo de la termistoro estas minimumigita.
Tensia ekscito ankaŭ povas esti uzita por termistoroj kun malaltaj rezistrangigoj. Tamen, la uzanto ĉiam devas certigi, ke la fluo tra la sensilo ne estas tro alta por la sensilo aŭ aplikaĵo.
Tensia ekscito simpligas efektivigon kiam oni uzas termistoron kun granda rezista takso kaj larĝa temperaturo. Pli granda nominala rezisto disponigas akcepteblan nivelon de taksita kurento. Tamen, dizajnistoj devas certigi, ke la fluo estas je akceptebla nivelo super la tuta temperaturo subtenata de la aplikaĵo.
Sigma-Delta ADCoj ofertas plurajn avantaĝojn dum dizajnado de termistora mezursistemo. Unue, ĉar la sigma-delta ADC respecimenas la analogan enigaĵon, ekstera filtrado estas konservita al minimumo kaj la nura postulo estas simpla RC-filtrilo. Ili provizas flekseblecon en filtrila tipo kaj eliga baudrapideco. Enkonstruita cifereca filtrado povas esti uzata por subpremi ajnan interferon en retaj aparatoj. 24-bitaj aparatoj kiel la AD7124-4/AD7124-8 havas plenan rezolucion de ĝis 21.7 bitoj, do ili provizas altan rezolucion.
La uzo de sigma-delta ADC multe simpligas la termistordezajnon reduktante specifon, sistemkoston, estrarspacon kaj tempon por merkati.
Ĉi tiu artikolo uzas la AD7124-4/AD7124-8 kiel la ADC ĉar ili estas malalta bruo, malalta kurento, precizecaj ADCoj kun enkonstruita PGA, enkonstruita referenco, analoga enigo, kaj referenca bufro.
Sendepende de ĉu vi uzas veturan kurenton aŭ veturad-tension, racimetra agordo estas rekomendita en kiu la referenca tensio kaj sensila tensio venas de la sama veturadfonto. Tio signifas ke ĉiu ŝanĝo en la ekscitfonto ne influos la precizecon de la mezurado.
Sur fig. 5 montras la konstantan veturfluon por la termistoro kaj precizeca rezistilo RREF, la tensio evoluinta trans RREF estas la referenca tensio por mezuri la termistoron.
La kampa fluo ne bezonas esti preciza kaj povas esti malpli stabila ĉar ĉiuj eraroj en la kampa fluo estos eliminita en ĉi tiu agordo. Ĝenerale, nuna ekscito estas preferita super tensia ekscito pro supera sentemkontrolo kaj pli bona bruimuneco kiam la sensilo situas en malproksimaj lokoj. Tiu speco de biasmetodo estas tipe uzita por RTDoj aŭ termistoroj kun malaltaj rezistvaloroj. Tamen, por termistoro kun pli alta rezista valoro kaj pli alta sentemo, la signalnivelo generita per ĉiu temperaturŝanĝo estos pli granda, tiel ke tensia ekscito estas uzita. Ekzemple, 10 kΩ termistoro havas reziston de 10 kΩ je 25 °C. Je -50 °C, la rezisto de la termistoro NTC estas 441,117 kΩ. La minimuma veturadfluo de 50 µA provizita de la AD7124-4/AD7124-8 generas 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, kiu estas tro alta kaj ekster la operacia gamo de plej disponeblaj ADCoj uzataj en ĉi tiu aplika areo. Termistoroj ankaŭ estas kutime ligitaj aŭ situantaj proksime de la elektroniko, do imuneco por movi kurenton ne estas postulata.
Aldonante sensan rezistilon en serio kiel tensiodividan cirkviton limigos la fluon tra la termistoro al ĝia minimuma rezistvaloro. En ĉi tiu agordo, la valoro de la sencrezista RSENSE devas esti egala al la valoro de la termistorezisto ĉe referenca temperaturo de 25 °C, tiel ke la elira tensio estos egala al la mezpunkto de la referenca tensio ĉe sia nominala temperaturo de 25°CC Simile, se 10 kΩ termistoro kun rezisto de 10 kΩ je 25°C estas uzata, RSENSE devus esti 10 kΩ. Ĉar la temperaturo ŝanĝiĝas, la rezisto de la NTC-termistoro ankaŭ ŝanĝiĝas, kaj la rilatumo de la veturtensio trans la termistoro ankaŭ ŝanĝiĝas, rezultigante la produktaĵtension estantan proporcia al la rezisto de la NTC-termistoro.
Se la elektita tensioreferenco uzita por funkciigi la termistoron kaj/aŭ RSENSE kongruas kun la ADC-referenca tensio uzita por mezurado, la sistemo estas metita al ratiometria mezurado (Figuro 7) tiel ke ajna ekscit-rilata erara tensiofonto estos partia forigi.
Notu ke aŭ la sencrezistilo (tensio movita) aŭ la referencrezistilo (kurenta movita) devus havi malaltan komencan toleremon kaj malaltan drivon, ĉar ambaŭ variabloj povas influi la precizecon de la tuta sistemo.
Dum uzado de multoblaj termistoroj, unu ekscittensio povas esti uzita. Tamen, ĉiu termistoro devas havi sian propran precizecan sentrezistilon, kiel montrite en fig. 8. Alia eblo estas uzi eksteran multipleksilon aŭ malaltrezistan ŝaltilon en la stato, kiu ebligas kunhavigi unu precizecan sentreziston. Kun ĉi tiu agordo, ĉiu termistoro bezonas iom da tempo de agordo kiam mezurita.
En resumo, dum desegnado de termistor-bazita temperaturmezursistemo, estas multaj demandoj por konsideri: sensilo-elekto, sensildratado, komponent-elektokomercoj, ADC-agordo, kaj kiel tiuj diversaj variabloj influas la totalan precizecon de la sistemo. La sekva artikolo en ĉi tiu serio klarigas kiel optimumigi vian sisteman dezajnon kaj ĝeneralan sisteman eraran buĝeton por atingi vian celan agadon.
Afiŝtempo: Sep-30-2022