Jen la unua artikolo en duparta serio. Ĉi tiu artikolo unue diskutos la historion kaj dezajnajn defiojn determistora temperaturomezursistemoj, kaj ankaŭ ilia komparo kun temperaturmezursistemoj kun rezistancaj termometroj (RTD). Ĝi ankaŭ priskribos la elekton de termistoro, konfiguraciajn kompromisojn, kaj la gravecon de sigma-delta analog-ciferecaj konvertiloj (ADC-oj) en ĉi tiu aplika areo. La dua artikolo detalos kiel optimumigi kaj taksi la finan termistor-bazitan mezursistemon.
Kiel priskribite en la antaŭa artikolserio, Optimigo de RTD-Temperatursensiloj, RTD estas rezistilo, kies rezisto varias laŭ temperaturo. Termistor funkcias simile al RTD-oj. Male al RTD-oj, kiuj havas nur pozitivan temperaturkoeficienton, termistor povas havi pozitivan aŭ negativan temperaturkoeficienton. Negativaj temperaturkoeficientaj (NTC) termistoroj malpliigas sian reziston kiam la temperaturo altiĝas, dum pozitivaj temperaturkoeficientaj (PTC) termistoroj pliigas sian reziston kiam la temperaturo altiĝas. Figuro 1 montras la respondkarakterizaĵojn de tipaj NTC- kaj PTC termistoroj kaj komparas ilin kun RTD-kurboj.
Rilate al temperaturintervalo, la RTD-kurbo estas preskaŭ lineara, kaj la sensilo kovras multe pli larĝan temperaturintervalon ol termistoroj (tipe -200 °C ĝis +850 °C) pro la nelineara (eksponenta) naturo de la termistoro. RTD-oj kutime estas provizitaj en konataj normigitaj kurboj, dum termistoraj kurboj varias laŭ fabrikanto. Ni diskutos tion detale en la sekcio pri elekta gvidilo de termistoroj de ĉi tiu artikolo.
Termistoroj estas faritaj el kompozitaj materialoj, kutime ceramikoj, polimeroj, aŭ duonkonduktaĵoj (kutime metaloksidoj) kaj puraj metaloj (plateno, nikelo, aŭ kupro). Termistoroj povas detekti temperaturŝanĝojn pli rapide ol RTD-oj, provizante pli rapidan respondon. Tial, termistoroj estas ofte uzataj de sensiloj en aplikoj kiuj postulas malaltan koston, malgrandan grandecon, pli rapidan respondon, pli altan sentemon, kaj limigitan temperaturintervalon, kiel ekzemple elektronika kontrolo, hejma kaj konstruaĵa kontrolo, sciencaj laboratorioj, aŭ malvarma krucvojo kompenso por termoparoj en komercaj aŭ industriaj aplikoj. Aplikoj.
Plejofte, NTC-termistoroj estas uzataj por preciza temperaturmezurado, ne PTC-termistoroj. Kelkaj PTC-termistoroj estas haveblaj, kiuj povas esti uzataj en trokurentaj protektaj cirkvitoj aŭ kiel reakireblaj fuzeoj por sekurecaj aplikoj. La rezistanco-temperatura kurbo de PTC-termistoro montras tre malgrandan NTC-regionon antaŭ ol atingi la ŝaltpunkton (aŭ Curie-punkton), super kiu la rezistanco akre altiĝas je pluraj grandordoj en la intervalo de pluraj celsiusgradoj. Sub trokurentaj kondiĉoj, la PTC-termistoro generos fortan memvarmiĝon kiam la ŝalttemperaturo estas superita, kaj ĝia rezistanco akre altiĝos, kio reduktos la eniran kurenton al la sistemo, tiel malhelpante difekton. La ŝaltpunkto de PTC-termistoroj estas tipe inter 60°C kaj 120°C kaj ne taŭgas por kontroli temperaturmezuradojn en vasta gamo da aplikoj. Ĉi tiu artikolo fokusiĝas al NTC-termistoroj, kiuj tipe povas mezuri aŭ monitori temperaturojn intervalantajn de -80°C ĝis +150°C. NTC-termistoroj havas rezistancrangigojn intervalantajn de kelkaj omoj ĝis 10 MΩ je 25 °C. Kiel montrite en fig. 1, la ŝanĝo en rezistanco por celsiusgrado por termistoroj estas pli okulfrapa ol por rezistanctermometroj. Kompare kun termistoroj, la alta sentemeco kaj alta rezistanco de la termistoro simpligas ĝian enigan cirkviton, ĉar termistoroj ne postulas ian specialan drataran konfiguracion, kiel ekzemple 3-dratan aŭ 4-dratan, por kompensi por plumba rezisto. La termistora dezajno uzas nur simplan 2-dratan konfiguracion.
Altpreciza temperaturmezurado bazita sur termistoroj postulas precizan signal-prilaboradon, analog-ciferecan konverton, liniigon kaj kompenson, kiel montrite en fig. 2.
Kvankam la signalĉeno povas ŝajni simpla, ekzistas pluraj komplikaĵoj, kiuj influas la grandecon, koston kaj rendimenton de la tuta bazcirkvito. La preciza ADC-portfolio de ADI inkluzivas plurajn integrajn solvojn, kiel ekzemple la AD7124-4/AD7124-8, kiuj provizas kelkajn avantaĝojn por la dezajno de termika sistemo, ĉar la plej multaj el la konstrubriketoj necesaj por apliko estas enkonstruitaj. Tamen, ekzistas diversaj defioj en la dezajno kaj optimumigo de temperaturmezuraj solvoj bazitaj sur termistoroj.
Ĉi tiu artikolo diskutas ĉiun el ĉi tiuj problemoj kaj provizas rekomendojn por solvi ilin kaj plue simpligi la dezajnprocezon por tiaj sistemoj.
Ekzistas vasta vario deNTC-termistorojsur la merkato hodiaŭ, do elekti la ĝustan termistoron por via apliko povas esti malfacila tasko. Notu, ke termistoroj estas listigitaj laŭ sia nominala valoro, kiu 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 rezistancvalorojn intervalantajn de kelkaj omoj ĝis 10 MΩ. Termistoroj kun malaltaj rezistancrangigoj (nominala rezisto de 10 kΩ aŭ malpli) tipe subtenas pli malaltajn temperaturintervalojn, kiel ekzemple -50 °C ĝis +70 °C. Termistoroj kun pli altaj rezistancrangigoj povas elteni temperaturojn ĝis 300 °C.
La termistora elemento estas farita el metala oksido. Termistoroj haveblas en pilkaj, radialaj kaj SMD formoj. Termistoraj globetoj estas epoksi-kovritaj aŭ vitro-enkapsuligitaj por plia protekto. Epoksio-kovritaj globetaj termistoroj, radialaj kaj surfacaj termistoroj taŭgas por temperaturoj ĝis 150 °C. Vitroglobetaj termistoroj taŭgas por mezuri altajn temperaturojn. Ĉiuj specoj de tegaĵoj/pakaĵoj ankaŭ protektas kontraŭ korodo. Iuj termistoroj ankaŭ havos pliajn enfermaĵojn por plia protekto en severaj medioj. Globetaj termistoroj havas pli rapidan respondotempon ol radialaj/SMD termistoroj. Tamen, ili ne estas tiel daŭremaj. Tial, la tipo de termistor uzata dependas de la fina apliko kaj la medio, en kiu la termistoro troviĝas. La longdaŭra stabileco de termistoro dependas de ĝia materialo, pakaĵo kaj dezajno. Ekzemple, epoksi-kovrita NTC-termistoro povas ŝanĝiĝi je 0,2 °C jare, dum sigelita termistoro ŝanĝiĝas nur je 0,02 °C jare.
Termistoroj venas kun malsamaj precizecoj. Normaj termistoroj tipe havas precizecon de 0,5 °C ĝis 1,5 °C. La rezistanco-rangigo de la termistoro kaj la 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 fabrikantoj 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 super temperaturintervalo de 0 °C ĝis 70 °C. Tial, la intervalo de temperaturoj, kiujn oni povas mezuri, kaj la precizeco bezonata super tiu temperaturintervalo determinas ĉu termistoroj taŭgas por ĉi tiu apliko. Bonvolu noti, ke ju pli alta estas la precizeco de la Omega 44xxx-serio, des pli alta estas la kosto.
Por konverti reziston al celsiusgradoj, oni kutime uzas la beta-valoron. La beta-valoron oni determinas konante la du temperaturpunktojn kaj la respondan 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 temperaturintervalo uzata en la projekto. Plej multaj termistoraj datenfolioj listigas beta-valoron kune kun rezistanco-toleremo je 25°C kaj toleremo por la beta-valoro.
Pli altprecizaj termistoroj kaj altprecizaj finaj solvoj kiel la serio Omega 44xxx uzas la ekvacion de Steinhart-Hart por konverti reziston al celsiusgradoj. Ekvacio 2 postulas la tri konstantojn A, B kaj C, denove provizitajn de la sensilo-fabrikisto. Ĉar la ekvaciaj koeficientoj estas generitaj uzante tri temperaturpunktojn, la rezulta ekvacio minimumigas la eraron enkondukitan per linearigo (tipe 0,02 °C).
A, B kaj C estas konstantoj derivitaj de tri temperaturaj agordoj. R = termistora rezisto en omoj T = temperaturo en K gradoj
Fig. 3 montras la ekscitfluon de la sensilo. Stirfluo estas aplikata al la termistor kaj la sama kurento estas aplikata al la preciza rezistilo; preciza rezistilo estas uzata kiel referenco por mezurado. La valoro de la referenca rezistilo devas esti pli granda aŭ egala al la plej alta valoro de la termistora rezisto (depende de la plej malalta temperaturo mezurita en la sistemo).
Kiam oni elektas la ekscitan kurenton, oni devas denove konsideri la maksimuman rezistancon de la termistor. Tio certigas, ke la tensio trans la sensilo kaj la referenca rezistilo ĉiam estas je nivelo akceptebla por la elektroniko. La kampa kurenta fonto postulas iom da libera spaco aŭ elira akordigo. Se la termistor havas altan rezistancon ĉe la plej malalta mezurebla temperaturo, tio rezultigos tre malaltan stiran kurenton. Tial, la tensio generita trans la termistor ĉe alta temperaturo estas malgranda. Programeblaj gajnoŝtupoj povas esti uzataj por optimumigi la mezuradon de ĉi tiuj malaltnivelaj signaloj. Tamen, la gajno devas esti programita dinamike ĉar la signalnivelo de la termistor multe varias laŭ temperaturo.
Alia eblo estas agordi la gajnon sed uzi dinamikan stiran kurenton. Tial, kiam la signalnivelo de la termistor ŝanĝiĝas, la valoro de la stira kurento ŝanĝiĝas dinamike tiel ke la tensio disvolvita trans la termistor estas ene de la specifita enira intervalo de la elektronika aparato. La uzanto devas certigi, ke la tensio disvolvita trans la referenca rezistilo ankaŭ estas je nivelo akceptebla por la elektroniko. Ambaŭ ebloj postulas altnivelan kontrolon, konstantan monitoradon de la tensio trans la termistor por ke la elektroniko povu mezuri la signalon. Ĉu ekzistas pli facila eblo? Konsideru tensian eksciton.
Kiam kontinua tensio estas aplikata al la termistoro, la kurento tra la termistoro aŭtomate skalas laŭ la ŝanĝiĝoj de la rezistanco de la termistoro. Nun, uzante precizan mezurrezistilon anstataŭ referencan rezistilon, ĝia celo estas kalkuli la kurenton fluantan tra la termistoro, tiel permesante kalkuli la termistoran rezistancon. Ĉar la stira tensio ankaŭ estas uzata kiel la referenca signalo de la ADC, neniu gajno-ŝtupo estas necesa. La procesoro ne havas la taskon monitori la termistoran tension, determini ĉu la signalnivelo povas esti mezurita per la elektroniko, kaj kalkuli kian stiran gajnon/kurentvaloron oni devas ĝustigi. Ĉi tiu estas la metodo uzata en ĉi tiu artikolo.
Se la termistor havas malgrandan rezistancan rangigon kaj rezistancan gamon, oni povas uzi tensan aŭ kurentan eksciton. En ĉi tiu kazo, la stira kurento kaj gajno povas esti fiksitaj. Tiel, la cirkvito estos kiel montrite en Figuro 3. Ĉi tiu metodo estas oportuna ĉar eblas kontroli la kurenton tra la sensilo kaj la referenca rezistilo, kio estas valora en malalt-potencaj aplikoj. Krome, la mem-varmiĝo de la termistor estas minimumigita.
Tensioekscito ankaŭ povas esti uzata por termistoroj kun malaltaj rezistancaj rangigoj. Tamen, la uzanto devas ĉiam certigi, ke la kurento tra la sensilo ne estas tro alta por la sensilo aŭ apliko.
Tensioekscito simpligas la efektivigon kiam oni uzas termistoron kun granda rezistanco kaj larĝa temperaturintervalo. Pli granda nominala rezistanco provizas akcepteblan nivelon de taksita kurento. Tamen, projektistoj devas certigi, ke la kurento estas je akceptebla nivelo tra la tuta temperaturintervalo subtenata de la apliko.
Sigma-Delta ADC-oj ofertas plurajn avantaĝojn dum la dizajnado de termistora mezursistemo. Unue, ĉar la sigma-delta ADC resamplas la analogan eniron, ekstera filtrado estas minimumigita kaj la sola postulo estas simpla RC-filtrilo. Ili provizas flekseblecon en filtriltipo kaj elira baŭdrapido. Enkonstruita cifereca filtrado povas esti uzata por subpremi ajnan interferon en elektraj 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 dezajnon de la termistoro, samtempe reduktante specifojn, sistemkoston, tabulospacon kaj surmerkatigan tempon.
Ĉi tiu artikolo uzas la AD7124-4/AD7124-8 kiel la ADC ĉar ili estas malbruaj, malalt-kurentaj, precizaj ADC-oj kun enkonstruita PGA, enkonstruita referenco, analoga enigo kaj referenca bufro.
Sendepende de ĉu vi uzas stirfluon aŭ stirtension, oni rekomendas ratiometrian konfiguracion, en kiu la referenca tensio kaj la sensora tensio venas de la sama stirfonto. Tio signifas, ke ajna ŝanĝo en la ekscitfonto ne influos la precizecon de la mezurado.
En figuro 5 estas montrata la konstanta stira kurento por la termistoro kaj preciza rezistilo RREF, la tensio disvolvita trans RREF estas la referenca tensio por mezuri la termistoron.
La kampa kurento ne devas esti preciza kaj povas esti malpli stabila, ĉar ĉiuj eraroj en la kampa kurento estos eliminitaj en ĉi tiu konfiguracio. Ĝenerale, kurenta ekscito estas preferata super tensiekscito pro supera sentemeca kontrolo kaj pli bona bruimuneco kiam la sensilo situas en malproksimaj lokoj. Ĉi tiu tipo de biasmetodo estas tipe uzata por RTD-oj aŭ termistoroj kun malaltaj rezistancaj valoroj. Tamen, por termistoro kun pli alta rezistanca valoro kaj pli alta sentemeco, la signalnivelo generita de ĉiu temperaturŝanĝo estos pli granda, do tensiekscito estas uzata. Ekzemple, 10 kΩ termistoro havas reziston de 10 kΩ je 25 °C. Je -50 °C, la rezisto de la NTC-termistoro estas 441.117 kΩ. La minimuma stira kurento de 50 µA provizita de la AD7124-4/AD7124-8 generas 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, kio estas tro alta kaj ekster la funkciada intervalo de plej multaj haveblaj ADC-oj uzataj en ĉi tiu aplika areo. Termistoroj ankaŭ estas kutime konektitaj aŭ situantaj proksime al la elektroniko, do imuneco al pela kurento ne estas necesa.
Aldoni sensan rezistilon serie kiel tensiodividilan cirkviton limigos la kurenton tra la termistor al ĝia minimuma rezistanca valoro. En ĉi tiu konfiguracio, la valoro de la sensa rezistilo RSENSE devas esti egala al la valoro de la termistora rezistanco je referenca temperaturo de 25 °C, tiel ke la elira tensio estos egala al la mezpunkto de la referenca tensio je ĝia nominala temperaturo de 25 °CC. Simile, se oni uzas 10 kΩ termistor kun rezistanco de 10 kΩ je 25 °C, RSENSE devus esti 10 kΩ. Kiam la temperaturo ŝanĝiĝas, la rezistanco de la NTC-termistor ankaŭ ŝanĝiĝas, kaj la rilatumo de la stira tensio trans la termistor ankaŭ ŝanĝiĝas, rezultante ke la elira tensio estas proporcia al la rezistanco de la NTC-termistor.
Se la elektita tensioreferenco uzata por funkciigi la termistoron kaj/aŭ RSENSE kongruas kun la ADC-referenca tensio uzata por mezurado, la sistemo estas agordita al ratiometria mezurado (Figuro 7) tiel ke ajna ekscit-rilata erartensiofonto estos influita por forigi ĝin.
Notu, ke aŭ la sensa rezistilo (tensio-movita) aŭ la referenca rezistilo (kurent-movita) devus havi malaltan komencan toleremon kaj malaltan drivon, ĉar ambaŭ variabloj povas influi la precizecon de la tuta sistemo.
Kiam oni uzas plurajn termistorojn, oni povas uzi unu ekscitan tension. Tamen, ĉiu termistoro devas havi sian propran precizan rezistilon, kiel montrite en fig. 8. Alia eblo estas uzi eksteran multipleksilon aŭ malalt-rezistancan ŝaltilon en la ŝaltita stato, kio permesas dividi unu precizan rezistilon. Kun ĉi tiu konfiguracio, ĉiu termistoro bezonas iom da stabiliga tempo dum mezurado.
Resumante, dum la dizajnado de temperaturmezura sistemo bazita sur termistoro, estas multaj demandoj por konsideri: sensora elekto, sensora drataro, kompromisoj en la elekto de komponantoj, ADC-agordo, kaj kiel ĉi tiuj diversaj variabloj influas la ĝeneralan precizecon de la sistemo. La sekva artikolo en ĉi tiu serio klarigas kiel optimumigi vian sisteman dezajnon kaj la ĝeneralan sisteman erarbuĝeton por atingi vian celan rendimenton.
Afiŝtempo: 30-a de septembro 2022