Ky është artikulli i parë në një seri me dy pjesë. Ky artikull së pari do të diskutojë mbi historinë dhe sfidat e projektimit tëtemperatura e bazuar në termistorsistemet e matjes, si dhe krahasimi i tyre me sistemet e matjes së temperaturës së termometrit të rezistencës (RTD). Ai gjithashtu do të përshkruajë zgjedhjen e termistorit, tregtimet e konfigurimit dhe rëndësinë e konvertuesve analoge-dixhital të Sigma-Delta (ADC) në këtë zonë të aplikimit. Artikulli i dytë do të detajojë se si të optimizojë dhe vlerësojë sistemin përfundimtar të matjes me bazë termistorin.
Siç përshkruhet në serinë e mëparshme të artikullit, optimizimi i sistemeve të sensorit të temperaturës RTD, një RTD është një rezistencë, rezistenca e të cilit ndryshon me temperaturën. Termistorët punojnë në mënyrë të ngjashme me RTD. Për dallim nga RTD, të cilat kanë vetëm një koeficient pozitiv të temperaturës, një termistor mund të ketë një koeficient pozitiv ose negativ të temperaturës. Koeficienti negativ i temperaturës (NTC) termistorët ulin rezistencën e tyre ndërsa temperatura rritet, ndërsa termistorët e koeficientit të temperaturës pozitive (PTC) rrisin rezistencën e tyre ndërsa temperatura rritet. Në FIG. 1 tregon karakteristikat e përgjigjes së termistorëve tipikë NTC dhe PTC dhe i krahason ato me kthesat RTD.
Për sa i përket diapazonit të temperaturës, kurba RTD është gati lineare, dhe sensori mbulon një gamë shumë më të gjerë të temperaturës sesa termistorët (zakonisht -200 ° C deri +850 ° C) për shkak të natyrës jo -lineare (eksponenciale) të termistorit. RTD zakonisht sigurohen në kthesa të njohura të standardizuara, ndërsa kthesat e termistorit ndryshojnë nga prodhuesi. Ne do ta diskutojmë këtë në detaje në seksionin Udhëzues për Përzgjedhjen e Termistorit të këtij artikulli.
Termistorët janë bërë nga materiale të përbëra, zakonisht qeramika, polimere ose gjysmëpërçues (zakonisht oksidet metalike) dhe metale të pastra (platini, nikeli ose bakri). Termistorët mund të zbulojnë ndryshimet e temperaturës më shpejt se RTD, duke siguruar një reagim më të shpejtë. Prandaj, termistorët përdoren zakonisht nga sensorë në aplikacione që kërkojnë kosto të ulët, madhësi të vogël, përgjigje më të shpejtë, ndjeshmëri më të lartë dhe gamë të kufizuar të temperaturës, siç janë kontrolli elektronik, kontrolli i shtëpisë dhe ndërtesave, laboratorët shkencorë ose kompensimi i kryqëzimit të ftohtë për termocouples në aplikimet tregtare ose industriale. qëllime. Aplikimet.
Në shumicën e rasteve, termistorët NTC përdoren për matjen e saktë të temperaturës, jo termistorët PTC. Disa termistorë të PTC janë të disponueshëm që mund të përdoren në qarqet e mbrojtjes mbingarkuese ose si siguresa të rivendosura për aplikime të sigurisë. Kurba e temperaturës së rezistencës së një termistori PTC tregon një rajon shumë të vogël të NTC para se të arrijë pikën e ndërprerës (ose pikën Curie), mbi të cilën rezistenca rritet ashpër nga disa urdhëra të madhësisë në rangun e disa gradë Celsius. Në kushte të mbingarkuara, termistori PTC do të gjenerojë vetë-ngrohje të fortë kur tejkalohet temperatura e ndërrimit, dhe rezistenca e tij do të rritet ndjeshëm, e cila do të zvogëlojë rrymën e hyrjes në sistem, duke parandaluar kështu dëmtimin. Pika e ndërrimit të termistorëve PTC është zakonisht midis 60 ° C dhe 120 ° C dhe nuk është i përshtatshëm për kontrollin e matjeve të temperaturës në një gamë të gjerë të aplikacioneve. Ky artikull përqendrohet në termistorët e NTC, të cilat zakonisht mund të matin ose monitorojnë temperaturat që variojnë nga -80 ° C deri në +150 ° C. Termistorët e NTC kanë vlerësime të rezistencës duke filluar nga disa ohms në 10 MΩ në 25 ° C. Siç tregohet në FIG. 1, ndryshimi i rezistencës për shkallë Celsius për termistorët është më i theksuar sesa për termometrat e rezistencës. Në krahasim me termistorët, ndjeshmëria e lartë e termistorit dhe vlera e lartë e rezistencës thjeshtojnë qarkun e saj të hyrjes, pasi termistorët nuk kërkojnë ndonjë konfigurim të veçantë instalimesh, të tilla si 3-tela ose me 4 tela, për të kompensuar rezistencën e plumbit. Dizajni i termistorit përdor vetëm një konfigurim të thjeshtë me 2 tela.
Matja e temperaturës me bazë të lartë me precizion të lartë kërkon përpunim të saktë të sinjalit, shndërrim analog-dixhital, linearizim dhe kompensim, siç tregohet në FIG. 2
Megjithëse zinxhiri i sinjalit mund të duket i thjeshtë, ekzistojnë disa komplekse që ndikojnë në madhësinë, koston dhe performancën e të gjithë motherboard. Portofoli ADC Precision i ADI përfshin disa zgjidhje të integruara, të tilla si AD7124-4/AD7124-8, të cilat ofrojnë një numër avantazhesh për hartimin e sistemit termik pasi shumica e blloqeve të ndërtimit të nevojshëm për një aplikim janë të integruar. Sidoqoftë, ekzistojnë sfida të ndryshme në hartimin dhe optimizimin e zgjidhjeve të matjes së temperaturës me bazë termistorin.
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 marramendëse. Vini re se termistorët renditen nga vlera e 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 nominale ose themelore të rezistencës duke filluar nga disa ohms deri në 10 MΩ. Termistorët me vlerësime të ulëta të rezistencës (rezistencë nominale prej 10 kΩ ose më pak) zakonisht mbështesin varg të temperaturës më të ulët, siç janë -50 ° C deri +70 ° C. Termistorët me vlerësime më të larta të rezistencës mund t'i rezistojnë temperaturave deri në 300 ° C.
Elementi termistor është bërë nga oksidi metalik. Termistorët janë në dispozicion në forma Ball, Radial dhe SMD. Rruazat e termistorit janë të veshura me epoksi ose qelqi të kapsuluara për mbrojtje të shtuar. Termistorët e topit të veshur me epoksi, termistorët radialë dhe sipërfaqësorë janë të përshtatshëm për temperaturat deri në 150 ° C. Termistorët e rruazave të qelqit janë të përshtatshme për matjen e temperaturave të larta. Të gjitha llojet e veshjeve/paketimit gjithashtu mbrojnë kundër korrozionit. Disa termistorë gjithashtu do të kenë banesa shtesë për mbrojtje të shtuar në mjedise të ashpra. Termistorët e rruazave kanë një kohë më të shpejtë të përgjigjes sesa termistorët radial/SMD. Sidoqoftë, 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 në saktësi të ndryshme. Termistorët standardë zakonisht kanë një saktësi prej 0.5 ° C deri 1.5 ° C. Vlerësimi i rezistencës së termistorit dhe vlera beta (raporti prej 25 ° C deri 50 ° C/85 ° C) kanë një tolerancë. Vini re se vlera beta e termistorit ndryshon nga prodhuesi. Për shembull, termistorët 10 kΩ NTC nga prodhues të ndryshëm do të kenë vlera të ndryshme beta. Për sisteme më të sakta, mund të përdoren termistorët siç është seria Omega ™ 44xxx. Ata kanë një saktësi prej 0,1 ° C ose 0.2 ° C mbi një interval të temperaturës prej 0 ° C deri 70 ° C. Prandaj, diapazoni i temperaturave që mund të maten dhe saktësia e kërkuar në atë gamë të temperaturës 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 e Temperaturës 1 RT2 = Rezistenca e Temperaturës 2 T1 = Temperatura 1 (k) T2 = Temperatura 2 (k)
Përdoruesi përdor vlerën beta më të afërt me gamën e temperaturës të përdorur në projekt. Shumica e të dhënave të termistorit rendisin një vlerë beta së bashku me një tolerancë të rezistencës në 25 ° C dhe një tolerancë për vlerën beta.
Thermistorët me precizion më të lartë dhe zgjidhjet e përfundimit me precizion të lartë siç është seria Omega 44xxx përdorin ekuacionin Steinhart-Hart për të kthyer rezistencën në gradë Celsius. Ekuacioni 2 kërkon tre konstantat A, B dhe C, të siguruar përsëri nga prodhuesi i sensorit. Për shkak se koeficientët e ekuacionit gjenerohen duke përdorur tre pika të temperaturës, ekuacioni që rezulton minimizon gabimin e paraqitur nga linearizimi (zakonisht 0.02 ° C).
A, B dhe C janë konstante që rrjedhin nga tre pikat e përcaktimit të temperaturës. R = Rezistenca e termistorit në ohms t = temperatura në kravatë k
Në FIG. 3 tregon ngacmimin aktual të sensorit. Rryma e makinës aplikohet në termistorin dhe e njëjta rrymë aplikohet në rezistencën e precizionit; Një rezistencë precize përdoret si referencë për matjen. Vlera e rezistencës së referencës duhet të jetë më e madhe se ose e barabartë me vlerën më të lartë të rezistencës së termistorit (në varësi të temperaturës më të ulët të matur në sistem).
Kur zgjidhni rrymën e ngacmimit, rezistenca maksimale e termistorit duhet të merret përsëri. Kjo siguron që voltazhi në të gjithë sensorin dhe rezistencën e referencës të jetë gjithmonë në një nivel të pranueshëm për elektronikën. Burimi aktual i fushës kërkon një përputhje të dhomës së kokës ose 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 të makinës. Prandaj, tensioni i gjeneruar në të gjithë termistorin në temperaturë të lartë është i vogël. Fazat e fitimit të programueshëm mund të përdoren për të optimizuar matjen e këtyre sinjaleve të nivelit të ulët. Sidoqoftë, fitimi duhet të programohet në mënyrë dinamike sepse niveli i sinjalit nga termistori ndryshon shumë me temperaturën.
Një tjetër mundësi është të vendosni fitimin, por të përdorni rrymë dinamike të makinës. Prandaj, ndërsa niveli i sinjalit nga termistori ndryshon, vlera e rrymës së makinës ndryshon në mënyrë dinamike në mënyrë që tensioni i zhvilluar në të gjithë termistorin të jetë brenda intervalit të caktuar të hyrjes së pajisjes elektronike. Përdoruesi duhet të sigurojë që tensioni i zhvilluar në të gjithë rezistencën e referencës të jetë gjithashtu në një nivel të pranueshëm për elektronikën. Të dy opsionet kërkojnë një nivel të lartë kontrolli, monitorim të vazhdueshëm të tensionit në të gjithë termistorin në mënyrë që elektronika të mund të matë sinjalin. A ka ndonjë mundësi më të lehtë? Konsideroni ngacmimin e tensionit.
Kur tensioni DC aplikohet në termistor, rryma përmes termistorit shkallëzon automatikisht ndërsa ndryshon rezistenca e termistorit. Tani, duke përdorur një rezistencë precize të matjes në vend të një rezistence referimi, qëllimi i tij është të llogarisë rrymën që rrjedh përmes termistorit, duke lejuar që të llogaritet rezistenca e termistorit. Meqenëse tensioni i makinës përdoret gjithashtu si sinjal referimi ADC, nuk kërkohet fazë e fitimit. Procesori nuk ka punën e monitorimit të tensionit të termistorit, duke përcaktuar nëse niveli i sinjalit mund të matet nga elektronika, dhe llogaritjen e asaj që duhet të rregullohet fitimi/vlera e rrymës. Kjo është metoda e përdorur në këtë artikull.
Nëse termistori ka një vlerësim të vogël të rezistencës dhe gamën e rezistencës, mund të përdoret tensioni ose ngacmimi aktual. Në këtë rast, rryma dhe fitimi i makinës 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 së referencës, e cila është e vlefshme në aplikimet me fuqi të ulët. Për më tepër, vetë-ngrohja e termistorit minimizohet.
Nxjerrja e tensionit mund të përdoret gjithashtu për termistorët me vlerësime të ulëta të rezistencës. Sidoqoftë, përdoruesi gjithmonë duhet të sigurojë që rryma përmes sensorit nuk është shumë e lartë për sensorin ose aplikimin.
Nxjerrja e tensionit thjeshton zbatimin kur përdorni një termistor me një vlerësim të madh të rezistencës dhe një gamë të gjerë të temperaturës. Rezistencë më e madhe nominale siguron një nivel të pranueshëm të rrymës së vlerësuar. Sidoqoftë, projektuesit duhet të sigurojnë që rryma të jetë në një nivel të pranueshëm në të gjithë gamën e temperaturës të mbështetur nga aplikacioni.
ADC-të Sigma-Delta ofrojnë disa avantazhe kur hartoni një sistem të matjes së termistorit. Së pari, për shkak se Sigma-Delta ADC rivendos hyrjen analoge, filtrimi i jashtëm mbahet në minimum dhe e vetmja kërkesë është një filtër i thjeshtë RC. Ato sigurojnë fleksibilitet në llojin e filtrit dhe shkallën e baudit të daljes. Filtrimi dixhital i integruar mund të përdoret për të shtypur çdo ndërhyrje në pajisjet me energji elektrike. Pajisjet 24-bit si AD7124-4/AD7124-8 kanë një rezolutë të plotë deri në 21.7 bit, kështu që ato ofrojnë rezolucion të lartë.
Përdorimi i një ADC Sigma-Delta thjeshton shumë modelin e termistorit duke zvogëluar specifikimet, koston e sistemit, hapësirën e bordit dhe kohën për treg.
Ky artikull përdor ADC7124-4/AD7124-8 si ADC sepse ato janë zhurmë të ulët, rrymë të ulët, ADC precize me PGA të integruar, referencë të integruar, hyrje analoge dhe tampon referimi.
Pavarësisht nëse jeni duke përdorur rrymën e makinës ose tensionin e makinës, rekomandohet një konfigurim ratiometrik në të cilin voltazhi i referencës dhe tensioni i sensorit vijnë nga i njëjti burim i makinës. Kjo do të thotë që çdo ndryshim në burimin e ngacmimit nuk do të ndikojë në saktësinë e matjes.
Në FIG. 5 tregon rrymën konstante të makinës për termistorin dhe rezistencën precize RREF, tensioni i zhvilluar në të gjithë RREF është tensioni i referencës 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 aktual preferohet mbi ngacmimin e tensionit për shkak të kontrollit të ndjeshmërisë superiore dhe imunitetit më të mirë të zhurmës kur sensori ndodhet në vende të largëta. Ky lloj i metodës së paragjykimit përdoret zakonisht për RTD ose termistorët me vlera të ulëta të rezistencës. Sidoqoftë, për një termistor me një vlerë më të lartë të rezistencës dhe ndjeshmëri më të lartë, niveli i sinjalit i gjeneruar nga secili ndryshim i temperaturës 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 makinës prej 50 μA e siguruar nga AD7124-4/AD7124-8 gjeneron 441.117 kΩ × 50 μA = 22 V, e cila është shumë e lartë dhe jashtë intervalit të funksionimit të ADC-ve më të disponueshme të përdorura në këtë zonë të aplikacionit. Termistorët gjithashtu zakonisht lidhen ose vendosen afër elektronikës, kështu që imuniteti për të nxitur rrymë nuk kërkohet.
Shtimi i një rezistence sensi në seri si një qark ndarës i tensionit do të kufizojë rrymën përmes termistorit në vlerën e tij minimale të rezistencës. Në këtë konfigurim, vlera e rezistencës së sensit 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 mesit të tensionit të referencës në temperaturën e tij nominale prej 25 ° cc në mënyrë të ngjashme, nëse një termistor 10 kΩ me një rezistencë prej 10 kΩ në 25 ° C është përdorur, RSense duhet të jetë 10 k gjysmë. Ndërsa ndryshon temperatura, rezistenca e termistorit NTC gjithashtu ndryshon, dhe raporti i tensionit të makinës në të gjithë termistorin ndryshon gjithashtu, duke rezultuar që tensioni i daljes të jetë proporcional me rezistencën e termistorit NTC.
Nëse referenca e tensionit të zgjedhur të përdorur për të fuqizuar termistorin dhe/ose RSense përputhet me tensionin e referencës ADC të përdorur për matje, sistemi është vendosur në matjen ratiometrike (Figura 7) në mënyrë që çdo burim i tensionit të gabimit të lidhur me ngacmimin të jetë i njëanshëm për të hequr.
Vini re se ose rezistori sensor (i drejtuar nga tensioni) ose rezistori i referencës (i drejtuar nga rryma) duhet të ketë një tolerancë fillestare të ulët dhe lëvizje të ulët, pasi të dy variablat mund të ndikojnë në saktësinë e të gjithë sistemit.
Kur përdorni termistorë të shumtë, mund të përdoret një tension ngacmues. Sidoqoftë, çdo termistor duhet të ketë rezistencën e vet të precizionit, siç tregohet në FIG. 8. Një tjetër mundësi është të përdorni një multiplexer të jashtëm ose një ndërprerës me rezistencë të ulët në gjendjen ON, e cila lejon ndarjen e një rezistence me sens preciz. Me këtë konfigurim, çdo termistori ka nevojë për një kohë të zgjidhjes kur matet.
Si përmbledhje, kur hartoni një sistem të matjes së temperaturës të bazuar në termistor, ka shumë pyetje që duhet të merren parasysh: Përzgjedhja e sensorit, instalimi i sensorit, tregtia e përzgjedhjes së komponentëve, konfigurimi ADC dhe se si këto ndryshore të ndryshme ndikojnë në saktësinë e përgjithshme të sistemit. Artikulli tjetër në këtë seri shpjegon se si të optimizoni hartimin e sistemit tuaj dhe buxhetin e përgjithshëm të gabimit të sistemit për të arritur performancën tuaj të synuar.
Koha e Postimit: Sht-30-2022