Dan huwa l-ewwel artiklu f'sensiela ta' żewġ partijiet. Dan l-artiklu l-ewwel se jiddiskuti l-istorja u l-isfidi tad-disinn ta'temperatura bbażata fuq termistorsistemi ta' kejl, kif ukoll it-tqabbil tagħhom mas-sistemi ta' kejl tat-temperatura tat-termometru tar-reżistenza (RTD). Se jiddeskrivi wkoll l-għażla tat-termistor, il-kompromessi tal-konfigurazzjoni, u l-importanza tal-konvertituri analogi għal diġitali (ADCs) sigma-delta f'dan il-qasam ta' applikazzjoni. It-tieni artiklu se jiddettalja kif tiġi ottimizzata u evalwata s-sistema finali ta' kejl ibbażata fuq termistor.
Kif deskritt fis-sensiela ta' artikli preċedenti, Ottimizzazzjoni tas-Sistemi tas-Sensuri tat-Temperatura RTD, RTD huwa reżistur li r-reżistenza tiegħu tvarja mat-temperatura. It-termistors jaħdmu b'mod simili għall-RTDs. B'differenza mill-RTDs, li għandhom biss koeffiċjent tat-temperatura pożittiv, termistor jista' jkollu koeffiċjent tat-temperatura pożittiv jew negattiv. It-termistors b'koeffiċjent tat-temperatura negattiv (NTC) inaqqsu r-reżistenza tagħhom hekk kif it-temperatura tiżdied, filwaqt li t-termistors b'koeffiċjent tat-temperatura pożittiv (PTC) iżidu r-reżistenza tagħhom hekk kif it-temperatura tiżdied. Fil-figura 1 jidhru l-karatteristiċi tar-rispons tat-termistors tipiċi NTC u PTC u jitqabblu mal-kurvi tal-RTD.
F'termini ta' firxa ta' temperatura, il-kurva RTD hija kważi lineari, u s-senser ikopri firxa ta' temperatura ferm usa' mit-termistors (tipikament -200°C sa +850°C) minħabba n-natura mhux lineari (esponenzjali) tat-termistor. L-RTDs ġeneralment jiġu pprovduti f'kurvi standardizzati magħrufa sew, filwaqt li l-kurvi tat-termistor ivarjaw skont il-manifattur. Se niddiskutu dan fid-dettall fit-taqsima tal-gwida tal-għażla tat-termistor ta' dan l-artikolu.
It-termistors huma magħmula minn materjali komposti, ġeneralment ċeramika, polimeri, jew semikondutturi (ġeneralment ossidi tal-metall) u metalli puri (platinu, nikil, jew ram). It-termistors jistgħu jiskopru bidliet fit-temperatura aktar malajr mill-RTDs, u jipprovdu feedback aktar mgħaġġel. Għalhekk, it-termistors huma komunement użati minn sensuri f'applikazzjonijiet li jeħtieġu spiża baxxa, daqs żgħir, rispons aktar mgħaġġel, sensittività ogħla, u firxa limitata ta' temperatura, bħal kontroll elettroniku, kontroll tad-djar u tal-bini, laboratorji xjentifiċi, jew kumpensazzjoni ta' ġunzjoni kiesħa għal termokoppji f'applikazzjonijiet kummerċjali jew industrijali. Applikazzjonijiet.
Fil-biċċa l-kbira tal-każijiet, it-termistors NTC jintużaw għal kejl preċiż tat-temperatura, mhux it-termistors PTC. Hemm xi termistors PTC disponibbli li jistgħu jintużaw f'ċirkwiti ta' protezzjoni kontra kurrent żejjed jew bħala fjusis li jistgħu jiġu ssettjati mill-ġdid għal applikazzjonijiet ta' sigurtà. Il-kurva tar-reżistenza-temperatura ta' termistor PTC turi reġjun NTC żgħir ħafna qabel ma tilħaq il-punt tas-swiċċ (jew il-punt Curie), li 'l fuq minnu r-reżistenza tiżdied sew b'diversi ordnijiet ta' kobor fil-medda ta' diversi gradi Celsius. Taħt kundizzjonijiet ta' kurrent żejjed, it-termistor PTC jiġġenera awtotisħin qawwi meta tinqabeż it-temperatura tas-swiċċjar, u r-reżistenza tiegħu tiżdied sew, li tnaqqas il-kurrent tad-dħul għas-sistema, u b'hekk tevita l-ħsara. Il-punt tas-swiċċjar tat-termistors PTC huwa tipikament bejn 60°C u 120°C u mhuwiex adattat għall-kontroll tal-kejl tat-temperatura f'firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet. Dan l-artiklu jiffoka fuq it-termistors NTC, li tipikament jistgħu jkejlu jew jimmonitorjaw temperaturi li jvarjaw minn -80°C sa +150°C. It-termistors NTC għandhom klassifikazzjonijiet ta' reżistenza li jvarjaw minn ftit ohms sa 10 MΩ f'25°C. Kif muri fil-figura 1, il-bidla fir-reżistenza għal kull grad Celsius għat-termistors hija aktar evidenti milli għat-termometri tar-reżistenza. Meta mqabbla mat-termistors, is-sensittività għolja u l-valur għoli tar-reżistenza tat-termistor jissimplifikaw iċ-ċirkwitarja tad-dħul tiegħu, peress li t-termistors ma jeħtiġux konfigurazzjoni speċjali tal-wajers, bħal 3-wajers jew 4-wajers, biex jikkumpensaw għar-reżistenza taċ-ċomb. Id-disinn tat-termistor juża biss konfigurazzjoni sempliċi ta' 2-wajers.
Kejl tat-temperatura bbażat fuq termistor ta' preċiżjoni għolja jeħtieġ ipproċessar preċiż tas-sinjali, konverżjoni minn analogu għal diġitali, linearizzazzjoni, u kumpensazzjoni, kif muri fil-figura 2.
Għalkemm il-katina tas-sinjali tista' tidher sempliċi, hemm diversi kumplessitajiet li jaffettwaw id-daqs, l-ispiża, u l-prestazzjoni tal-motherboard kollha. Il-portafoll tal-ADC ta' preċiżjoni tal-ADI jinkludi diversi soluzzjonijiet integrati, bħall-AD7124-4/AD7124-8, li jipprovdu numru ta' vantaġġi għad-disinn tas-sistema termali peress li ħafna mill-blokki tal-bini meħtieġa għal applikazzjoni huma integrati. Madankollu, hemm diversi sfidi fid-disinn u l-ottimizzazzjoni ta' soluzzjonijiet ta' kejl tat-temperatura bbażati fuq termistor.
Dan l-artikolu jiddiskuti kull waħda minn dawn il-kwistjonijiet u jipprovdi rakkomandazzjonijiet biex isolvihom u jissimplifika aktar il-proċess tad-disinn għal sistemi bħal dawn.
Hemm varjetà wiesgħa ta'Termisturi NTCfis-suq illum, għalhekk l-għażla tat-termistor it-tajjeb għall-applikazzjoni tiegħek tista' tkun kompitu diffiċli. Innota li t-termistors huma elenkati bil-valur nominali tagħhom, li huwa r-reżistenza nominali tagħhom f'25°C. Għalhekk, termistor ta' 10 kΩ għandu reżistenza nominali ta' 10 kΩ f'25°C. It-termistors għandhom valuri ta' reżistenza nominali jew bażiċi li jvarjaw minn ftit ohms sa 10 MΩ. Termistors bi klassifikazzjonijiet ta' reżistenza baxxa (reżistenza nominali ta' 10 kΩ jew inqas) tipikament jappoġġjaw firxiet ta' temperatura aktar baxxi, minn -50°C sa +70°C. Termistors bi klassifikazzjonijiet ta' reżistenza ogħla jistgħu jifilħu temperaturi sa 300°C.
L-element tat-termistor huwa magħmul minn ossidu tal-metall. It-termistors huma disponibbli f'forom ta' ballun, radjali u SMD. Iż-żibeġ tat-termistor huma miksija bl-epossi jew inkapsulati bil-ħġieġ għal protezzjoni miżjuda. It-termistors tal-ballun miksija bl-epossi, it-termistors radjali u tal-wiċċ huma adattati għal temperaturi sa 150°C. It-termistors biż-żibeġ tal-ħġieġ huma adattati għall-kejl ta' temperaturi għoljin. It-tipi kollha ta' kisi/ippakkjar jipproteġu wkoll kontra l-korrużjoni. Xi termistors se jkollhom ukoll housings addizzjonali għal protezzjoni miżjuda f'ambjenti ħorox. It-termistors biż-żibeġ għandhom ħin ta' rispons aktar mgħaġġel mit-termistors radjali/SMD. Madankollu, mhumiex daqshekk durabbli. Għalhekk, it-tip ta' termistor użat jiddependi fuq l-applikazzjoni finali u l-ambjent li fih jinsab it-termistor. L-istabbiltà fit-tul ta' termistor tiddependi fuq il-materjal, l-ippakkjar u d-disinn tiegħu. Pereżempju, termistor NTC miksi bl-epossi jista' jinbidel 0.2°C fis-sena, filwaqt li termistor issiġillat jinbidel biss 0.02°C fis-sena.
It-termistors jiġu b'eżattezza differenti. It-termistors standard tipikament ikollhom preċiżjoni ta' 0.5°C sa 1.5°C. Il-klassifikazzjoni tar-reżistenza tat-termistor u l-valur beta (proporzjon ta' 25°C sa 50°C/85°C) għandhom tolleranza. Innota li l-valur beta tat-termistor ivarja skont il-manifattur. Pereżempju, termistors NTC ta' 10 kΩ minn manifatturi differenti se jkollhom valuri beta differenti. Għal sistemi aktar preċiżi, jistgħu jintużaw termistors bħas-serje Omega™ 44xxx. Għandhom preċiżjoni ta' 0.1°C jew 0.2°C fuq medda ta' temperatura ta' 0°C sa 70°C. Għalhekk, il-medda ta' temperaturi li jistgħu jitkejlu u l-preċiżjoni meħtieġa fuq dik il-medda ta' temperatura tiddetermina jekk it-termistors humiex adattati għal din l-applikazzjoni. Jekk jogħġbok innota li iktar ma tkun għolja l-preċiżjoni tas-serje Omega 44xxx, iktar ikun għoli l-ispiża.
Biex tikkonverti r-reżistenza għal gradi Celsius, ġeneralment jintuża l-valur beta. Il-valur beta jiġi determinat billi tkun taf iż-żewġ punti tat-temperatura u r-reżistenza korrispondenti f'kull punt tat-temperatura.
RT1 = Reżistenza għat-temperatura 1 RT2 = Reżistenza għat-temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
L-utent juża l-valur beta l-eqreb għall-medda tat-temperatura użata fil-proġett. Il-biċċa l-kbira tad-datasheets tat-termistor jelenkaw valur beta flimkien ma' tolleranza ta' reżistenza f'25°C u tolleranza għall-valur beta.
Termistors ta' preċiżjoni ogħla u soluzzjonijiet ta' terminazzjoni ta' preċiżjoni għolja bħas-serje Omega 44xxx jużaw l-ekwazzjoni Steinhart-Hart biex jikkonvertu r-reżistenza għal gradi Celsius. L-ekwazzjoni 2 teħtieġ it-tliet kostanti A, B, u C, li għal darb'oħra huma pprovduti mill-manifattur tas-sensur. Minħabba li l-koeffiċjenti tal-ekwazzjoni huma ġġenerati bl-użu ta' tliet punti ta' temperatura, l-ekwazzjoni li tirriżulta timminimizza l-iżball introdott mil-linearizzazzjoni (tipikament 0.02 °C).
A, B u C huma kostanti derivati minn tliet punti ta' ssettjar tat-temperatura. R = reżistenza tat-termistor f'ohms T = temperatura f'K gradi
Il-figura 3 turi l-eċitazzjoni tal-kurrent tas-sensorju. Il-kurrent tas-sewqan jiġi applikat għat-termistor u l-istess kurrent jiġi applikat għar-reżistur ta' preċiżjoni; reżistur ta' preċiżjoni jintuża bħala referenza għall-kejl. Il-valur tar-reżistur ta' referenza għandu jkun akbar minn jew ugwali għall-ogħla valur tar-reżistenza tat-termistor (skont l-inqas temperatura mkejla fis-sistema).
Meta tagħżel il-kurrent ta' eċċitazzjoni, trid terġa' titqies ir-reżistenza massima tat-termistor. Dan jiżgura li l-vultaġġ bejn is-sensor u r-reżistur ta' referenza jkun dejjem f'livell aċċettabbli għall-elettronika. Is-sors tal-kurrent tal-kamp jeħtieġ xi spazju żejjed jew tqabbil tal-output. Jekk it-termistor ikollu reżistenza għolja fl-inqas temperatura li tista' titkejjel, dan jirriżulta f'kurrent ta' sewqan baxx ħafna. Għalhekk, il-vultaġġ iġġenerat bejn it-termistor f'temperatura għolja huwa żgħir. Stadji ta' qligħ programmabbli jistgħu jintużaw biex jottimizzaw il-kejl ta' dawn is-sinjali ta' livell baxx. Madankollu, il-qligħ irid jiġi pprogrammat dinamikament għaliex il-livell tas-sinjal mit-termistor ivarja ħafna mat-temperatura.
Għażla oħra hija li tissettja l-qligħ iżda tuża kurrent dinamiku tas-sewqan. Għalhekk, hekk kif il-livell tas-sinjal mit-termistor jinbidel, il-valur tal-kurrent tas-sewqan jinbidel dinamikament sabiex il-vultaġġ żviluppat fit-termistor ikun fil-medda speċifikata tad-dħul tal-apparat elettroniku. L-utent irid jiżgura li l-vultaġġ żviluppat fir-reżistur ta' referenza jkun ukoll f'livell aċċettabbli għall-elettronika. Iż-żewġ għażliet jeħtieġu livell għoli ta' kontroll, monitoraġġ kostanti tal-vultaġġ fit-termistor sabiex l-elettronika tkun tista' tkejjel is-sinjal. Hemm għażla aktar faċli? Ikkunsidra l-eċitazzjoni tal-vultaġġ.
Meta jiġi applikat vultaġġ DC għat-termistor, il-kurrent mit-termistor awtomatikament jiżdied hekk kif tinbidel ir-reżistenza tat-termistor. Issa, bl-użu ta' reżistur tal-kejl ta' preċiżjoni minflok reżistur ta' referenza, l-iskop tiegħu huwa li jikkalkula l-kurrent li jgħaddi mit-termistor, u b'hekk jippermetti li tiġi kkalkulata r-reżistenza tat-termistor. Peress li l-vultaġġ tas-sewqan jintuża wkoll bħala s-sinjal ta' referenza tal-ADC, mhu meħtieġ l-ebda stadju ta' qligħ. Il-proċessur m'għandux ix-xogħol li jimmonitorja l-vultaġġ tat-termistor, jiddetermina jekk il-livell tas-sinjal jistax jitkejjel mill-elettronika, u jikkalkula liema valur ta' qligħ/kurrent tas-sewqan jeħtieġ li jiġi aġġustat. Dan huwa l-metodu użat f'dan l-artikolu.
Jekk it-termistor għandu klassifikazzjoni ta' reżistenza żgħira u firxa ta' reżistenza żgħira, tista' tintuża eċċitazzjoni tal-vultaġġ jew tal-kurrent. F'dan il-każ, il-kurrent tas-sewqan u l-qligħ jistgħu jiġu ffissati. Għalhekk, iċ-ċirkwit ikun kif muri fil-Figura 3. Dan il-metodu huwa konvenjenti għax huwa possibbli li jiġi kkontrollat il-kurrent permezz tas-sensor u r-reżistur ta' referenza, li huwa ta' valur f'applikazzjonijiet ta' enerġija baxxa. Barra minn hekk, it-tisħin awtomatiku tat-termistor huwa minimizzat.
L-eċitazzjoni tal-vultaġġ tista' tintuża wkoll għal termistors b'klassifikazzjonijiet ta' reżistenza baxxa. Madankollu, l-utent għandu dejjem jiżgura li l-kurrent li jgħaddi mis-sensor ma jkunx għoli wisq għas-sensor jew għall-applikazzjoni.
L-eċitazzjoni tal-vultaġġ tissimplifika l-implimentazzjoni meta jintuża termistor b'klassifikazzjoni ta' reżistenza kbira u firxa wiesgħa ta' temperatura. Reżistenza nominali akbar tipprovdi livell aċċettabbli ta' kurrent nominali. Madankollu, id-disinjaturi jeħtieġ li jiżguraw li l-kurrent ikun f'livell aċċettabbli fuq il-firxa kollha tat-temperatura appoġġjata mill-applikazzjoni.
L-ADCs Sigma-Delta joffru diversi vantaġġi meta tkun qed tiddisinja sistema ta' kejl bit-termistor. L-ewwelnett, minħabba li l-ADC sigma-delta jerġa' jieħu kampjuni tal-input analogu, il-filtrazzjoni esterna tinżamm għall-minimu u l-uniku rekwiżit huwa filtru RC sempliċi. Huma jipprovdu flessibbiltà fit-tip ta' filtru u r-rata tal-baud tal-output. Filtrazzjoni diġitali integrata tista' tintuża biex trażżan kwalunkwe interferenza f'apparati li jaħdmu bil-mejns. Apparati ta' 24-bit bħall-AD7124-4/AD7124-8 għandhom riżoluzzjoni sħiħa sa 21.7 bits, għalhekk jipprovdu riżoluzzjoni għolja.
L-użu ta' ADC sigma-delta jissimplifika ħafna d-disinn tat-termistor filwaqt li jnaqqas l-ispeċifikazzjoni, l-ispiża tas-sistema, l-ispazju tal-bord, u l-ħin għas-suq.
Dan l-artiklu juża l-AD7124-4/AD7124-8 bħala l-ADC għaliex huma ADCs ta' preċiżjoni b'ħoss baxx, kurrent baxx b'PGA integrat, referenza integrata, input analogu, u buffer ta' referenza.
Irrispettivament minn jekk qed tużax kurrent tas-sewqan jew vultaġġ tas-sewqan, hija rakkomandata konfigurazzjoni razzjometrika fejn il-vultaġġ ta' referenza u l-vultaġġ tas-sensur jiġu mill-istess sors tas-sewqan. Dan ifisser li kwalunkwe bidla fis-sors tal-eċitazzjoni mhux se taffettwa l-eżattezza tal-kejl.
Fil-figura 5 tidher il-kurrent kostanti tas-sewqan għat-termistor u r-reżistur ta' preċiżjoni RREF, il-vultaġġ żviluppat fuq RREF huwa l-vultaġġ ta' referenza għall-kejl tat-termistor.
Il-kurrent tal-kamp m'għandux għalfejn ikun preċiż u jista' jkun inqas stabbli peress li kwalunkwe żball fil-kurrent tal-kamp se jiġi eliminat f'din il-konfigurazzjoni. Ġeneralment, l-eċitazzjoni tal-kurrent hija preferuta fuq l-eċitazzjoni tal-vultaġġ minħabba kontroll superjuri tas-sensittività u immunità aħjar għall-istorbju meta s-senser ikun jinsab f'postijiet remoti. Dan it-tip ta' metodu ta' polarizzazzjoni tipikament jintuża għal RTDs jew termistors b'valuri ta' reżistenza baxxa. Madankollu, għal termistor b'valur ta' reżistenza ogħla u sensittività ogħla, il-livell tas-sinjal iġġenerat minn kull bidla fit-temperatura se jkun akbar, għalhekk tintuża l-eċitazzjoni tal-vultaġġ. Pereżempju, termistor ta' 10 kΩ għandu reżistenza ta' 10 kΩ f'25°C. F'-50°C, ir-reżistenza tat-termistor NTC hija 441.117 kΩ. Il-kurrent minimu tas-sewqan ta' 50 µA pprovdut mill-AD7124-4/AD7124-8 jiġġenera 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, li huwa għoli wisq u barra mill-medda operattiva tal-biċċa l-kbira tal-ADCs disponibbli użati f'dan il-qasam ta' applikazzjoni. It-termistors ġeneralment ikunu konnessi jew jinsabu ħdejn l-elettronika, għalhekk l-immunità għall-kurrent tas-sewqan mhijiex meħtieġa.
Iż-żieda ta' reżistur tas-sens f'serje bħala ċirkwit tad-diviżur tal-vultaġġ tillimita l-kurrent mit-termistor għall-valur minimu tar-reżistenza tiegħu. F'din il-konfigurazzjoni, il-valur tar-reżistur tas-sens RSENSE għandu jkun ugwali għall-valur tar-reżistenza tat-termistor f'temperatura ta' referenza ta' 25°C, sabiex il-vultaġġ tal-ħruġ ikun ugwali għall-punt tan-nofs tal-vultaġġ ta' referenza fit-temperatura nominali tiegħu ta' 25°CC. Bl-istess mod, jekk jintuża termistor ta' 10 kΩ b'reżistenza ta' 10 kΩ f'25°C, RSENSE għandu jkun 10 kΩ. Hekk kif tinbidel it-temperatura, ir-reżistenza tat-termistor NTC tinbidel ukoll, u l-proporzjon tal-vultaġġ tas-sewqan tul it-termistor jinbidel ukoll, li jirriżulta fil-vultaġġ tal-ħruġ proporzjonali għar-reżistenza tat-termistor NTC.
Jekk ir-referenza tal-vultaġġ magħżula użata biex tħaddem it-termistor u/jew l-RSENSE taqbel mal-vultaġġ ta' referenza tal-ADC użat għall-kejl, is-sistema tiġi ssettjata għal kejl razzometriku (Figura 7) sabiex kwalunkwe sors ta' vultaġġ ta' żball relatat mal-eċitazzjoni jiġi preġudikat biex jitneħħa.
Innota li jew ir-reżistur tas-sens (imħaddem mill-vultaġġ) jew ir-reżistur ta' referenza (imħaddem mill-kurrent) għandu jkollu tolleranza inizjali baxxa u drift baxx, billi ż-żewġ varjabbli jistgħu jaffettwaw l-eżattezza tas-sistema kollha.
Meta jintużaw termistors multipli, jista' jintuża vultaġġ ta' eċċitazzjoni wieħed. Madankollu, kull termistor irid ikollu r-reżistur tas-sens ta' preċiżjoni tiegħu stess, kif muri fil-fig. 8. Għażla oħra hija li jintuża multiplexer estern jew swiċċ ta' reżistenza baxxa fl-istat mixgħul, li jippermetti l-kondiviżjoni ta' reżistur tas-sens ta' preċiżjoni wieħed. B'din il-konfigurazzjoni, kull termistor jeħtieġ xi ħin ta' stabbilizzazzjoni meta jitkejjel.
Fil-qosor, meta tfassal sistema ta' kejl tat-temperatura bbażata fuq termistor, hemm ħafna mistoqsijiet li għandek tikkonsidra: l-għażla tas-sensuri, il-wajers tas-sensuri, il-kompromessi fl-għażla tal-komponenti, il-konfigurazzjoni tal-ADC, u kif dawn il-varjabbli varji jaffettwaw l-eżattezza ġenerali tas-sistema. L-artiklu li jmiss f'din is-sensiela jispjega kif tottimizza d-disinn tas-sistema tiegħek u l-baġit ġenerali tal-iżbalji tas-sistema biex tikseb il-prestazzjoni fil-mira tiegħek.
Ħin tal-posta: 30 ta' Settembru 2022