Аптымізацыя сістэм вымярэння тэмпературы на аснове тэрмістараў: праблема

Гэта першы артыкул у серыі з дзвюх частак. Гэты артыкул спачатку абмяркуе гісторыю і праблемы дызайнутэмпература на аснове тэрмістарасістэмы вымярэння, а таксама іх параўнанне з сістэмамі вымярэння тэмпературы тэрмометрам супраціву (RTD). Тут таксама будзе апісаны выбар тэрмістара, кампрамісы канфігурацыі і важнасць сігма-дэльта аналага-лічбавых пераўтваральнікаў (АЦП) у гэтай вобласці прымянення. У другім артыкуле будзе падрабязна апісана, як аптымізаваць і ацаніць канчатковую сістэму вымярэння на аснове тэрмістара.
Як апісана ў папярэдняй серыі артыкулаў "Аптымізацыя сістэм датчыкаў тэмпературы RTD", RTD - гэта рэзістар, супраціўленне якога змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы. Тэрмарэзістары працуюць аналагічна RTD. У адрозненне ад RTD, якія маюць толькі станоўчы тэмпературны каэфіцыент, тэрмістар можа мець станоўчы або адмоўны тэмпературны каэфіцыент. Тэрмістары з адмоўным тэмпературным каэфіцыентам (NTC) памяншаюць свой супраціў па меры павышэння тэмпературы, а тэрмістары з станоўчым тэмпературным каэфіцыентам (PTC) павялічваюць свой супраціў па меры павышэння тэмпературы. На мал. 1 паказвае характарыстыкі водгуку тыповых тэрмістараў NTC і PTC і параўноўвае іх з крывымі RTD.
Што тычыцца дыяпазону тэмператур, крывая RTD амаль лінейная, і датчык ахоплівае значна больш шырокі дыяпазон тэмператур, чым тэрмістары (звычайна ад -200°C да +850°C) з-за нелінейнай (экспанентнай) прыроды тэрмістара. RTD звычайна прадстаўляюцца ў выглядзе добра вядомых стандартызаваных крывых, у той час як крывыя тэрмістара адрозніваюцца ў залежнасці ад вытворцы. Мы падрабязна абмяркуем гэта ў раздзеле кіраўніцтва па выбары тэрмістараў гэтага артыкула.
Тэрмарэзістары вырабляюцца з кампазітных матэрыялаў, звычайна керамікі, палімераў або паўправаднікоў (звычайна аксідаў металаў) і чыстых металаў (плаціны, нікеля або медзі). Тэрмарэзістары могуць выяўляць змены тэмпературы хутчэй, чым RTD, забяспечваючы больш хуткую зваротную сувязь. Такім чынам, тэрмістары звычайна выкарыстоўваюцца датчыкамі ў прыкладаннях, якія патрабуюць нізкай кошту, невялікіх памераў, больш хуткага рэагавання, больш высокай адчувальнасці і абмежаванага дыяпазону тэмператур, такіх як кантроль электронікі, кантроль дома і будынкаў, навуковыя лабараторыі або кампенсацыя халоднага спаю для тэрмапар у камерцыйных або прамысловае прымяненне. мэтах. Прыкладанні.
У большасці выпадкаў для дакладнага вымярэння тэмпературы выкарыстоўваюцца NTC-тэрмістары, а не PTC-тэрмістары. Даступныя некаторыя тэрмарэзістары PTC, якія можна выкарыстоўваць у ланцугах абароны ад перагрузкі па току або ў якасці плаўкіх засцерагальнікаў для забеспячэння бяспекі. Крывая тэмпература-супраціў тэрмістара PTC паказвае вельмі малую вобласць NTC перад дасягненнем кропкі пераключэння (або кропкі Кюры), вышэй якой супраціўленне рэзка ўзрастае на некалькі парадкаў у дыяпазоне некалькіх градусаў Цэльсія. Ва ўмовах перагрузкі па току тэрмістар PTC будзе ствараць моцны саманагрэў пры перавышэнні тэмпературы пераключэння, і яго супраціў рэзка ўзрасце, што паменшыць уваходны ток у сістэму, тым самым прадухіляючы пашкоджанне. Тэмпература пераключэння тэрмістараў PTC звычайна знаходзіцца ў дыяпазоне ад 60°C да 120°C і не падыходзіць для кантролю вымярэння тэмпературы ў шырокім дыяпазоне прымянення. Гэты артыкул прысвечаны тэрмістарам NTC, якія звычайна могуць вымяраць або кантраляваць тэмпературы ў дыяпазоне ад -80°C да +150°C. Тэрмістары NTC маюць паказчыкі супраціву ў дыяпазоне ад некалькіх Ом да 10 МОм пры 25°C. Як паказана на мал. 1, змяненне супраціву на градус Цэльсія для тэрмістараў больш выяўленае, чым для тэрмометраў супраціву. У параўнанні з тэрмістарамі, высокая адчувальнасць тэрмістара і высокае значэнне супраціву спрашчаюць яго ўваходныя схемы, паколькі тэрмістары не патрабуюць спецыяльнай канфігурацыі праводкі, напрыклад, 3-правадной або 4-правадной, каб кампенсаваць супраціўленне провада. У канструкцыі тэрмістара выкарыстоўваецца толькі простая 2-правадная канфігурацыя.
Высокадакладнае вымярэнне тэмпературы на аснове тэрмістара патрабуе дакладнай апрацоўкі сігналу, аналагава-лічбавага пераўтварэння, лінеарызацыі і кампенсацыі, як паказана на мал. 2.
Нягледзячы на ​​​​тое, што ланцуг сігналаў можа здацца простым, ёсць некалькі складанасцей, якія ўплываюць на памер, кошт і прадукцыйнасць усёй мацярынскай платы. Партфель прэцызійных АЦП ADI уключае некалькі інтэграваных рашэнняў, такіх як AD7124-4/AD7124-8, якія забяспечваюць шэраг пераваг для праектавання цеплавой сістэмы, паколькі большасць будаўнічых блокаў, неабходных для прыкладання, убудаваныя. Аднак існуюць розныя праблемы пры распрацоўцы і аптымізацыі рашэнняў для вымярэння тэмпературы на аснове тэрмістараў.
У гэтым артыкуле разглядаецца кожная з гэтых праблем і даюцца рэкамендацыі па іх вырашэнні і далейшаму спрашчэнні працэсу праектавання такіх сістэм.
Ёсць вялікая разнастайнасцьТэрмістары NTCна рынку сёння, таму выбар правільнага тэрмістара для вашага прымянення можа быць складанай задачай. Звярніце ўвагу, што тэрмістары пазначаны па намінальным значэнні, якое з'яўляецца іх намінальным супраціўленнем пры 25°C. Такім чынам, тэрмістар 10 кОм мае намінальнае супраціўленне 10 кОм пры 25°C. Тэрмістары маюць намінальныя або асноўныя значэнні супраціву ў дыяпазоне ад некалькіх Ом да 10 МОм. Тэрмістары з нізкім супраціўленнем (намінальнае супраціўленне 10 кОм або менш) звычайна падтрымліваюць больш нізкія дыяпазоны тэмператур, напрыклад ад -50°C да +70°C. Тэрмарэзістары з больш высокім паказчыкам супраціву могуць вытрымліваць тэмпературу да 300°C.
Элемент тэрмістара выкананы з аксіду металу. Тэрмарэзістары даступныя ў шарыкавай, радыяльнай і SMD форме. Шарыкі тэрмістара маюць эпаксіднае пакрыццё або шкляныя капсулы для дадатковай абароны. Шарыкавыя тэрмістары з эпаксідным пакрыццём, радыяльныя і павярхоўныя тэрмістары падыходзяць для тэмператур да 150°C. Для вымярэння высокіх тэмператур падыходзяць тэрмістары са шклянымі шарыкамі. Усе тыпы пакрыццяў/упакоўкі таксама абараняюць ад карозіі. Некаторыя тэрмістары таксама будуць мець дадатковыя корпуса для дадатковай абароны ў суровых умовах. Тэрмістары з шарыкамі маюць больш хуткі час водгуку, чым радыяльныя/SMD-тэрмістары. Аднак яны не такія даўгавечныя. Такім чынам, тып выкарыстоўванага тэрмістара залежыць ад канчатковага прымянення і асяроддзя, у якім знаходзіцца тэрмістар. Доўгатэрміновая стабільнасць тэрмістара залежыць ад яго матэрыялу, упакоўкі і канструкцыі. Напрыклад, NTC-тэрмістар з эпаксідным пакрыццём можа змяняць 0,2°C у год, у той час як герметычны тэрмістар змяняе толькі 0,02°C у год.
Термисторы бываюць рознай дакладнасці. Стандартныя тэрмістары звычайна маюць дакладнасць ад 0,5°C да 1,5°C. Намінальнае супраціўленне тэрмістара і бэта-значэнне (суадносіны ад 25°C да 50°C/85°C) маюць допуск. Звярніце ўвагу, што бэта-значэнне тэрмістара залежыць ад вытворцы. Напрыклад, 10 кОм NTC-тэрмістары розных вытворцаў будуць мець розныя бэта-значэнні. Для больш дакладных сістэм можна выкарыстоўваць тэрмістары, такія як серыя Omega™ 44xxx. Яны маюць дакладнасць 0,1°C або 0,2°C у дыяпазоне тэмператур ад 0°C да 70°C. Такім чынам, дыяпазон тэмператур, якія можна вымераць, і дакладнасць, неабходная ў гэтым дыяпазоне тэмператур, вызначаюць, ці падыходзяць тэрмістары для гэтага прымянення. Звярніце ўвагу, што чым вышэй дакладнасць серыі Omega 44xxx, тым вышэй кошт.
Для пераўтварэння супраціву ў градусы Цэльсія звычайна выкарыстоўваецца бэта-значэнне. Бэта-значэнне вызначаецца, ведаючы дзве тэмпературныя кропкі і адпаведнае супраціўленне ў кожнай тэмпературнай кропцы.
RT1 = Тэмпературная ўстойлівасць 1 RT2 = Тэмпературная ўстойлівасць 2 T1 = Тэмпература 1 (K) T2 = Тэмпература 2 (K)
Карыстальнік выкарыстоўвае бэта-значэнне, найбольш блізкае да дыяпазону тэмператур, які выкарыстоўваецца ў праекце. У большасці тэхнічных табліц тэрмістараў указана бэта-значэнне разам з допускам супраціву пры 25°C і допускам для бэта-значэння.
Больш дакладныя тэрмістары і высокадакладныя тэрмінальныя рашэнні, такія як серыя Omega 44xxx, выкарыстоўваюць ураўненне Штэйнхарта-Харта для пераўтварэння супраціўлення ў градусы Цэльсія. Ураўненне 2 патрабуе трох канстант A, B і C, зноў жа прадастаўленых вытворцам датчыка. Паколькі каэфіцыенты ўраўнення ствараюцца з выкарыстаннем трох тэмпературных кропак, выніковае ўраўненне мінімізуе памылку, унесеную лінеарызацыі (звычайна 0,02 °C).
A, B і C - гэта канстанты, атрыманыя з трох зададзеных тэмператур. R = супраціў тэрмістара ў Омах T = тэмпература ў К градусах
На мал. 3 паказвае ток ўзбуджэння датчыка. Ток прывада падаецца на тэрмістар, і такі ж ток падаецца на прэцызійны рэзістар; прэцызійны рэзістар выкарыстоўваецца ў якасці эталона для вымярэння. Значэнне эталоннага рэзістара павінна быць большым або роўным найбольшаму значэнню супраціўлення тэрмістара (у залежнасці ад самай нізкай тэмпературы, вымеранай у сістэме).
Пры выбары току ўзбуджэння трэба зноў-такі ўлічваць максімальнае супраціў тэрмістара. Гэта гарантуе, што напружанне на датчыку і эталонным рэзістары заўсёды знаходзіцца на ўзроўні, прымальным для электронікі. Крыніца палявога току патрабуе пэўнага запасу або ўзгаднення выхаду. Калі тэрмістар мае высокі супраціў пры самай нізкай тэмпературы, якую можна вымераць, гэта прывядзе да вельмі нізкага току прывада. Такім чынам, напружанне, якое ствараецца на тэрмістары пры высокай тэмпературы, невялікае. Праграмуемыя каскады ўзмацнення могуць выкарыстоўвацца для аптымізацыі вымярэння гэтых сігналаў нізкага ўзроўню. Аднак узмацненне павінна быць запраграмавана дынамічна, таму што ўзровень сігналу ад тэрмістара моцна змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы.
Іншы варыянт - усталяваць узмацненне, але выкарыстоўваць дынамічны ток прывада. Такім чынам, калі ўзровень сігналу ад тэрмістара змяняецца, значэнне току прывада дынамічна змяняецца так, што напружанне, якое ўзнікае на тэрмістары, знаходзіцца ў межах вызначанага ўваходнага дыяпазону электроннай прылады. Карыстальнік павінен пераканацца, што напружанне, якое развіваецца на эталонным рэзістары, таксама знаходзіцца на ўзроўні, прымальным для электронікі. Абодва варыянты патрабуюць высокага ўзроўню кантролю, пастаяннага кантролю напружання на тэрмістары, каб электроніка магла вымераць сігнал. Ці ёсць больш просты варыянт? Разгледзім узбуджэнне напругай.
Калі на тэрмістар падаецца пастаяннае напружанне, ток праз тэрмістар аўтаматычна павялічваецца па меры змены супраціўлення тэрмістара. Цяпер пры выкарыстанні прэцызійнага вымяральнага рэзістара замест эталоннага рэзістара яго мэта складаецца ў тым, каб вылічыць ток, які праходзіць праз тэрмістар, што дазваляе вылічыць супраціўленне тэрмістара. Паколькі напружанне прывада таксама выкарыстоўваецца ў якасці апорнага сігналу АЦП, каскад узмацнення не патрабуецца. Працэсар не мае задачы кантраляваць напружанне тэрмістара, вызначаць, ці можна электронікай вымераць узровень сігналу, і вылічваць, якое значэнне ўзмацнення / бягучага току неабходна адрэгуляваць. Гэта метад, які выкарыстоўваецца ў гэтым артыкуле.
Калі тэрмістар мае невялікае намінальнае супраціўленне і дыяпазон супраціўлення, можна выкарыстоўваць узбуджэнне напругай або токам. У гэтым выпадку ток прывада і ўзмацненне могуць быць зафіксаваны. Такім чынам, схема будзе такой, як паказана на малюнку 3. Гэты метад зручны тым, што можна кантраляваць ток праз датчык і апорны рэзістар, што вельмі важна ў прылажэннях з нізкай магутнасцю. Акрамя таго, мінімізуецца саманагрэў тэрмістара.
Узбуджэнне па напрузе можа таксама выкарыстоўвацца для тэрмістараў з нізкім супраціўленнем. Аднак карыстальнік заўсёды павінен пераканацца, што ток праз датчык не занадта вялікі для датчыка або прыкладання.
Узбуджэнне напругай спрашчае рэалізацыю пры выкарыстанні тэрмістара з вялікім супраціўленнем і шырокім дыяпазонам тэмператур. Большы намінальны супраціў забяспечвае прымальны ўзровень намінальнага току. Аднак распрацоўнікам неабходна пераканацца, што ток знаходзіцца на прымальным узроўні ва ўсім дыяпазоне тэмператур, які падтрымліваецца прылажэннем.
Сігма-дэльта АЦП даюць некалькі пераваг пры распрацоўцы сістэмы вымярэння тэрмістара. Па-першае, з-за таго, што сігма-дэльта-АЛП перавыбірае аналагавы ўваход, знешняя фільтрацыя зведзена да мінімуму, і адзіным патрабаваннем з'яўляецца просты RC-фільтр. Яны забяспечваюць гнуткасць тыпу фільтра і хуткасці перадачы дадзеных. Убудаваная лічбавая фільтрацыя можа выкарыстоўвацца для падаўлення любых перашкод у прыладах, якія працуюць ад сеткі. 24-разрадныя прылады, такія як AD7124-4/AD7124-8, маюць поўнае разрозненне да 21,7 біт, таму яны забяспечваюць высокае раздзяленне.
Выкарыстанне сігма-дэльта АЦП значна спрашчае канструкцыю тэрмістара, адначасова зніжаючы тэхнічныя характарыстыкі, кошт сістэмы, месца на плаце і час выхаду на рынак.
У гэтым артыкуле ў якасці АЦП выкарыстоўваюцца AD7124-4/AD7124-8, таму што гэта дакладныя АЦП з нізкім узроўнем шуму, малым токам і ўбудаваным PGA, убудаваным апорным сігналам, аналагавым уваходам і апорным буферам.
Незалежна ад таго, выкарыстоўваеце вы ток прывада або напружанне прывада, рэкамендуецца рацыяметрычная канфігурацыя, у якой апорнае напружанне і напружанне датчыка паходзяць ад адной крыніцы прывада. Гэта азначае, што любая змена крыніцы ўзбуджэння не паўплывае на дакладнасць вымярэння.
На мал. На малюнку 5 паказаны пастаянны ток узбуджальніка для тэрмістара і прэцызійнага рэзістара RREF, напружанне, якое ўзнікае на RREF, з'яўляецца эталонным напружаннем для вымярэння тэрмістара.
Ток поля не павінен быць дакладным і можа быць менш стабільным, паколькі любыя памылкі ў току поля будуць ліквідаваны ў гэтай канфігурацыі. Як правіла, узбуджэнне па току з'яўляецца пераважней, чым па напрузе з-за лепшага кантролю адчувальнасці і лепшай перашкодаўстойлівасці, калі датчык размешчаны ў аддаленых месцах. Гэты тып метаду зрушэння звычайна выкарыстоўваецца для RTD або тэрмарэзістараў з нізкімі значэннямі супраціву. Аднак для тэрмістара з больш высокім значэннем супраціву і больш высокай адчувальнасцю ўзровень сігналу, які ствараецца пры кожнай змене тэмпературы, будзе большым, таму выкарыстоўваецца ўзбуджэнне напругай. Напрыклад, тэрмістар 10 кОм мае супраціўленне 10 кОм пры 25°C. Пры -50°C супраціўленне тэрмістара NTC складае 441,117 кОм. Мінімальны ток прывада 50 мкА, які забяспечваецца AD7124-4/AD7124-8, стварае 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, што занадта высока і знаходзіцца па-за межамі працоўнага дыяпазону большасці даступных АЦП, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай вобласці прымянення. Тэрмарэзістары таксама звычайна падключаюцца або размяшчаюцца побач з электронікай, таму ўстойлівасць да току ўзбуджальніка не патрабуецца.
Паслядоўнае даданне сэнсарнага рэзістара ў якасці ланцуга дзельніка напружання абмяжуе ток праз тэрмістар да мінімальнага значэння супраціву. У гэтай канфігурацыі значэнне сэнсарнага рэзістара RSENSE павінна быць роўна значэнню супраціўлення тэрмістара пры эталоннай тэмпературы 25°C, каб выхадная напруга была роўная сярэдняй кропцы эталоннага напружання пры яго намінальнай тэмпературы 25°CC Падобным чынам, калі выкарыстоўваецца тэрмістар 10 кОм з супрацівам 10 кОм пры 25°C, RSENSE павінен быць 10 кОм. Пры змене тэмпературы супраціўленне тэрмістара NTC таксама змяняецца, і стаўленне напружання ўзбуджальніка на тэрмістары таксама змяняецца, у выніку чаго выхадное напружанне прапарцыянальна супраціўленню тэрмістара NTC.
Калі абранае апорнае напружанне, якое выкарыстоўваецца для харчавання тэрмістара і/або RSENSE, супадае з апорным напружаннем АЦП, якое выкарыстоўваецца для вымярэння, сістэма настроена на рацыяметрычнае вымярэнне (малюнак 7), так што любая крыніца напружання памылкі, звязаная з узбуджаннем, будзе зрушана для выдалення.
Звярніце ўвагу, што або сэнсарны рэзістар (кіруецца напругай), або эталонны рэзістар (кіруецца токам) павінны мець нізкі пачатковы допуск і нізкі дрэйф, паколькі абедзве зменныя могуць уплываць на дакладнасць усёй сістэмы.
Пры выкарыстанні некалькіх тэрмарэзістараў можна выкарыстоўваць адно напружанне ўзбуджэння. Аднак у кожнага тэрмістара павінен быць уласны прэцызійны адчувальны рэзістар, як паказана на мал. 8. Іншым варыянтам з'яўляецца выкарыстанне вонкавага мультыплексара або перамыкача з нізкім супрацівам ва ўключаным стане, які дазваляе сумесна выкарыстоўваць адзін рэзістар дакладнага адчування. Пры такой канфігурацыі кожны тэрмістар патрабуе пэўнага часу для вымярэння.
Падводзячы вынік, пры распрацоўцы сістэмы вымярэння тэмпературы на аснове тэрмістара трэба ўлічваць шмат пытанняў: выбар датчыка, праводку датчыка, кампрамісы пры выбары кампанентаў, канфігурацыю АЦП і тое, як гэтыя розныя зменныя ўплываюць на агульную дакладнасць сістэмы. Наступны артыкул гэтай серыі тлумачыць, як аптымізаваць канструкцыю сістэмы і агульны бюджэт памылак сістэмы для дасягнення мэтавай прадукцыйнасці.