Ky është artikulli i parë i një serie me dy pjesë. Ky artikull së pari do të diskutojë historinë dhe sfidat e dizajnit 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, shkëmbimet e konfigurimit dhe rëndësinë e konvertuesve sigma-delta analog-në-dixhital (ADC) në këtë fushë aplikimi. Artikulli i dytë do të detajojë se si të optimizoni dhe vlerësoni sistemin përfundimtar të matjes të bazuar në termistor.
Siç përshkruhet në serinë e artikujve të mëparshëm, Optimizimi i sistemeve të sensorëve të temperaturës RTD, një RTD është një rezistencë, rezistenca e të cilit ndryshon me temperaturën. Termistorët punojnë 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 me rritjen e temperaturës, ndërsa termistorët e koeficientit pozitiv të temperaturës (PTC) rrisin rezistencën e tyre kur temperatura rritet. Në fig. 1 tregon karakteristikat e reagimit të termistorëve tipikë NTC dhe PTC dhe i krahason ato me kurbat RTD.
Për sa i përket intervalit të temperaturës, kurba RTD është pothuajse lineare dhe sensori mbulon një gamë shumë më të gjerë të temperaturës se termistorët (zakonisht -200°C deri +850°C) për shkak të natyrës jolineare (eksponenciale) të termistorit. RTD-të zakonisht ofrohen në kthesa të standardizuara të njohura, ndërsa kthesat e termistorit ndryshojnë sipas prodhuesit. Ne do ta diskutojmë këtë në detaje në seksionin e udhëzuesit të zgjedhjes së termistorit të këtij artikulli.
Termistorët janë bërë nga materiale të përbëra, zakonisht qeramika, polimere ose gjysmëpërçues (zakonisht okside metalike) dhe metale të pastra (platin, nikel ose bakër). Termistorët mund të zbulojnë ndryshimet e temperaturës më shpejt se RTD-të, duke siguruar reagime më të shpejta. Prandaj, termistorët zakonisht përdoren 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, të tilla si kontrolli elektronik, kontrolli i shtëpisë dhe ndërtesave, laboratorët shkencorë ose kompensimi i kryqëzimit të ftohtë për termoçiftet në komerciale. ose aplikime industriale. qëllimet. Aplikacionet.
Në shumicën e rasteve, termistorët NTC përdoren për matjen e saktë të temperaturës, jo termistorët PTC. Ekzistojnë disa termistorë PTC që mund të përdoren në qarqet e mbrojtjes nga mbirryma ose si siguresa të rivendosura për aplikime sigurie. Kurba e rezistencës-temperaturës së një termistori PTC tregon një rajon shumë të vogël NTC përpara se të arrijë pikën e kalimit (ose pikën Curie), mbi të cilën rezistenca rritet ndjeshëm me disa rend të madhësisë në rangun prej disa gradë Celsius. Në kushte të mbirrymës, termistori PTC do të gjenerojë vetë-nxehje të fortë kur tejkalohet temperatura e ndërrimit dhe rezistenca e tij do të rritet ndjeshëm, gjë që do të zvogëlojë rrymën hyrëse në sistem, duke parandaluar kështu dëmtimin. Pika e kalimit të termistorëve PTC është zakonisht midis 60°C dhe 120°C dhe nuk është e përshtatshme për të kontrolluar matjet e temperaturës në një gamë të gjerë aplikimesh. Ky artikull fokusohet në termistorët NTC, të cilët zakonisht mund të matin ose monitorojnë temperaturat që variojnë nga -80°C deri në +150°C. Termistorët NTC kanë shkallë të rezistencës që variojnë nga disa ohmë deri në 10 MΩ në 25°C. Siç tregohet në fig. 1, ndryshimi i rezistencës për gradë Celsius për termistorët është më i theksuar se sa për termometrat e rezistencës. 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 instalime elektrike, si p.sh. 3-tela ose 4-tela, për të kompensuar rezistencën e plumbit. Dizajni i termistorit përdor vetëm një konfigurim të thjeshtë me 2 tela.
Matja e temperaturës me precizion të lartë të bazuar në termistor kërkon përpunim të saktë të sinjalit, konvertim analog në dixhital, linearizimin dhe kompensimin, siç tregohet në fig. 2.
Megjithëse zinxhiri i sinjalit mund të duket i thjeshtë, ka disa kompleksitete që ndikojnë në madhësinë, koston dhe performancën e të gjithë pllakës amë. Portofoli i saktë ADC i ADI përfshin disa zgjidhje të integruara, të tilla si AD7124-4/AD7124-8, të cilat ofrojnë një sërë avantazhesh për projektimin e sistemit termik pasi shumica e blloqeve të ndërtimit të nevojshëm për një aplikacion janë të integruara. Megjithatë, ka sfida të ndryshme në hartimin dhe optimizimin e zgjidhjeve të matjes së temperaturës të bazuara në termistor.
Ky artikull diskuton secilën nga këto çështje dhe jep rekomandime për zgjidhjen e tyre dhe thjeshtimin e mëtejshëm të procesit të projektimit për sisteme të tilla.
Ka një shumëllojshmëri të gjerë tëTermistorët NTCnë treg sot, kështu që zgjedhja e termistorit të duhur për aplikimin tuaj mund të jetë një detyrë e frikshme. Vini re se termistorët renditen sipas vlerës së tyre nominale, që 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 bazë të rezistencës që variojnë nga disa ohmë deri në 10 MΩ. Termistorët me shkallë të ulët të rezistencës (rezistenca nominale 10 kΩ ose më pak) zakonisht mbështesin intervale më të ulëta të temperaturës, si nga -50°C deri në +70°C. Termistorët me shkallë më të lartë të rezistencës mund të përballojnë temperaturat deri në 300°C.
Elementi i termistorit është bërë nga oksidi i metalit. Termistorët janë në dispozicion në forma topash, radiale dhe SMD. Rruazat e termistorit janë të veshura me epoksi ose të kapsuluara me qelq për mbrojtje shtesë. Termistorët e topit të veshur me epoksid, termistorët radialë dhe sipërfaqësorë janë të përshtatshëm për temperatura deri në 150°C. Termistorët me rruaza qelqi janë të përshtatshëm për matjen e temperaturave të larta. Të gjitha llojet e veshjeve/paketimeve mbrojnë gjithashtu nga korrozioni. Disa termistorë do të kenë gjithashtu strehë shtesë për mbrojtje shtesë në mjedise të vështira. Termistorët me rruaza kanë një kohë më të shpejtë reagimi sesa termistorët radial/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 25°C deri 50°C/85°C) kanë një tolerancë. Vini re se vlera beta e termistorit ndryshon sipas prodhuesit. 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 termistorë të tillë si seria Omega™ 44xxx. Ata kanë një saktësi prej 0,1°C ose 0,2°C në një interval temperaturash nga 0°C deri në 70°C. Prandaj, diapazoni i temperaturave që mund të maten dhe saktësia e kërkuar në atë interval 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 ndaj temperaturës 1 RT2 = Rezistenca ndaj temperaturës 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Përdoruesi përdor vlerën beta më të afërt me intervalin e temperaturës së përdorur në projekt. Shumica e fletëve të të dhënave të termistorit rendisin një vlerë beta së bashku me një tolerancë të rezistencës në 25°C dhe një tolerancë për vlerën beta.
Termistorët me precizion më të lartë dhe zgjidhjet e përfundimit me saktësi të lartë 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 ofruara 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 pika të caktuara të temperaturës. R = rezistenca e termistorit në ohmë T = temperatura në K gradë
Në fig. 3 tregon ngacmimin aktual të sensorit. Rryma e drejtimit aplikohet në termistor dhe e njëjta rrymë aplikohet në rezistencën e saktësisë; një rezistencë precize përdoret si referencë për matje. Vlera e rezistencës së referencës 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 zgjidhni rrymën e ngacmimit, rezistenca maksimale e termistorit përsëri duhet të merret parasysh. 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 përshtatje të hapësirës kryesore ose 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 të lëvizjes. Prandaj, voltazhi i gjeneruar në termistor 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. Megjithatë, fitimi duhet të programohet në mënyrë dinamike sepse niveli i sinjalit nga termistori ndryshon shumë me temperaturën.
Një opsion tjetër është të vendosni fitimin, por të përdorni rrymën dinamike të diskut. Prandaj, ndërsa niveli i sinjalit nga termistori ndryshon, vlera e rrymës së makinës ndryshon në mënyrë dinamike në mënyrë që voltazhi i zhvilluar nëpër termistor të jetë brenda intervalit të specifikuar të hyrjes së pajisjes elektronike. Përdoruesi duhet të sigurojë që voltazhi i zhvilluar në rezistencën e referencës është gjithashtu në një nivel të pranueshëm për elektronikën. Të dy opsionet kërkojnë një nivel të lartë kontrolli, monitorim të vazhdueshëm të tensionit nëpër termistor në mënyrë që elektronika të mund të matë sinjalin. A ka një alternativë më të lehtë? Merrni parasysh ngacmimin e tensionit.
Kur voltazhi DC aplikohet në termistor, rryma përmes termistorit zvogëlohet automatikisht ndërsa rezistenca e termistorit ndryshon. Tani, duke përdorur një rezistencë matës precize në vend të një rezistence referimi, qëllimi i tij është të llogarisë rrymën që rrjedh nëpër termistor, duke lejuar kështu llogaritjen e rezistencës së termistorit. Meqenëse voltazhi i makinës përdoret gjithashtu si sinjal referencë ADC, nuk kërkohet asnjë fazë fitimi. Procesori nuk ka detyrën të monitorojë tensionin e termistorit, të përcaktojë nëse niveli i sinjalit mund të matet nga elektronika dhe të llogaritë se çfarë vlere fitimi/rryme duhet të rregullohet. Kjo është metoda e përdorur në këtë artikull.
Nëse termistori ka një vlerësim të vogël të rezistencës dhe diapazonin e rezistencës, mund të përdoret ngacmimi i tensionit ose rrymës. Në këtë rast, rryma dhe fitimi i makinës mund të rregullohen. 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. Për më tepër, vetë-ngrohja e termistorit minimizohet.
Ngacmimi i tensionit mund të përdoret gjithashtu për termistorët me shkallë të ulët të rezistencës. Sidoqoftë, 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 përdorni një termistor me një vlerësim të madh të rezistencës dhe një gamë të gjerë temperaturash. Rezistenca nominale më e madhe siguron një nivel të pranueshëm të rrymës së vlerësuar. Megjithatë, 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 dizajnoni një sistem matjeje termistori. Së pari, për shkak se sigma-delta ADC ri-mostron 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 zhurmës së 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 rezolucion të plotë deri në 21,7 bit, kështu që ato ofrojnë rezolucion të lartë.
Përdorimi i një ADC sigma-delta thjeshton shumë dizajnin e termistorit duke reduktuar specifikimet, koston e sistemit, hapësirën e bordit dhe kohën për treg.
Ky artikull përdor AD7124-4/AD7124-8 si ADC sepse ato janë ADC me zhurmë të ulët, rrymë të ulët, me saktësi me PGA të integruar, referencë të integruar, hyrje analoge dhe bufer referimi.
Pavarësisht nëse përdorni rrymën ose tensionin e diskut, rekomandohet një konfigurim ratiometrik në të cilin tensioni referencë dhe tensioni i sensorit vijnë nga i njëjti burim i njësisë. Kjo do të thotë se çdo ndryshim në burimin e ngacmimit nuk do të ndikojë në saktësinë e matjes.
Në fig. 5 tregon rrymën konstante të lëvizjes për termistorin dhe rezistencën e saktë RREF, voltazhi i zhvilluar në RREF është tensioni i referencës për matjen e termistorit.
Rryma e fushës nuk duhet 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 superior të ndjeshmërisë dhe imunitetit më të mirë ndaj zhurmës kur sensori ndodhet në vende të largëta. Kjo metodë e paragjykimit përdoret zakonisht për RTD ose termistorë me vlera të ulëta të rezistencës. Megjithatë, për një termistor me një vlerë më të lartë të rezistencës dhe ndjeshmëri më të lartë, niveli i sinjalit të gjeneruar nga çdo 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 drejtimit 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 gamës së funksionimit të shumicës së ADC-ve të disponueshme të përdorura në këtë zonë aplikimi. Termistorët gjithashtu zakonisht lidhen ose ndodhen pranë elektronikës, kështu që nuk kërkohet imuniteti ndaj rrymës.
Shtimi i një rezistence sensuale në seri si qark ndarës i tensionit do të kufizojë rrymën përmes termistorit në vlerën minimale të rezistencës. Në këtë konfigurim, vlera e rezistencës sensitive 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 përdoret një termistor 10 kΩ me rezistencë 10 kΩ në 25°C, RSENSE duhet të jetë 10 kΩ. Me ndryshimin e temperaturës, ndryshon edhe rezistenca e termistorit NTC, dhe raporti i tensionit të lëvizjes nëpër termistor gjithashtu ndryshon, duke rezultuar që voltazhi i daljes të jetë proporcional me rezistencën e termistorit NTC.
Nëse referenca e zgjedhur e tensionit e përdorur për të fuqizuar termistorin dhe/ose RSENSE përputhet me tensionin e referencës ADC të përdorur për matje, sistemi vendoset në matje ratiometrike (Figura 7) në mënyrë që çdo burim tensioni i gabimit të lidhur me ngacmimin të jetë i anuar për t'u hequr.
Vini re se ose rezistenca sens (e drejtuar nga tensioni) ose rezistenca e referencës (nga rryma) duhet të kenë një tolerancë të ulët fillestare 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 ndjeshmërisë së saktësisë, siç tregohet në fig. 8. Një opsion tjetër është përdorimi i një multiplekser të jashtëm ose një ndërprerës me rezistencë të ulët në gjendjen e ndezur, i cili lejon ndarjen e një rezistence të ndjeshme precize. Me këtë konfigurim, çdo termistor ka nevojë për një kohë vendosjeje kur matet.
Në përmbledhje, kur dizajnoni një sistem të matjes së temperaturës të bazuar në termistor, ka shumë pyetje për t'u marrë parasysh: zgjedhja e sensorit, instalimet elektrike të sensorit, kompensimet e zgjedhjes së komponentëve, konfigurimi i ADC dhe se si këto variabla të ndryshëm ndikojnë në saktësinë e përgjithshme të sistemit. Artikulli tjetër i kësaj serie shpjegon se si të optimizoni dizajnin e sistemit tuaj dhe buxhetin e përgjithshëm të gabimeve të sistemit për të arritur performancën tuaj të synuar.
Koha e postimit: 30 shtator 2022