Ky është artikulli i parë në një seri me dy pjesë. Ky artikull do të diskutojë së pari historinë dhe sfidat e dizajnit tëtemperatura e bazuar në termistorsistemet e matjes, si dhe krahasimi i tyre me sistemet e matjes së temperaturës me termometër rezistence (RTD). Gjithashtu do të përshkruhet zgjedhja e termistorit, kompromiset e konfigurimit dhe rëndësia e konvertuesve analog-në-dixhital (ADC) sigma-delta në këtë fushë aplikimi. Artikulli i dytë do të detajojë se si të optimizohet dhe vlerësohet sistemi përfundimtar i matjes i bazuar në termistor.
Siç përshkruhet në serinë e mëparshme të artikujve, Optimizimi i Sistemeve të Sensorëve të Temperaturës RTD, një RTD është një rezistencë rezistenca e të cilit ndryshon me temperaturën. Termistorët funksionojnë në mënyrë të ngjashme me RTD-të. Ndryshe nga RTD-të, të cilat kanë vetëm një koeficient pozitiv të temperaturës, një termistor mund të ketë një koeficient pozitiv ose negativ të temperaturës. Termistorët me koeficient negativ të temperaturës (NTC) ulin rezistencën e tyre ndërsa temperatura rritet, ndërsa termistorët me koeficient pozitiv të temperaturës (PTC) rrisin rezistencën e tyre ndërsa temperatura rritet. Në fig. 1 tregohen karakteristikat e reagimit të termistorëve tipikë NTC dhe PTC dhe krahasohen ato me kurbat RTD.
Për sa i përket diapazonit të temperaturës, kurba RTD është pothuajse lineare, dhe sensori mbulon një diapazon shumë më të gjerë temperature sesa termistorët (zakonisht -200°C deri në +850°C) për shkak të natyrës jolineare (eksponenciale) të termistorit. RTD-të zakonisht ofrohen në kurba të standardizuara të njohura mirë, ndërsa kurbat e termistorit ndryshojnë sipas prodhuesit. Ne do ta diskutojmë këtë në detaje në seksionin e udhëzuesit të përzgjedhjes së termistorit të këtij artikulli.
Termistorët janë bërë nga materiale kompozite, zakonisht qeramikë, polimere ose gjysmëpërçues (zakonisht okside metalesh) dhe metale të pastra (platin, nikel ose bakër). Termistorët mund të zbulojnë ndryshimet e temperaturës më shpejt se RTD-të, duke ofruar reagime më të shpejta. Prandaj, termistorët përdoren zakonisht nga sensorët në aplikime që kërkojnë kosto të ulët, madhësi të vogël, përgjigje më të shpejtë, ndjeshmëri më të lartë dhe diapazon të kufizuar të temperaturës, siç janë kontrolli elektronik, kontrolli i shtëpive dhe ndërtesave, laboratorët shkencorë ose kompensimi i kryqëzimit të ftohtë për termoçiftet në aplikime komerciale ose industriale.
Në shumicën e rasteve, termistorët NTC përdoren për matje të saktë të temperaturës, jo termistorët PTC. Disa termistorë PTC janë të disponueshëm që mund të përdoren në qarqet e mbrojtjes nga mbirryma ose si siguresa të rivendosshme për aplikime sigurie. Kurba e rezistencës-temperaturës së një termistori PTC tregon një rajon shumë të vogël NTC para se të arrijë pikën e ndërrimit (ose pikën Curie), mbi të cilën rezistenca rritet ndjeshëm me disa urdhra madhësie në rangun e disa gradëve Celsius. Në kushte mbirryme, termistori PTC do të gjenerojë vetëngrohje të fortë kur temperatura e ndërrimit tejkalohet, dhe rezistenca e tij do të rritet ndjeshëm, gjë që do të zvogëlojë rrymën hyrëse në sistem, duke parandaluar kështu dëmtimin. Pika e ndërrimit të termistorëve PTC është zakonisht midis 60°C dhe 120°C dhe nuk është e përshtatshme për kontrollin e matjeve të temperaturës në një gamë të gjerë aplikimesh. Ky artikull përqendrohet në termistorët NTC, të cilët zakonisht mund të matin ose monitorojnë temperaturat që variojnë nga -80°C deri në +150°C. Termistorët NTC kanë vlerësime rezistence që variojnë nga disa ohmë deri në 10 MΩ në 25°C. Siç tregohet në fig. 1, ndryshimi në rezistencë për gradë Celsius për termistorët është më i theksuar sesa për termometrat me rezistencë. Krahasuar me termistorët, ndjeshmëria e lartë dhe vlera e lartë e rezistencës së termistorit thjeshtojnë qarkun e tij të hyrjes, pasi termistorët nuk kërkojnë ndonjë konfigurim të veçantë instalimesh elektrike, siç janë 3-tela ose 4-tela, për të kompensuar rezistencën e përçuesve. Dizajni i termistorit përdor vetëm një konfigurim të thjeshtë me 2 tela.
Matja e temperaturës me precizion të lartë bazuar në termistor kërkon përpunim të saktë të sinjalit, konvertim analog-në-dixhital, linearizim dhe kompensim, siç tregohet në fig. 2.
Edhe pse zinxhiri i sinjalit mund të duket i thjeshtë, ekzistojnë disa kompleksitete që ndikojnë në madhësinë, koston dhe performancën e të gjithë pllakës amë. Portofoli i ADC-ve precize të ADI-t përfshin disa zgjidhje të integruara, të tilla si AD7124-4/AD7124-8, të cilat ofrojnë një numër avantazhesh për projektimin e sistemit termik pasi shumica e blloqeve ndërtuese të nevojshme për një aplikim janë të integruara. Megjithatë, ka sfida të ndryshme në projektimin dhe optimizimin e zgjidhjeve të matjes së temperaturës të bazuara në termistor.
Ky artikull diskuton secilën prej këtyre çështjeve dhe ofron rekomandime për zgjidhjen e tyre dhe thjeshtimin e mëtejshëm të procesit të projektimit për sisteme të tilla.
Ka një larmi të gjerë tëTermistorët NTCnë treg sot, kështu që zgjedhja e termistorit të duhur për aplikimin tuaj mund të jetë një detyrë e vështirë. Vini re se termistorët renditen sipas vlerës së tyre nominale, e cila është rezistenca e tyre nominale në 25°C. Prandaj, një termistor 10 kΩ ka një rezistencë nominale prej 10 kΩ në 25°C. Termistorët kanë vlera rezistence nominale ose bazë që variojnë nga disa ohmë deri në 10 MΩ. Termistorët me vlerësime të ulëta rezistence (rezistencë nominale prej 10 kΩ ose më pak) zakonisht mbështesin diapazone më të ulëta temperaturash, të tilla si -50°C deri në +70°C. Termistorët me vlerësime më të larta rezistence mund t'i rezistojnë temperaturave deri në 300°C.
Elementi i termistorit është bërë nga oksid metali. Termistorët janë të disponueshëm në forma sferike, radiale dhe SMD. Sferat e termistorit janë të veshura me epoksi ose të kapsuluara me xham për mbrojtje shtesë. Termistorët sferikë të veshur me epoksi, termistorët radialë dhe sipërfaqësorë janë të përshtatshëm për temperatura deri në 150°C. Termistorët me sfera qelqi janë të përshtatshëm për matjen e temperaturave të larta. Të gjitha llojet e veshjeve/paketimeve gjithashtu mbrojnë nga korrozioni. Disa termistorë do të kenë gjithashtu strehim shtesë për mbrojtje shtesë në mjedise të ashpra. Termistorët me sfera kanë një kohë reagimi më të shpejtë se termistorët radialë/SMD. Megjithatë, ato nuk janë aq të qëndrueshme. Prandaj, lloji i termistorit të përdorur varet nga aplikimi përfundimtar dhe mjedisi në të cilin ndodhet termistori. Stabiliteti afatgjatë i një termistori varet nga materiali, paketimi dhe dizajni i tij. Për shembull, një termistor NTC i veshur me epoksi mund të ndryshojë 0.2°C në vit, ndërsa një termistor i mbyllur ndryshon vetëm 0.02°C në vit.
Termistorët vijnë me saktësi të ndryshme. Termistorët standardë zakonisht kanë një saktësi prej 0.5°C deri në 1.5°C. Vlerësimi i rezistencës së termistorit dhe vlera beta (raporti prej 25°C deri në 50°C/85°C) kanë një tolerancë. Vini re se vlera beta e termistorit ndryshon në varësi të prodhuesit. Për shembull, termistorët NTC 10 kΩ nga prodhues të ndryshëm do të kenë vlera të ndryshme beta. Për sisteme më të sakta, mund të përdoren termistorë të tillë si seria Omega™ 44xxx. Ata kanë një saktësi prej 0.1°C ose 0.2°C në një diapazon temperature prej 0°C deri në 70°C. Prandaj, diapazoni i temperaturave që mund të maten dhe saktësia e kërkuar në atë diapazon temperature përcakton nëse termistorët janë të përshtatshëm për këtë aplikim. Ju lutemi vini re se sa më e lartë të jetë saktësia e serisë Omega 44xxx, aq më e lartë është kostoja.
Për të kthyer rezistencën në gradë Celsius, zakonisht përdoret vlera beta. Vlera beta përcaktohet duke ditur dy pikat e temperaturës dhe rezistencën përkatëse në secilën pikë të temperaturës.
RT1 = Rezistenca ndaj temperaturës 1 RT2 = Rezistenca ndaj temperaturës 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Përdoruesi përdor vlerën beta më të afërt me diapazonin e temperaturës së përdorur në projekt. Shumica e fletëve të të dhënave të termistorit rendisin një vlerë beta së bashku me një tolerancë rezistence në 25°C dhe një tolerancë për vlerën beta.
Termistorët me precizion të lartë dhe zgjidhjet e terminimit me precizion të lartë, të tilla si seria Omega 44xxx, përdorin ekuacionin Steinhart-Hart për të kthyer rezistencën në gradë Celsius. Ekuacioni 2 kërkon tre konstantet A, B dhe C, të cilat përsëri ofrohen nga prodhuesi i sensorit. Meqenëse koeficientët e ekuacionit gjenerohen duke përdorur tre pika temperature, ekuacioni që rezulton minimizon gabimin e futur nga linearizimi (zakonisht 0.02 °C).
A, B dhe C janë konstante të nxjerra nga tre pika të caktuara të temperaturës. R = rezistenca e termistorit në ohm T = temperatura në K gradë
Në fig. 3 tregohet rryma e ngacmimit të sensorit. Rryma e drejtimit aplikohet në termistor dhe e njëjta rrymë aplikohet në rezistencën precize; një rezistencë precize përdoret si referencë për matje. Vlera e rezistencës referuese duhet të jetë më e madhe ose e barabartë me vlerën më të lartë të rezistencës së termistorit (në varësi të temperaturës më të ulët të matur në sistem).
Kur zgjidhet rryma e ngacmimit, duhet të merret përsëri në konsideratë rezistenca maksimale e termistorit. Kjo siguron që tensioni në të gjithë sensorin dhe rezistencën referuese të jetë gjithmonë në një nivel të pranueshëm për elektronikën. Burimi i rrymës së fushës kërkon njëfarë hapësire koke ose përputhje të daljes. Nëse termistori ka një rezistencë të lartë në temperaturën më të ulët të matshme, kjo do të rezultojë në një rrymë shumë të ulët drejtimi. Prandaj, tensioni i gjeneruar në të gjithë termistorin në temperaturë të lartë është i vogël. Fazat e programueshme të fitimit mund të përdoren për të optimizuar matjen e këtyre sinjaleve të nivelit të ulët. Megjithatë, fitimi duhet të programohet dinamikisht sepse niveli i sinjalit nga termistori ndryshon shumë me temperaturën.
Një tjetër mundësi është të vendosni përforcimin, por të përdorni rrymë dinamike të drejtimit. Prandaj, ndërsa niveli i sinjalit nga termistori ndryshon, vlera e rrymës së drejtimit ndryshon dinamikisht në mënyrë që tensioni i zhvilluar në termistor të jetë brenda diapazonit të specifikuar të hyrjes së pajisjes elektronike. Përdoruesi duhet të sigurojë që tensioni i zhvilluar në rezistencën e referencës të jetë gjithashtu në një nivel të pranueshëm për elektronikën. Të dyja opsionet kërkojnë një nivel të lartë kontrolli, monitorim të vazhdueshëm të tensionit në termistor në mënyrë që elektronika të mund të matë sinjalin. A ka ndonjë mundësi më të lehtë? Merrni në konsideratë ngacmimin e tensionit.
Kur tensioni DC aplikohet në termistor, rryma që kalon nëpër termistor automatikisht shkallëzohet ndërsa rezistenca e termistorit ndryshon. Tani, duke përdorur një rezistencë matëse precize në vend të një rezistori referimi, qëllimi i tij është të llogarisë rrymën që rrjedh nëpër termistor, duke lejuar kështu llogaritjen e rezistencës së termistorit. Meqenëse tensioni i drejtimit përdoret gjithashtu si sinjal referimi ADC, nuk kërkohet fazë përforcimi. Procesori nuk ka detyrën e monitorimit të tensionit të termistorit, përcaktimit nëse niveli i sinjalit mund të matet nga elektronika dhe llogaritjes së vlerës së përforcimit/rrymës së drejtimit që duhet të rregullohet. Kjo është metoda e përdorur në këtë artikull.
Nëse termistori ka një vlerësim rezistence dhe diapazon rezistence të vogël, mund të përdoret ngacmimi i tensionit ose rrymës. Në këtë rast, rryma e drejtimit dhe fitimi mund të fiksohen. Kështu, qarku do të jetë siç tregohet në Figurën 3. Kjo metodë është e përshtatshme në atë që është e mundur të kontrollohet rryma përmes sensorit dhe rezistencës referuese, e cila është e vlefshme në aplikimet me fuqi të ulët. Përveç kësaj, vetë-ngrohja e termistorit minimizohet.
Ngacmimi i tensionit mund të përdoret gjithashtu për termistorët me vlerësime të ulëta të rezistencës. Megjithatë, përdoruesi duhet të sigurohet gjithmonë që rryma përmes sensorit të mos jetë shumë e lartë për sensorin ose aplikacionin.
Ngacmimi i tensionit thjeshton zbatimin kur përdoret një termistor me një rezistencë të madhe dhe një gamë të gjerë temperature. Rezistenca nominale më e madhe siguron një nivel të pranueshëm të rrymës nominale. Megjithatë, projektuesit duhet të sigurohen që rryma të jetë në një nivel të pranueshëm në të gjithë gamën e temperaturës së mbështetur nga aplikacioni.
ADC-të Sigma-Delta ofrojnë disa përparësi kur projektohet një sistem matjeje me termistorë. Së pari, për shkak se ADC-ja sigma-delta rimodelon hyrjen analoge, filtrimi i jashtëm mbahet në minimum dhe kërkesa e vetme është një filtër i thjeshtë RC. Ato ofrojnë fleksibilitet në llojin e filtrit dhe shpejtësinë e baudimit të daljes. Filtrimi dixhital i integruar mund të përdoret për të shtypur çdo ndërhyrje në pajisjet e mundësuara nga rrjeti elektrik. Pajisjet 24-bitëshe si AD7124-4/AD7124-8 kanë një rezolucion të plotë deri në 21.7 bit, kështu që ato ofrojnë rezolucion të lartë.
Përdorimi i një ADC sigma-delta thjeshton shumë projektimin e termistorit, duke zvogëluar specifikimet, koston e sistemit, hapësirën e pllakës dhe kohën e daljes në treg.
Ky artikull përdor AD7124-4/AD7124-8 si ADC sepse ato janë ADC me zhurmë të ulët, rrymë të ulët dhe precizion me PGA të integruar, referencë të integruar, hyrje analoge dhe tampon reference.
Pavarësisht nëse po përdorni rrymë apo tension të transmisionit, rekomandohet një konfigurim ratiometrik në të cilin tensioni i referencës dhe tensioni i sensorit vijnë nga i njëjti burim transmisioni. Kjo do të thotë që çdo ndryshim në burimin e ngacmimit nuk do të ndikojë në saktësinë e matjes.
Në fig. 5 tregohet rryma konstante e drejtimit për termistorin dhe rezistencën precize RREF, tensioni i zhvilluar në RREF është tensioni referues për matjen e termistorit.
Rryma e fushës nuk ka nevojë të jetë e saktë dhe mund të jetë më pak e qëndrueshme pasi çdo gabim në rrymën e fushës do të eliminohet në këtë konfigurim. Në përgjithësi, ngacmimi i rrymës preferohet mbi ngacmimin e tensionit për shkak të kontrollit superior të ndjeshmërisë dhe imunitetit më të mirë ndaj zhurmës kur sensori ndodhet në vende të largëta. Ky lloj metode polarizimi përdoret zakonisht për RTD-të ose termistorët me vlera të ulëta rezistence. Megjithatë, për një termistor me një vlerë më të lartë rezistence dhe ndjeshmëri më të lartë, niveli i sinjalit i gjeneruar nga çdo ndryshim temperature do të jetë më i madh, kështu që përdoret ngacmimi i tensionit. Për shembull, një termistor 10 kΩ ka një rezistencë prej 10 kΩ në 25°C. Në -50°C, rezistenca e termistorit NTC është 441.117 kΩ. Rryma minimale e drejtimit prej 50 µA e ofruar nga AD7124-4/AD7124-8 gjeneron 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, që është shumë e lartë dhe jashtë diapazonit të funksionimit të shumicës së ADC-ve të disponueshme të përdorura në këtë fushë aplikimi. Termistorët zakonisht lidhen ose vendosen pranë elektronikës, kështu që nuk kërkohet imunitet ndaj rrymës së drejtimit.
Shtimi i një rezistori sensor në seri si qark ndarës tensioni do ta kufizojë rrymën përmes termistorit në vlerën e saj minimale të rezistencës. Në këtë konfigurim, vlera e rezistorit sensor RSENSE duhet të jetë e barabartë me vlerën e rezistencës së termistorit në një temperaturë referimi prej 25°C, në mënyrë që tensioni i daljes të jetë i barabartë me pikën e mesme të tensionit të referencës në temperaturën e tij nominale prej 25°CC. Në mënyrë të ngjashme, nëse përdoret një termistor 10 kΩ me një rezistencë prej 10 kΩ në 25°C, RSENSE duhet të jetë 10 kΩ. Ndërsa temperatura ndryshon, rezistenca e termistorit NTC gjithashtu ndryshon, dhe raporti i tensionit të drejtimit në termistor gjithashtu ndryshon, duke rezultuar në tensionin e daljes që të jetë proporcional me rezistencën e termistorit NTC.
Nëse referenca e tensionit të zgjedhur që përdoret për të furnizuar me energji termistorin dhe/ose RSENSE përputhet me tensionin referues ADC të përdorur për matje, sistemi vendoset në matje ratiometrike (Figura 7) në mënyrë që çdo burim tensioni gabimi që lidhet me ngacmimin të jetë i polarizuar për t'u hequr.
Vini re se ose rezistori sensor (i drejtuar nga voltazhi) ose rezistori referues (i drejtuar nga rryma) duhet të kenë një tolerancë të ulët fillestare dhe një zhvendosje të ulët, pasi të dy variablat mund të ndikojnë në saktësinë e të gjithë sistemit.
Kur përdoren termistorë të shumtë, mund të përdoret një tension ngacmimi. Megjithatë, secili termistor duhet të ketë rezistencën e vet të sensorit preciz, siç tregohet në fig. 8. Një tjetër mundësi është të përdoret një multipleksues i jashtëm ose një çelës me rezistencë të ulët në gjendjen e ndezur, i cili lejon ndarjen e një rezistori të sensorit preciz. Me këtë konfigurim, secili termistor ka nevojë për një kohë stabilizimi kur matet.
Si përmbledhje, kur projektohet një sistem matjeje temperature i bazuar në termistor, ka shumë pyetje që duhen marrë në konsideratë: përzgjedhja e sensorit, instalimet elektrike të sensorit, kompromiset e përzgjedhjes së komponentëve, konfigurimi i ADC-së dhe mënyra se si këto variabla të ndryshme ndikojnë në saktësinë e përgjithshme të sistemit. Artikulli tjetër në këtë seri shpjegon se si të optimizoni projektimin e sistemit tuaj dhe buxhetin e përgjithshëm të gabimeve të sistemit për të arritur performancën tuaj të synuar.
Koha e postimit: 30 shtator 2022