Pag-optimize ng mga sistema ng pagsukat ng temperatura na batay sa thermistor: isang hamon

Ito ang unang artikulo sa isang dalawang bahagi na serye. Tatalakayin muna ng artikulong ito ang kasaysayan at mga hamon sa disenyo ngtemperatura na batay sa thermistorAng mga sistema ng pagsukat, pati na rin ang kanilang paghahambing sa paglaban ng thermometer (RTD) na mga sistema ng pagsukat ng temperatura. Ilalarawan din nito ang pagpili ng thermistor, pagsasaayos ng trade-off, at ang kahalagahan ng Sigma-Delta analog-to-digital converters (ADC) sa lugar na ito ng application. Ang pangalawang artikulo ay detalyado kung paano mai-optimize at suriin ang panghuling sistema ng pagsukat na batay sa thermistor.
Tulad ng inilarawan sa nakaraang serye ng artikulo, ang pag -optimize ng mga sistema ng sensor ng temperatura ng RTD, ang isang RTD ay isang risistor na ang paglaban ay nag -iiba sa temperatura. Ang mga thermistor ay gumagana nang katulad sa RTDS. Hindi tulad ng mga RTD, na mayroon lamang isang positibong koepisyent ng temperatura, ang isang thermistor ay maaaring magkaroon ng positibo o negatibong koepisyent ng temperatura. Ang mga thermistor ng negatibong temperatura (NTC) ay nagbabawas ng kanilang pagtutol habang tumataas ang temperatura, habang ang mga positibong thermistor ng temperatura (PTC) ay nagdaragdag ng kanilang pagtutol habang tumataas ang temperatura. Sa fig. Ipinapakita ng 1 ang mga katangian ng pagtugon ng mga tipikal na NTC at PTC thermistors at inihahambing ang mga ito sa mga curves ng RTD.
Sa mga tuntunin ng saklaw ng temperatura, ang curve ng RTD ay halos linear, at ang sensor ay sumasakop sa mas malawak na saklaw ng temperatura kaysa sa mga thermistors (karaniwang -200 ° C hanggang +850 ° C) dahil sa hindi linear (exponential) na likas na katangian ng thermistor. Ang mga RTD ay karaniwang ibinibigay sa mga kilalang standardized curves, habang ang mga thermistor curves ay nag-iiba ng tagagawa. Tatalakayin natin ito nang detalyado sa seksyon ng Gabay sa Pagpili ng Thermistor ng artikulong ito.
Ang mga thermistor ay ginawa mula sa mga pinagsama -samang materyales, karaniwang keramika, polimer, o semiconductors (karaniwang metal oxides) at purong metal (platinum, nikel, o tanso). Ang mga thermistor ay maaaring makakita ng mga pagbabago sa temperatura nang mas mabilis kaysa sa mga RTD, na nagbibigay ng mas mabilis na puna. Samakatuwid, ang mga thermistor ay karaniwang ginagamit ng mga sensor sa mga application na nangangailangan ng mababang gastos, maliit na sukat, mas mabilis na tugon, mas mataas na sensitivity, at limitadong saklaw ng temperatura, tulad ng kontrol ng elektronika, kontrol sa bahay at gusali, pang -agham na mga laboratoryo, o malamig na kabayaran sa kantong para sa mga thermocouples sa komersyal o pang -industriya na aplikasyon. mga layunin. Mga Aplikasyon.
Sa karamihan ng mga kaso, ang mga thermistor ng NTC ay ginagamit para sa tumpak na pagsukat ng temperatura, hindi mga thermistor ng PTC. Ang ilang mga thermistor ng PTC ay magagamit na maaaring magamit sa overcurrent na mga circuit circuit o bilang resettable fuse para sa mga application ng kaligtasan. Ang curve ng paglaban sa temperatura ng isang thermistor ng PTC ay nagpapakita ng isang napakaliit na rehiyon ng NTC bago maabot ang switch point (o curie point), sa itaas kung saan ang paglaban ay tumataas nang mahigpit sa pamamagitan ng maraming mga order ng magnitude sa hanay ng maraming mga degree na Celsius. Sa ilalim ng labis na mga kondisyon, ang thermistor ng PTC ay bubuo ng malakas na pag-init ng sarili kapag lumampas ang temperatura ng paglipat, at ang paglaban nito ay tataas nang matindi, na mababawasan ang kasalukuyang input sa system, sa gayon ay maiiwasan ang pinsala. Ang paglipat ng punto ng PTC thermistors ay karaniwang sa pagitan ng 60 ° C at 120 ° C at hindi angkop para sa pagkontrol sa mga sukat ng temperatura sa isang malawak na hanay ng mga aplikasyon. Ang artikulong ito ay nakatuon sa mga thermistor ng NTC, na karaniwang maaaring masukat o masubaybayan ang mga temperatura na mula sa -80 ° C hanggang +150 ° C. Ang mga thermistor ng NTC ay may mga rating ng paglaban mula sa ilang mga ohms hanggang 10 MΩ sa 25 ° C. Tulad ng ipinapakita sa FIG. 1, ang pagbabago sa paglaban sa bawat degree celsius para sa mga thermistors ay mas binibigkas kaysa sa mga thermometer ng paglaban. Kung ikukumpara sa mga thermistors, ang mataas na sensitivity ng thermistor at mataas na halaga ng pagtutol ay pinasimple ang input circuitry nito, dahil ang mga thermistor ay hindi nangangailangan ng anumang espesyal na pagsasaayos ng mga kable, tulad ng 3-wire o 4-wire, upang mabayaran ang paglaban sa tingga. Ang disenyo ng thermistor ay gumagamit lamang ng isang simpleng pagsasaayos ng 2-wire.
Ang pagsukat ng temperatura na batay sa thermistor na batay sa thermistor ay nangangailangan ng tumpak na pagproseso ng signal, pag-convert ng analog-to-digital, linearization, at kabayaran, tulad ng ipinapakita sa FIG. 2.
Bagaman ang signal chain ay maaaring mukhang simple, maraming mga kumplikado na nakakaapekto sa laki, gastos, at pagganap ng buong motherboard. Kasama sa Portfolio ng ADI ng ADI ang ilang mga pinagsamang solusyon, tulad ng AD7124-4/AD7124-8, na nagbibigay ng isang bilang ng mga pakinabang para sa disenyo ng thermal system dahil ang karamihan sa mga bloke ng gusali na kinakailangan para sa isang application ay built-in. Gayunpaman, mayroong iba't ibang mga hamon sa pagdidisenyo at pag-optimize ng mga solusyon sa pagsukat ng temperatura na batay sa thermistor.
Tinatalakay ng artikulong ito ang bawat isa sa mga isyung ito at nagbibigay ng mga rekomendasyon para sa paglutas ng mga ito at karagdagang pagpapagaan ng proseso ng disenyo para sa mga naturang system.
Mayroong isang iba't ibang mgaNTC ThermistorsSa merkado ngayon, kaya ang pagpili ng tamang thermistor para sa iyong aplikasyon ay maaaring maging isang nakakatakot na gawain. Tandaan na ang mga thermistor ay nakalista sa pamamagitan ng kanilang nominal na halaga, na kung saan ay ang kanilang nominal na pagtutol sa 25 ° C. Samakatuwid, ang isang 10 kΩ thermistor ay may nominal na pagtutol na 10 kΩ sa 25 ° C. Ang mga thermistor ay may mga nominal o pangunahing mga halaga ng pagtutol na mula sa ilang mga ohms hanggang 10 MΩ. Ang mga thermistor na may mababang mga rating ng paglaban (nominal na paglaban ng 10 kΩ o mas kaunti) ay karaniwang sumusuporta sa mas mababang mga saklaw ng temperatura, tulad ng -50 ° C hanggang +70 ° C. Ang mga thermistor na may mas mataas na mga rating ng paglaban ay maaaring makatiis ng mga temperatura hanggang sa 300 ° C.
Ang elemento ng thermistor ay gawa sa metal oxide. Ang mga thermistor ay magagamit sa mga hugis ng bola, radial at SMD. Ang mga thermistor beads ay epoxy coated o glass encapsulated para sa dagdag na proteksyon. Ang mga thermistor na pinahiran ng bola ng Epoxy, ang mga thermistor ng radial at ibabaw ay angkop para sa mga temperatura hanggang sa 150 ° C. Ang mga thermistor ng glass bead ay angkop para sa pagsukat ng mataas na temperatura. Ang lahat ng mga uri ng coatings/packaging ay nagpoprotekta din laban sa kaagnasan. Ang ilang mga thermistors ay magkakaroon din ng karagdagang mga housings para sa dagdag na proteksyon sa mga malupit na kapaligiran. Ang mga thermistor ng bead ay may mas mabilis na oras ng pagtugon kaysa sa mga thermistor ng radial/SMD. Gayunpaman, hindi sila matibay. Samakatuwid, ang uri ng thermistor na ginamit ay nakasalalay sa application application at ang kapaligiran kung saan matatagpuan ang thermistor. Ang pangmatagalang katatagan ng isang thermistor ay nakasalalay sa materyal, packaging, at disenyo. Halimbawa, ang isang epoxy-coated NTC thermistor ay maaaring magbago ng 0.2 ° C bawat taon, habang ang isang selyadong thermistor ay nagbabago lamang ng 0.02 ° C bawat taon.
Ang mga thermistor ay dumating sa iba't ibang kawastuhan. Ang mga karaniwang thermistors ay karaniwang may katumpakan na 0.5 ° C hanggang 1.5 ° C. Ang rating ng paglaban ng thermistor at halaga ng beta (ratio ng 25 ° C hanggang 50 ° C/85 ° C) ay may pagpapaubaya. Tandaan na ang halaga ng beta ng thermistor ay nag -iiba ng tagagawa. Halimbawa, 10 kΩ NTC thermistors mula sa iba't ibang mga tagagawa ay magkakaroon ng iba't ibang mga halaga ng beta. Para sa mas tumpak na mga sistema, maaaring magamit ang mga thermistor tulad ng serye ng Omega ™ 44XXX. Mayroon silang isang katumpakan na 0.1 ° C o 0.2 ° C sa isang saklaw ng temperatura na 0 ° C hanggang 70 ° C. Samakatuwid, ang saklaw ng mga temperatura na maaaring masukat at ang katumpakan na kinakailangan sa saklaw ng temperatura ay tumutukoy kung ang mga thermistor ay angkop para sa application na ito. Mangyaring tandaan na ang mas mataas na kawastuhan ng serye ng Omega 44xxx, mas mataas ang gastos.
Upang mai -convert ang pagtutol sa degree celsius, karaniwang ginagamit ang halaga ng beta. Ang halaga ng beta ay natutukoy sa pamamagitan ng pag -alam ng dalawang puntos ng temperatura at ang kaukulang pagtutol sa bawat punto ng temperatura.
RT1 = Paglaban sa temperatura 1 RT2 = Paglaban sa temperatura 2 T1 = temperatura 1 (k) T2 = temperatura 2 (k)
Ginagamit ng gumagamit ang halaga ng beta na pinakamalapit sa saklaw ng temperatura na ginamit sa proyekto. Karamihan sa mga thermistor datasheet ay naglista ng isang halaga ng beta kasama ang isang pagtitiis sa pagtutol sa 25 ° C at isang pagpapaubaya para sa halaga ng beta.
Ang mas mataas na mga thermistor ng katumpakan at mataas na mga solusyon sa pagtatapos ng katumpakan tulad ng serye ng Omega 44XXX ay gumagamit ng equation ng Steinhart-Hart upang mai-convert ang paglaban sa degree Celsius. Ang Equation 2 ay nangangailangan ng tatlong constants A, B, at C, muli na ibinigay ng tagagawa ng sensor. Dahil ang mga coefficient ng equation ay nabuo gamit ang tatlong mga puntos ng temperatura, ang nagresultang equation ay nagpapaliit sa error na ipinakilala sa pamamagitan ng linearization (karaniwang 0.02 ° C).
Ang A, B at C ay mga constants na nagmula sa tatlong mga setting ng temperatura. R = thermistor resistance sa ohms t = temperatura sa k degree
Sa fig. 3 Ipinapakita ang kasalukuyang paggulo ng sensor. Ang kasalukuyang drive ay inilalapat sa thermistor at ang parehong kasalukuyang ay inilalapat sa risistor ng katumpakan; Ang isang katumpakan na risistor ay ginagamit bilang isang sanggunian para sa pagsukat. Ang halaga ng risistor ng sanggunian ay dapat na mas malaki kaysa o katumbas ng pinakamataas na halaga ng paglaban ng thermistor (depende sa pinakamababang temperatura na sinusukat sa system).
Kapag pumipili ng kasalukuyang paggulo, ang maximum na paglaban ng thermistor ay dapat na muling isaalang -alang. Tinitiyak nito na ang boltahe sa buong sensor at ang sanggunian ng sanggunian ay palaging nasa isang antas na katanggap -tanggap sa mga electronics. Ang patlang na kasalukuyang mapagkukunan ay nangangailangan ng ilang headroom o pagtutugma ng output. Kung ang thermistor ay may mataas na pagtutol sa pinakamababang nasusukat na temperatura, magreresulta ito sa isang napakababang kasalukuyang drive. Samakatuwid, ang boltahe na nabuo sa buong thermistor sa mataas na temperatura ay maliit. Ang mga yugto ng Gain ng Programmable ay maaaring magamit upang ma -optimize ang pagsukat ng mga mababang antas ng signal na ito. Gayunpaman, ang pakinabang ay dapat na na -program nang pabago -bago dahil ang antas ng signal mula sa thermistor ay nag -iiba nang malaki sa temperatura.
Ang isa pang pagpipilian ay upang itakda ang pakinabang ngunit gumamit ng dynamic na drive ng kasalukuyang. Samakatuwid, habang nagbabago ang antas ng signal mula sa thermistor, ang kasalukuyang halaga ng drive ay nagbabago nang pabago -bago upang ang boltahe na binuo sa buong thermistor ay nasa loob ng tinukoy na saklaw ng input ng elektronikong aparato. Dapat tiyakin ng gumagamit na ang boltahe na binuo sa buong risistor ng sanggunian ay nasa isang antas din na katanggap -tanggap sa electronics. Ang parehong mga pagpipilian ay nangangailangan ng isang mataas na antas ng kontrol, patuloy na pagsubaybay sa boltahe sa buong thermistor upang masukat ng electronics ang signal. Mayroon bang mas madaling pagpipilian? Isaalang -alang ang paggulo ng boltahe.
Kapag ang boltahe ng DC ay inilalapat sa thermistor, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng thermistor ay awtomatikong mga kaliskis habang nagbabago ang paglaban ng thermistor. Ngayon, gamit ang isang katumpakan na pagsukat ng risistor sa halip na isang risistor ng sanggunian, ang layunin nito ay upang makalkula ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng thermistor, kaya pinapayagan ang paglaban ng thermistor na kalkulahin. Dahil ang boltahe ng drive ay ginagamit din bilang signal ng sanggunian ng ADC, hindi kinakailangan ang yugto ng pakinabang. Ang processor ay walang trabaho sa pagsubaybay sa boltahe ng thermistor, pagtukoy kung ang antas ng signal ay maaaring masukat ng mga electronics, at kinakalkula kung ano ang kailangan ng pagkakaroon/kasalukuyang halaga na dapat ayusin. Ito ang pamamaraan na ginamit sa artikulong ito.
Kung ang thermistor ay may isang maliit na rating ng paglaban at saklaw ng paglaban, maaaring magamit ang boltahe o kasalukuyang paggulo. Sa kasong ito, ang kasalukuyang drive at pakinabang ay maaaring maayos. Kaya, ang circuit ay tulad ng ipinapakita sa Figure 3. Ang pamamaraang ito ay maginhawa sa posible na kontrolin ang kasalukuyang sa pamamagitan ng sensor at ang sanggunian ng sanggunian, na mahalaga sa mga mababang aplikasyon ng kuryente. Bilang karagdagan, ang pag-init ng sarili ng thermistor ay nabawasan.
Ang paggulo ng boltahe ay maaari ring magamit para sa mga thermistor na may mababang mga rating ng paglaban. Gayunpaman, dapat palaging tiyakin ng gumagamit na ang kasalukuyang sa pamamagitan ng sensor ay hindi masyadong mataas para sa sensor o aplikasyon.
Ang pagganyak ng boltahe ay pinapasimple ang pagpapatupad kapag gumagamit ng isang thermistor na may isang malaking rating ng paglaban at isang malawak na saklaw ng temperatura. Ang mas malaking paglaban sa nominal ay nagbibigay ng isang katanggap -tanggap na antas ng na -rate na kasalukuyang. Gayunpaman, kailangang tiyakin ng mga taga -disenyo na ang kasalukuyang ay nasa isang katanggap -tanggap na antas sa buong saklaw ng temperatura na suportado ng application.
Ang Sigma-Delta ADC ay nag-aalok ng maraming mga pakinabang kapag nagdidisenyo ng isang thermistor pagsukat system. Una, dahil ang Sigma-Delta ADC ay resamples ang analog input, ang panlabas na pag-filter ay pinananatiling minimum at ang tanging kinakailangan ay isang simpleng filter ng RC. Nagbibigay ang mga ito ng kakayahang umangkop sa uri ng filter at output rate ng baud. Ang built-in na digital na pag-filter ay maaaring magamit upang sugpuin ang anumang pagkagambala sa mga mains na aparato na pinapagana. Ang 24-bit na aparato tulad ng AD7124-4/AD7124-8 ay may isang buong resolusyon ng hanggang sa 21.7 bits, kaya nagbibigay sila ng mataas na resolusyon.
Ang paggamit ng isang Sigma-Delta ADC ay lubos na pinasimple ang disenyo ng thermistor habang binabawasan ang pagtutukoy, gastos sa system, puwang ng board, at oras sa merkado.
Ang artikulong ito ay gumagamit ng AD7124-4/AD7124-8 bilang ADC dahil ang mga ito ay mababa ang ingay, mababang kasalukuyang, katumpakan na mga ADC na may built-in na PGA, built-in na sanggunian, analog input, at sanggunian buffer.
Hindi alintana kung gumagamit ka ng drive kasalukuyang o drive boltahe, inirerekomenda ang isang ratiometric na pagsasaayos kung saan ang sanggunian ng boltahe at boltahe ng sensor ay nagmula sa parehong mapagkukunan ng drive. Nangangahulugan ito na ang anumang pagbabago sa mapagkukunan ng paggulo ay hindi makakaapekto sa kawastuhan ng pagsukat.
Sa fig. 5 ay nagpapakita ng patuloy na pagmamaneho ng kasalukuyang para sa thermistor at precision risistor RREF, ang boltahe na binuo sa buong RREF ay ang sanggunian ng sanggunian para sa pagsukat ng thermistor.
Ang patlang na kasalukuyang hindi kailangang maging tumpak at maaaring hindi gaanong matatag dahil ang anumang mga pagkakamali sa kasalukuyang patlang ay aalisin sa pagsasaayos na ito. Karaniwan, ang kasalukuyang paggulo ay ginustong sa paglipas ng boltahe na paggulo dahil sa higit na mahusay na kontrol sa sensitivity at mas mahusay na kaligtasan sa ingay kapag ang sensor ay matatagpuan sa mga malalayong lokasyon. Ang ganitong uri ng pamamaraan ng bias ay karaniwang ginagamit para sa mga RTD o thermistors na may mababang mga halaga ng pagtutol. Gayunpaman, para sa isang thermistor na may mas mataas na halaga ng paglaban at mas mataas na sensitivity, ang antas ng signal na nabuo ng bawat pagbabago ng temperatura ay magiging mas malaki, kaya ginagamit ang paggulo ng boltahe. Halimbawa, ang isang 10 kΩ thermistor ay may pagtutol na 10 kΩ sa 25 ° C. Sa -50 ° C, ang paglaban ng NTC thermistor ay 441.117 kΩ. Ang minimum na drive kasalukuyang ng 50 µA na ibinigay ng AD7124-4/AD7124-8 ay bumubuo ng 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, na napakataas at labas ng operating range ng karamihan sa mga magagamit na ADC na ginamit sa lugar na ito ng application. Ang mga thermistor ay karaniwang konektado o matatagpuan malapit sa electronics, kaya ang kaligtasan sa sakit upang magmaneho ng kasalukuyang hindi kinakailangan.
Ang pagdaragdag ng isang risistor ng pakiramdam sa serye bilang isang boltahe ng divider circuit ay limitahan ang kasalukuyang sa pamamagitan ng thermistor sa pinakamababang halaga ng paglaban. Sa pagsasaayos na ito, ang halaga ng kahulugan ng risistor rsense ay dapat na katumbas ng halaga ng thermistor resistan 25 ° CC Katulad nito, kung ang isang 10 kΩ thermistor na may isang pagtutol na 10 kΩ sa 25 ° C ay ginagamit, ang rsense ay dapat na 10 kΩ. Habang nagbabago ang temperatura, nagbabago din ang paglaban ng NTC thermistor, at ang ratio ng boltahe ng drive sa buong thermistor ay nagbabago din, na nagreresulta sa output boltahe na proporsyonal sa paglaban ng NTC thermistor.
Kung ang napiling sanggunian ng boltahe na ginamit upang mabigyan ng kapangyarihan ang thermistor at/o rsense ay tumutugma sa boltahe ng sanggunian ng ADC na ginamit para sa pagsukat, ang system ay nakatakda sa pagsukat ng ratiometric (Larawan 7) upang ang anumang mapagkukunan na may kaugnayan sa pag-excitation ay magiging bias upang alisin.
Tandaan na ang alinman sa kahulugan ng resistor (boltahe na hinimok) o ang sanggunian ng sanggunian (kasalukuyang hinihimok) ay dapat magkaroon ng isang mababang paunang pagpapaubaya at mababang pag -drift, dahil ang parehong mga variable ay maaaring makaapekto sa kawastuhan ng buong sistema.
Kapag gumagamit ng maraming mga thermistor, maaaring magamit ang isang boltahe ng paggulo. Gayunpaman, ang bawat thermistor ay dapat magkaroon ng sariling risistor ng katumpakan ng katumpakan, tulad ng ipinapakita sa FIG. 8. Ang isa pang pagpipilian ay ang paggamit ng isang panlabas na multiplexer o mababang paglaban sa switch sa estado, na nagbibigay-daan sa pagbabahagi ng isang katumpakan na risistor. Sa pagsasaayos na ito, ang bawat thermistor ay nangangailangan ng ilang oras ng pag -aayos kapag sinusukat.
Sa buod, kapag nagdidisenyo ng isang sistema ng pagsukat ng temperatura na batay sa thermistor, maraming mga katanungan ang dapat isaalang-alang: pagpili ng sensor, mga kable ng sensor, mga bahagi ng pagpili ng sangkap, pagsasaayos ng ADC, at kung paano nakakaapekto ang iba't ibang mga variable na ito sa pangkalahatang katumpakan ng system. Ang susunod na artikulo sa seryeng ito ay nagpapaliwanag kung paano mai -optimize ang iyong disenyo ng system at pangkalahatang badyet ng error sa system upang makamit ang iyong target na pagganap.