Ito ang unang artikulo sa dalawang-bahaging serye. Tatalakayin muna ng artikulong ito ang kasaysayan at mga hamon sa disenyo ngtemperaturang nakabatay sa thermistormga sistema ng pagsukat, pati na rin ang kanilang paghahambing sa mga sistema ng pagsukat ng temperatura ng resistance thermometer (RTD). Ilalarawan din nito ang pagpili ng thermistor, pagsasaayos ng mga trade-off, at ang kahalagahan ng sigma-delta analog-to-digital converters (ADCs) sa lugar ng application na ito. Idedetalye ng ikalawang artikulo kung paano i-optimize at suriin ang panghuling sistema ng pagsukat na nakabatay sa thermistor.
Tulad ng inilarawan sa nakaraang serye ng artikulo, Pag-optimize ng RTD Temperature Sensor Systems, ang RTD ay isang risistor na ang paglaban ay nag-iiba sa temperatura. Ang mga thermistor ay gumagana nang katulad sa mga RTD. Hindi tulad ng mga RTD, na may positibong koepisyent ng temperatura lamang, ang isang thermistor ay maaaring magkaroon ng positibo o negatibong koepisyent ng temperatura. Ang mga negatibong temperatura coefficient (NTC) thermistors ay bumababa sa kanilang resistensya habang tumataas ang temperatura, habang ang positive temperature coefficient (PTC) thermistors ay nagpapataas ng kanilang resistensya habang tumataas ang temperatura. Sa fig. Ipinapakita ng 1 ang mga katangian ng pagtugon ng mga tipikal na thermistor ng NTC at PTC at inihahambing ang mga ito sa mga curve ng RTD.
Sa mga tuntunin ng hanay ng temperatura, ang curve ng RTD ay halos linear, at ang sensor ay sumasaklaw sa isang mas malawak na hanay ng temperatura kaysa sa mga thermistor (karaniwang -200°C hanggang +850°C) dahil sa hindi linear (exponential) na katangian ng thermistor. Ang mga RTD ay karaniwang ibinibigay sa mga kilalang standardized na curve, habang ang mga thermistor curve ay nag-iiba ayon sa manufacturer. Tatalakayin natin ito nang detalyado sa seksyon ng gabay sa pagpili ng thermistor ng artikulong ito.
Ang mga thermistor ay ginawa mula sa mga composite na materyales, kadalasang ceramics, polymers, o semiconductors (karaniwang metal oxides) at purong metal (platinum, nickel, o copper). Ang mga thermistor ay maaaring makakita ng mga pagbabago sa temperatura nang mas mabilis kaysa sa mga RTD, na nagbibigay ng mas mabilis na feedback. Samakatuwid, ang mga thermistor ay karaniwang ginagamit ng mga sensor sa mga application na nangangailangan ng mababang gastos, maliit na sukat, mas mabilis na pagtugon, mas mataas na sensitivity, at limitadong hanay ng temperatura, tulad ng kontrol ng electronics, kontrol sa bahay at gusali, mga laboratoryo ng siyensya, o kompensasyon ng malamig na junction para sa mga thermocouples sa komersyal. o mga pang-industriyang aplikasyon. mga layunin. Mga aplikasyon.
Sa karamihan ng mga kaso, ginagamit ang mga thermistor ng NTC para sa tumpak na pagsukat ng temperatura, hindi mga thermistor ng PTC. Ang ilang PTC thermistor ay magagamit na maaaring magamit sa mga overcurrent na circuit ng proteksyon o bilang mga na-reset na piyus para sa mga aplikasyong pangkaligtasan. Ang curve ng resistance-temperature ng isang PTC thermistor ay nagpapakita ng napakaliit na rehiyon ng NTC bago maabot ang switch point (o Curie point), kung saan ang resistance ay tumataas nang husto ng ilang order ng magnitude sa hanay na ilang degrees Celsius. Sa ilalim ng overcurrent na mga kondisyon, ang PTC thermistor ay bubuo ng malakas na pag-init sa sarili kapag nalampasan ang temperatura ng paglipat, at ang resistensya nito ay tataas nang husto, na magbabawas sa kasalukuyang input sa system, at sa gayon ay maiiwasan ang pinsala. Ang switching point ng PTC thermistors ay karaniwang nasa 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. Nakatuon ang artikulong ito sa mga thermistor ng NTC, na karaniwang maaaring sumukat o sumusubaybay sa mga temperatura mula -80°C hanggang +150°C. Ang mga thermistor ng NTC ay may mga rating ng pagtutol mula sa ilang ohms hanggang 10 MΩ sa 25°C. Gaya ng ipinapakita sa fig. 1, ang pagbabago sa paglaban sa bawat degree na Celsius para sa mga thermistor ay mas malinaw kaysa sa mga thermometer ng paglaban. Kung ikukumpara sa mga thermistor, ang mataas na sensitivity at mataas na resistensya ng thermistor ay nagpapasimple sa 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 lead. Ang disenyo ng thermistor ay gumagamit lamang ng isang simpleng 2-wire na configuration.
Ang pagsukat ng temperatura na nakabatay sa mataas na katumpakan ng thermistor ay nangangailangan ng tumpak na pagpoproseso ng signal, analog-to-digital na conversion, linearization, at kompensasyon, tulad ng ipinapakita sa fig. 2.
Bagama't mukhang simple ang chain ng signal, may ilang mga kumplikadong nakakaapekto sa laki, gastos, at pagganap ng buong motherboard. Kasama sa portfolio ng precision na ADC ng ADI ang ilang pinagsama-samang solusyon, tulad ng AD7124-4/AD7124-8, na nagbibigay ng ilang mga pakinabang para sa disenyo ng thermal system dahil karamihan sa mga bloke ng gusali na kailangan 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 nakabatay 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 higit pang pagpapasimple sa proseso ng disenyo para sa mga naturang sistema.
Mayroong iba't ibang uri ngMga thermistor ng NTCsa 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 ayon sa kanilang nominal na halaga, na 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 nominal o pangunahing mga halaga ng pagtutol mula sa ilang ohms hanggang 10 MΩ. Ang mga thermistor na may mababang mga rating ng paglaban (nominal na pagtutol na 10 kΩ o mas mababa) ay karaniwang sumusuporta sa mas mababang mga hanay ng temperatura, gaya ng -50°C hanggang +70°C. Ang mga thermistor na may mas mataas na mga rating ng pagtutol ay maaaring makatiis ng mga temperatura hanggang 300°C.
Ang elemento ng thermistor ay gawa sa metal oxide. Available ang mga thermistor sa mga hugis ng bola, radial at SMD. Thermistor beads ay epoxy coated o glass encapsulated para sa karagdagang proteksyon. Ang epoxy coated ball thermistors, radial at surface thermistors ay angkop para sa mga temperatura hanggang 150°C. Ang mga glass bead thermistor ay angkop para sa pagsukat ng mataas na temperatura. Ang lahat ng uri ng coatings/packaging ay nagpoprotekta rin laban sa corrosion. Ang ilang mga thermistor ay magkakaroon din ng mga karagdagang pabahay para sa karagdagang proteksyon sa malupit na kapaligiran. Ang mga bead thermistor ay may mas mabilis na oras ng pagtugon kaysa sa radial/SMD thermistors. Gayunpaman, hindi sila matibay. Samakatuwid, ang uri ng thermistor na ginamit ay nakasalalay sa pagtatapos ng aplikasyon at sa kapaligiran kung saan matatagpuan ang thermistor. Ang pangmatagalang katatagan ng isang thermistor ay nakasalalay sa materyal, packaging, at disenyo nito. Halimbawa, ang isang epoxy-coated na 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.
May iba't ibang katumpakan ang mga thermistor. Ang mga karaniwang thermistor ay karaniwang may katumpakan na 0.5°C hanggang 1.5°C. Ang thermistor resistance rating at beta value (ratio na 25°C hanggang 50°C/85°C) ay may tolerance. Tandaan na ang beta value ng thermistor ay nag-iiba ayon sa manufacturer. Halimbawa, ang 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 system, maaaring gamitin ang mga thermistor gaya ng Omega™ 44xxx series. Mayroon silang katumpakan na 0.1°C o 0.2°C sa hanay ng temperatura na 0°C hanggang 70°C. Samakatuwid, ang hanay ng mga temperatura na maaaring masukat at ang katumpakan na kinakailangan sa hanay ng temperatura ay tumutukoy kung ang mga thermistor ay angkop para sa application na ito. Pakitandaan na kung mas mataas ang katumpakan ng serye ng Omega 44xxx, mas mataas ang gastos.
Upang i-convert ang paglaban sa degrees Celsius, karaniwang ginagamit ang beta value. Natutukoy ang halaga ng beta sa pamamagitan ng pag-alam sa dalawang punto ng temperatura at ang katumbas na paglaban sa bawat punto ng temperatura.
RT1 = Temperatura paglaban 1 RT2 = Temperatura paglaban 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Ginagamit ng user ang beta value na pinakamalapit sa hanay ng temperatura na ginamit sa proyekto. Karamihan sa mga datasheet ng thermistor ay naglilista ng beta value kasama ng resistance tolerance sa 25°C at tolerance para sa beta value.
Ang mas mataas na precision thermistors at high precision termination solution gaya ng Omega 44xxx series ay gumagamit ng Steinhart-Hart equation para i-convert ang resistance sa degrees Celsius. Ang equation 2 ay nangangailangan ng tatlong constants A, B, at C, na muling ibinigay ng tagagawa ng sensor. Dahil ang mga coefficient ng equation ay nabuo gamit ang tatlong temperature point, pinapaliit ng resultang equation ang error na ipinakilala ng linearization (karaniwang 0.02 °C).
Ang A, B at C ay mga constant na nagmula sa tatlong setpoint ng temperatura. R = thermistor resistance sa ohms T = temperatura sa K degrees
Sa fig. Ipinapakita ng 3 ang kasalukuyang paggulo ng sensor. Ang kasalukuyang drive ay inilapat sa thermistor at ang parehong kasalukuyang ay inilapat sa precision risistor; ang isang precision risistor ay ginagamit bilang isang sanggunian para sa pagsukat. Ang halaga ng reference resistor ay dapat na mas malaki kaysa o katumbas ng pinakamataas na halaga ng thermistor resistance (depende sa pinakamababang temperatura na sinusukat sa system).
Kapag pumipili ng kasalukuyang paggulo, ang maximum na pagtutol ng thermistor ay dapat muling isaalang-alang. Tinitiyak nito na ang boltahe sa sensor at ang reference na risistor ay palaging nasa antas na katanggap-tanggap sa mga electronics. Ang kasalukuyang pinagmulan ng field ay nangangailangan ng ilang headroom o pagtutugma ng output. Kung ang thermistor ay may mataas na resistensya 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. Maaaring gamitin ang mga programmable gain stage para i-optimize ang pagsukat ng mga mababang antas ng signal na ito. Gayunpaman, ang nakuha ay dapat na nakaprograma nang pabago-bago dahil ang antas ng signal mula sa thermistor ay lubhang nag-iiba sa temperatura.
Ang isa pang pagpipilian ay itakda ang pakinabang ngunit gumamit ng dynamic na drive current. Samakatuwid, habang nagbabago ang antas ng signal mula sa thermistor, nagbabago ang kasalukuyang halaga ng drive upang ang boltahe na nabuo sa buong thermistor ay nasa loob ng tinukoy na saklaw ng input ng elektronikong aparato. Dapat tiyakin ng user na ang boltahe na binuo sa reference na risistor ay nasa antas na katanggap-tanggap sa electronics. Ang parehong mga opsyon ay nangangailangan ng mataas na antas ng kontrol, patuloy na pagsubaybay sa boltahe sa thermistor upang masukat ng electronics ang signal. Mayroon bang mas madaling opsyon? Isaalang-alang ang paggulo ng boltahe.
Kapag ang DC boltahe ay inilapat sa thermistor, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng thermistor awtomatikong kaliskis habang nagbabago ang resistensya ng thermistor. Ngayon, gamit ang isang risistor sa pagsukat ng katumpakan sa halip na isang risistor ng sanggunian, ang layunin nito ay kalkulahin ang kasalukuyang dumadaloy sa 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 gain. Ang processor ay walang trabaho sa pagsubaybay sa boltahe ng thermistor, pagtukoy kung ang antas ng signal ay masusukat ng electronics, at pagkalkula kung anong drive gain/kasalukuyang halaga ang kailangang ayusin. Ito ang paraan na ginamit sa artikulong ito.
Kung ang thermistor ay may maliit na rating ng pagtutol at hanay ng paglaban, maaaring gamitin ang boltahe o kasalukuyang paggulo. Sa kasong ito, maaaring maayos ang drive current at gain. Kaya, ang circuit ay magiging tulad ng ipinapakita sa Figure 3. Ang pamamaraang ito ay maginhawa dahil posible na kontrolin ang kasalukuyang sa pamamagitan ng sensor at ang reference na risistor, na mahalaga sa mga aplikasyon ng mababang kapangyarihan. Bilang karagdagan, ang pag-init sa sarili ng thermistor ay pinaliit.
Ang paggulo ng boltahe ay maaari ding gamitin para sa mga thermistor na may mababang mga rating ng pagtutol. Gayunpaman, dapat palaging tiyakin ng user na ang kasalukuyang sa pamamagitan ng sensor ay hindi masyadong mataas para sa sensor o application.
Pinapasimple ng boltahe na paggulo ang pagpapatupad kapag gumagamit ng thermistor na may malaking rating ng pagtutol at malawak na hanay ng temperatura. Ang mas malaking nominal na pagtutol ay nagbibigay ng katanggap-tanggap na antas ng kasalukuyang na-rate. Gayunpaman, kailangang tiyakin ng mga taga-disenyo na ang kasalukuyang nasa isang katanggap-tanggap na antas sa buong hanay ng temperatura na sinusuportahan ng application.
Ang mga Sigma-Delta ADC ay nag-aalok ng ilang mga pakinabang kapag nagdidisenyo ng isang sistema ng pagsukat ng thermistor. Una, dahil ang sigma-delta ADC ay nagre-resample ng analog input, ang panlabas na pag-filter ay pinananatiling minimum at ang tanging kinakailangan ay isang simpleng RC filter. Nagbibigay ang mga ito ng flexibility sa uri ng filter at output baud rate. Maaaring gamitin ang built-in na digital na pag-filter para sugpuin ang anumang interference sa mga mains powered device. Ang mga 24-bit na device gaya ng AD7124-4/AD7124-8 ay may buong resolution na hanggang 21.7 bits, kaya nagbibigay sila ng mataas na resolution.
Ang paggamit ng isang sigma-delta ADC ay lubos na nagpapasimple sa disenyo ng thermistor habang binabawasan ang detalye, gastos ng system, espasyo ng board, at oras sa merkado.
Ginagamit ng artikulong ito ang AD7124-4/AD7124-8 bilang ADC dahil mababa ang ingay, mababa ang kasalukuyang, mga precision na ADC na may built-in na PGA, built-in na reference, analog input, at reference buffer.
Hindi alintana kung gumagamit ka ng kasalukuyang drive o boltahe ng drive, inirerekomenda ang isang ratiometric na configuration kung saan ang reference na boltahe at boltahe ng sensor ay nagmumula sa parehong pinagmulan ng drive. Nangangahulugan ito na ang anumang pagbabago sa pinagmulan ng paggulo ay hindi makakaapekto sa katumpakan ng pagsukat.
Sa fig. Ipinapakita ng 5 ang patuloy na kasalukuyang drive para sa thermistor at precision resistor RREF, ang boltahe na binuo sa buong RREF ay ang reference na boltahe para sa pagsukat ng thermistor.
Ang kasalukuyang field ay hindi kailangang tumpak at maaaring hindi gaanong matatag dahil ang anumang mga error sa kasalukuyang field ay aalisin sa pagsasaayos na ito. Sa pangkalahatan, ang kasalukuyang paggulo ay mas gusto kaysa sa boltahe na paggulo dahil sa superior sensitivity control at mas mahusay na noise immunity kapag ang sensor ay matatagpuan sa mga malalayong lokasyon. Ang ganitong uri ng bias na paraan ay karaniwang ginagamit para sa mga RTD o thermistor na may mababang halaga ng resistensya. Gayunpaman, para sa isang thermistor na may mas mataas na halaga ng resistensya at mas mataas na sensitivity, ang antas ng signal na nabuo ng bawat pagbabago ng temperatura ay magiging mas malaki, kaya ang boltahe na paggulo ay ginagamit. Halimbawa, ang isang 10 kΩ thermistor ay may resistensya na 10 kΩ sa 25°C. Sa -50°C, ang resistensya ng NTC thermistor ay 441.117 kΩ. Ang pinakamababang drive current na 50 µA na ibinigay ng AD7124-4/AD7124-8 ay bumubuo ng 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, na masyadong mataas at nasa labas ng operating range ng karamihan sa mga available na ADC na ginagamit sa application area na ito. Ang mga thermistor ay kadalasang konektado o matatagpuan malapit sa electronics, kaya hindi kinakailangan ang kaligtasan sa pag-drive ng kasalukuyang.
Ang pagdaragdag ng sense resistor sa serye bilang isang circuit divider ng boltahe ay maglilimita sa kasalukuyang sa pamamagitan ng thermistor sa pinakamababang halaga ng pagtutol nito. Sa pagsasaayos na ito, ang halaga ng sense resistor RSENSE ay dapat na katumbas ng halaga ng thermistor resistance sa isang reference na temperatura na 25°C, upang ang output boltahe ay magiging katumbas ng midpoint ng reference na boltahe sa nominal na temperatura nito na 25°CC Katulad nito, kung ang isang 10 kΩ thermistor na may resistensyang 10 kΩ sa 25°C ay ginagamit, ang RSENSE ay dapat na 10 kΩ. Habang nagbabago ang temperatura, nagbabago rin ang resistensya ng thermistor ng NTC, at nagbabago rin ang ratio ng boltahe ng drive sa thermistor, na nagreresulta sa pagiging proporsyonal ng boltahe ng output sa paglaban ng thermistor ng NTC.
Kung ang napiling sanggunian ng boltahe na ginamit upang paganahin ang thermistor at/o RSENSE ay tumutugma sa boltahe ng sangguniang ADC na ginamit para sa pagsukat, ang system ay itatakda sa ratiometric na pagsukat (Figure 7) upang ang anumang pinagmulan ng boltahe na nauugnay sa paggulo ay magiging bias na alisin.
Tandaan na ang alinman sa sense resistor (voltage driven) o ang reference resistor (current driven) ay dapat magkaroon ng mababang paunang tolerance at mababang drift, dahil ang parehong mga variable ay maaaring makaapekto sa katumpakan ng buong system.
Kapag gumagamit ng maraming thermistor, maaaring gamitin ang isang boltahe ng paggulo. Gayunpaman, ang bawat thermistor ay dapat magkaroon ng sarili nitong precision sense resistor, tulad ng ipinapakita sa fig. 8. Ang isa pang opsyon ay ang paggamit ng external multiplexer o low-resistance switch sa on state, na nagpapahintulot sa pagbabahagi ng isang precision sense risistor. Sa pagsasaayos na ito, ang bawat thermistor ay nangangailangan ng ilang oras ng pag-aayos kapag sinusukat.
Sa buod, kapag nagdidisenyo ng sistema ng pagsukat ng temperatura na nakabatay sa thermistor, maraming tanong ang dapat isaalang-alang: pagpili ng sensor, mga wiring ng sensor, mga trade-off sa pagpili ng bahagi, configuration ng ADC, at kung paano nakakaapekto ang iba't ibang variable na ito sa pangkalahatang katumpakan ng system. Ipinapaliwanag ng susunod na artikulo sa seryeng ito kung paano i-optimize ang disenyo ng iyong system at pangkalahatang badyet ng error sa system upang makamit ang iyong target na pagganap.
Oras ng post: Set-30-2022