Гэта першы артыкул з серыі з дзвюх частак. У гэтым артыкуле спачатку будзе абмеркавана гісторыя і праблемы дызайнутэмпература на аснове тэрмістарасістэмы вымярэння, а таксама іх параўнанне з сістэмамі вымярэння тэмпературы з дапамогай тэрмометраў супраціву (RTD). Таксама будзе апісаны выбар тэрмістара, кампрамісы ў канфігурацыі і важнасць сігма-дэльта аналага-лічбавых пераўтваральнікаў (АЛП) у гэтай галіне прымянення. У другім артыкуле падрабязна апісана, як аптымізаваць і ацаніць канчатковую сістэму вымярэння на аснове тэрмістара.
Як апісана ў папярэдняй серыі артыкулаў «Аптымізацыя сістэм тэмпературных датчыкаў RTD», RTD — гэта рэзістар, супраціўленне якога змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы. Тэрмарэзістары працуюць падобна да RTD. У адрозненне ад RTD, якія маюць толькі станоўчы тэмпературны каэфіцыент, тэрмістар можа мець станоўчы або адмоўны тэмпературны каэфіцыент. Тэрмарэзістары з адмоўным тэмпературным каэфіцыентам (NTC) памяншаюць свой супраціў пры павышэнні тэмпературы, у той час як тэрмарэзістары з станоўчым тэмпературным каэфіцыентам (PTC) павялічваюць свой супраціў пры павышэнні тэмпературы. На мал. 1 паказаны характарыстыкі тыповых тэрмарэзістараў NTC і PTC і параўнаны яны з крывымі RTD.
Што тычыцца дыяпазону тэмператур, крывая тэрмістара амаль лінейная, і датчык ахоплівае значна шырэйшы дыяпазон тэмператур, чым тэрмістары (звычайна ад -200°C да +850°C), з-за нелінейнай (экспанентнай) прыроды тэрмістара. Тэрмістары звычайна пастаўляюцца ў выглядзе вядомых стандартызаваных крывых, у той час як крывыя тэрмістара адрозніваюцца ў залежнасці ад вытворцы. Мы падрабязна абмяркуем гэта ў раздзеле кіраўніцтва па выбары тэрмістара 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. Таму тэрмарэзістары звычайна выкарыстоўваюцца ў датчыках у прыладах, якія патрабуюць нізкай кошту, малых памераў, больш хуткай рэакцыі, больш высокай адчувальнасці і абмежаванага дыяпазону тэмператур, такіх як кіраванне электронікай, кіраванне домам і будынкам, навуковыя лабараторыі або кампенсацыя халоднага спая для тэрмапар у камерцыйных або прамысловых мэтах. Прымяненне.
У большасці выпадкаў для дакладнага вымярэння тэмпературы выкарыстоўваюцца тэрмістары з адсутнасцю току (NTC), а не PTC. Існуюць некаторыя PTC-тэрмістары, якія можна выкарыстоўваць у схемах абароны ад перагрузкі па току або ў якасці самазасцеральнікаў для бяспекі. Крывая супраціўлення-тэмпературы PTC-тэрмістара паказвае вельмі малую вобласць NTC перад дасягненнем кропкі пераключэння (або кропкі Кюры), вышэй за якую супраціўленне рэзка ўзрастае на некалькі парадкаў у дыяпазоне некалькіх градусаў Цэльсія. Ва ўмовах перагрузкі па току PTC-тэрмістар будзе моцна саманагравацца пры перавышэнні тэмпературы пераключэння, і яго супраціўленне рэзка ўзрастае, што знізіць уваходны ток у сістэму, тым самым прадухіляючы пашкоджанні. Кропка пераключэння PTC-тэрмістараў звычайна знаходзіцца ў дыяпазоне ад 60°C да 120°C і не падыходзіць для кіравання вымярэннямі тэмпературы ў шырокім дыяпазоне прымянення. Гэты артыкул прысвечаны NTC-тэрмістарам, якія звычайна могуць вымяраць або кантраляваць тэмпературы ў дыяпазоне ад -80°C да +150°C. Тэрмарэзістары з адсутнасцю ТК маюць супраціўленне ад некалькіх Ом да 10 МОм пры тэмпературы 25°C. Як паказана на мал. 1, змена супраціўлення на градус Цэльсія для тэрмарэзістараў больш выяўленая, чым для тэрмометраў супраціву. У параўнанні з тэрмарэзістарамі, высокая адчувальнасць і высокае значэнне супраціўлення тэрмарэзістара спрашчаюць яго ўваходную схему, паколькі тэрмарэзістары не патрабуюць спецыяльнай канфігурацыі падключэння, напрыклад, 3- ці 4-правадной, для кампенсацыі супраціўлення правадоў. У канструкцыі тэрмарэзістара выкарыстоўваецца толькі простая 2-правадная канфігурацыя.
Высокадакладнае вымярэнне тэмпературы з дапамогай тэрмістара патрабуе дакладнай апрацоўкі сігналаў, аналага-лічбавага пераўтварэння, лінеарызацыі і кампенсацыі, як паказана на мал. 2.
Нягледзячы на тое, што ланцужок сігналаў можа здавацца простым, існуе некалькі складанасцей, якія ўплываюць на памер, кошт і прадукцыйнасць усёй матчынай платы. Партфель дакладных АЦП ADI ўключае некалькі інтэграваных рашэнняў, такіх як AD7124-4/AD7124-8, якія забяспечваюць шэраг пераваг для праектавання цеплавых сістэм, паколькі большасць неабходных для прымянення структурных блокаў убудаваныя. Аднак існуе мноства праблем пры праектаванні і аптымізацыі рашэнняў для вымярэння тэмпературы на аснове тэрмістараў.
У гэтым артыкуле абмяркоўваецца кожная з гэтых праблем і даюць рэкамендацыі па іх вырашэнні і далейшаму спрашчэнню працэсу праектавання такіх сістэм.
Існуе шырокі выбарТэрмарэзістары NTCна рынку сёння, таму выбар патрэбнага тэрмістара для вашага прымянення можа быць складанай задачай. Звярніце ўвагу, што тэрмістары пералічваюцца па іх 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 намінальнае або базавае значэнне супраціўлення ад некалькіх Ом да 10 МОм. Тэрмістары з нізкім намінальным супраціўленнем (намінальнае супраціўленне 10 кОм або менш) звычайна падтрымліваюць больш нізкія дыяпазоны тэмператур, такія як ад -50°C да +70°C. Тэрмістары з больш высокім намінальным супраціўленнем могуць вытрымліваць тэмпературу да 300°C.
Тэрмарэзістарны элемент выраблены з аксіду металу. Тэрмарэзістары выпускаюцца шарыкавай, радыяльнай і SMD-формы. Для дадатковай абароны тэрмарэзістары пакрытыя эпаксіднай смалой або зачыненыя шкляной капсулай. Шарыкавыя, радыяльныя і павярхоўныя тэрмарэзістары з эпаксідным пакрыццём падыходзяць для тэмператур да 150°C. Шкляныя тэрмарэзістары падыходзяць для вымярэння высокіх тэмператур. Усе тыпы пакрыццяў/упакоўкі таксама абараняюць ад карозіі. Некаторыя тэрмарэзістары таксама маюць дадатковыя корпусы для дадатковай абароны ў суровых умовах. Тэрмарэзістары з шарыкамі маюць больш хуткі час водгуку, чым радыяльныя/SMD-тэрмарэзістары. Аднак яны не такія трывалыя. Такім чынам, тып выкарыстоўванага тэрмарэзістара залежыць ад канчатковага прымянення і асяроддзя, у якім знаходзіцца тэрмарэзістар. Доўгатэрміновая стабільнасць тэрмарэзістара залежыць ад яго матэрыялу, упакоўкі і канструкцыі. Напрыклад, тэрмарэзістар з эпаксідным пакрыццём можа змяняцца на 0,2°C у год, у той час як герметычны тэрмарэзістар змяняецца толькі на 0,02°C у год.
Тэрмарэзістары бываюць рознай дакладнасці. Стандартныя тэрмарэзістары звычайна маюць дакладнасць ад 0,5°C да 1,5°C. Намінальнае супраціўленне тэрмарэзістара і яго бэта-значэнне (суадносіны 25°C да 50°C/85°C) маюць дапушчальнае адхіленне. Звярніце ўвагу, што бэта-значэнне тэрмарэзістара адрозніваецца ў залежнасці ад вытворцы. Напрыклад, тэрмарэзістары з NTC 10 кОм ад розных вытворцаў будуць мець розныя бэта-значэнні. Для больш дакладных сістэм можна выкарыстоўваць тэрмарэзістары, 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 вымяраць, і неабходная дакладнасць у гэтым дыяпазоне тэмператур вызначаюць, ці падыходзяць тэрмарэзістары для гэтага прымянення. Звярніце ўвагу, што чым вышэйшая дакладнасць серыі Omega 44xxx, тым вышэйшы кошт.
Для пераўтварэння супраціўлення ў градусы Цэльсія звычайна выкарыстоўваецца значэнне бэта. Значэнне бэта вызначаецца, ведаючы дзве тэмпературныя кропкі і адпаведнае супраціўленне ў кожнай тэмпературнай кропцы.
RT1 = Тэмпературнае супраціўленне 1 RT2 = Тэмпературнае супраціўленне 2 T1 = Тэмпература 1 (K) T2 = Тэмпература 2 (K)
Карыстальнік выкарыстоўвае значэнне бэта, найбліжэйшае да дыяпазону тэмператур, які выкарыстоўваецца ў праекце. У большасці тэхнічных характарыстык тэрмістараў пазначана значэнне бэта разам з дапушчальным адхіленнем ад супраціву пры 25°C і дапушчальным адхіленнем ад значэння бэта.
Тэрмістары высокай дакладнасці і высакаякасныя рашэнні для заключэння, такія як серыя Omega 44xxx, выкарыстоўваюць ураўненне Штайнхарта-Харта для пераўтварэння супраціўлення ў градусы Цэльсія. Ураўненне 2 патрабуе трох канстант A, B і C, якія зноў жа прадастаўляюцца вытворцам датчыка. Паколькі каэфіцыенты ўраўнення генеруюцца з выкарыстаннем трох тэмпературных кропак, атрыманае ўраўненне мінімізуе памылку, унесеную лінеарызацыяй (звычайна 0,02 °C).
A, B і C — гэта канстанты, атрыманыя з трох зададзеных значэнняў тэмпературы. R = супраціўленне тэрмістара ў Омах, T = тэмпература ў градусах К.
На мал. 3 паказаны ток узбуджэння датчыка. Узбуджальны ток падаецца на тэрмістар, і такі ж ток падаецца на дакладны рэзістар; дакладны рэзістар выкарыстоўваецца ў якасці эталона для вымярэння. Значэнне эталоннага рэзістара павінна быць большым або роўным найбольшаму значэнню супраціўлення тэрмістара (у залежнасці ад самай нізкай вымеранай тэмпературы ў сістэме).
Пры выбары току ўзбуджэння неабходна зноў улічваць максімальны супраціў тэрмістара. Гэта гарантуе, што напружанне на датчыку і апорным рэзістары заўсёды будзе на ўзроўні, прымальным для электронікі. Крыніца току ўзбуджэння патрабуе пэўнага запасу па магутнасці або ўзгаднення выхаднога сігналу. Калі тэрмістар мае высокі супраціў пры самай нізкай вымяральнай тэмпературы, гэта прывядзе да вельмі нізкага току ўзбуджэння. Такім чынам, напружанне, якое генеруецца на тэрмістары пры высокай тэмпературы, невялікае. Для аптымізацыі вымярэння гэтых сігналаў нізкага ўзроўню можна выкарыстоўваць праграмуемыя каскады ўзмацнення. Аднак узмацненне павінна праграмавацца дынамічна, таму што ўзровень сігналу ад тэрмістара моцна змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы.
Іншы варыянт — усталяваць каэфіцыент узмацнення, але выкарыстоўваць дынамічны ток кіравання. Такім чынам, пры змене ўзроўню сігналу ад тэрмістара значэнне току кіравання дынамічна змяняецца, каб напружанне, якое ствараецца на тэрмістары, знаходзілася ў межах зададзенага ўваходнага дыяпазону электроннай прылады. Карыстальнік павінен пераканацца, што напружанне, якое ствараецца на апорным рэзістары, таксама знаходзіцца на ўзроўні, прымальным для электронікі. Абодва варыянты патрабуюць высокага ўзроўню кантролю, пастаяннага маніторынгу напружання на тэрмістары, каб электроніка магла вымяраць сігнал. Ці ёсць больш просты варыянт? Разгледзьце ўзбуджэнне напружаннем.
Калі на тэрмістар падаецца пастаяннае напружанне, ток праз тэрмістар аўтаматычна змяняецца па меры змены яго супраціўлення. Цяпер, выкарыстоўваючы дакладны вымяральны рэзістар замест апорнага, яго мэта — вылічыць ток, які працякае праз тэрмістар, што дазваляе разлічыць супраціўленне тэрмістара. Паколькі напружанне кіравання таксама выкарыстоўваецца ў якасці апорнага сігналу АЦП, каскад узмацнення не патрабуецца. Працэсар не павінен кантраляваць напружанне тэрмістара, вызначаць, ці можа электроніка вымераць узровень сігналу, і вылічваць, якое значэнне каэфіцыента ўзмацнення/току кіравання трэба адрэгуляваць. Менавіта гэты метад выкарыстоўваецца ў гэтым артыкуле.
Калі тэрмарэзістар мае невялікі намінальнае супраціўленне і дыяпазон супраціву, можна выкарыстоўваць узбуджэнне напружаннем або токам. У гэтым выпадку ток кіравання і каэфіцыент узмацнення можна фіксаваць. Такім чынам, схема будзе выглядаць так, як паказана на малюнку 3. Гэты метад зручны тым, што можна кіраваць токам праз датчык і апорны рэзістар, што каштоўна ў прымяненнях з нізкім энергаспажываннем. Акрамя таго, саманагрэў тэрмарэзістара мінімізуецца.
Узбуджэнне напружаннем таксама можа выкарыстоўвацца для тэрмістараў з нізкім супраціўленнем. Аднак карыстальнік павінен заўсёды сачыць за тым, каб ток праз датчык не быў занадта высокім для датчыка або прымянення.
Узбуджэнне напружаннем спрашчае рэалізацыю пры выкарыстанні тэрмарэзістара з вялікім намінальным супраціўленнем і шырокім дыяпазонам тэмператур. Большы намінальны супраціў забяспечвае прымальны ўзровень намінальнага току. Аднак распрацоўшчыкам неабходна гарантаваць, што ток знаходзіцца на прымальным узроўні ва ўсім дыяпазоне тэмператур, які падтрымліваецца прымяненнем.
Сігма-дэльта АЦП прапануюць некалькі пераваг пры праектаванні вымяральнай сістэмы тэрмістара. Па-першае, паколькі сігма-дэльта АЦП перадыскрэтызуе аналагавы ўваход, знешняя фільтрацыя зводзіцца да мінімуму, і адзіным патрабаваннем з'яўляецца просты RC-фільтр. Яны забяспечваюць гнуткасць у тыпе фільтра і хуткасці перадачы вываду. Убудаваная лічбавая фільтрацыя можа быць выкарыстана для падаўлення любых перашкод у прыладах, якія сілкуюцца ад сеткі. 24-бітныя прылады, такія як AD7124-4/AD7124-8, маюць поўнае разрозненне да 21,7 біта, таму яны забяспечваюць высокае разрозненне.
Выкарыстанне сігма-дэльта АЦП значна спрашчае канструкцыю тэрмарэзістара, адначасова памяншаючы спецыфікацыі, кошт сістэмы, месца на плаце і час выхаду на рынак.
У гэтым артыкуле ў якасці АЦП выкарыстоўваюцца AD7124-4/AD7124-8, паколькі гэта нізкашумныя, нізкаточныя, дакладныя АЦП з убудаваным PGA, убудаванай крыніцай апорнай напругі, аналагавым уваходам і буферам апорнай напругі.
Незалежна ад таго, выкарыстоўваеце вы ток кіравання або напружанне кіравання, рэкамендуецца выкарыстоўваць ратыаметрычную канфігурацыю, у якой апорнае напружанне і напружанне датчыка паступаюць з адной і той жа крыніцы кіравання. Гэта азначае, што любое змяненне крыніцы ўзбуджэння не паўплывае на дакладнасць вымярэння.
На мал. 5 паказаны пастаянны ток кіравання для тэрмістара і дакладнага рэзістара RREF, напружанне, якое ўзнікае на RREF, з'яўляецца апорным напружаннем для вымярэння тэрмістара.
Ток узбуджэння не абавязкова павінен быць дакладным і можа быць менш стабільным, бо ў гэтай канфігурацыі любыя памылкі ў току ўзбуджэння будуць ліквідаваны. Як правіла, узбуджэнне токам пераважнейшае за ўзбуджэнне напружаннем з-за лепшага кантролю адчувальнасці і лепшай перашкодаўстойлівасці, калі датчык размешчаны ў аддаленых месцах. Гэты тып метаду зрушэння звычайна выкарыстоўваецца для тэрмарэзістараў або тэрмістараў з нізкімі значэннямі супраціўлення. Аднак для тэрмістара з больш высокім значэннем супраціўлення і больш высокай адчувальнасцю ўзровень сігналу, які генеруецца кожным змяненнем тэмпературы, будзе большым, таму выкарыстоўваецца ўзбуджэнне напружаннем. Напрыклад, тэрмістар 10 кОм мае супраціўленне 10 кОм пры 25°C. Пры -50°C супраціўленне тэрмістара NTC складае 441,117 кОм. Мінімальны ток кіравання 50 мкА, які забяспечваецца AD7124-4/AD7124-8, генеруе 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, што занадта высока і выходзіць за межы працоўнага дыяпазону большасці даступных АЦП, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай вобласці прымянення. Тэрмарэзістары таксама звычайна падключаюцца або размяшчаюцца побач з электронікай, таму ўстойлівасць да току кіравання не патрабуецца.
Даданне рэзістара паслядоўна ў схему дзельніка напружання абмяжуе ток праз тэрмістар да яго мінімальнага значэння супраціву. У гэтай канфігурацыі значэнне рэзістара RSENSE павінна быць роўна значэнню супраціўлення тэрмістара пры эталоннай тэмпературы 25°C, каб выходнае напружанне было роўна сярэдняй кропцы эталоннага напружання пры яго намінальнай тэмпературы 25°C. Аналагічна, калі выкарыстоўваецца тэрмістар 10 кОм з супраціўленнем 10 кОм пры 25°C, RSENSE павінна быць 10 кОм. Пры змене тэмпературы супраціўленне тэрмістара NTC таксама змяняецца, і суадносіны напружання кіравання на тэрмістары таксама змяняецца, у выніку чаго выходнае напружанне прапарцыйна супраціўленню тэрмістара NTC.
Калі выбранае апорнае напружанне, якое выкарыстоўваецца для харчавання тэрмірэзістара і/або RSENSE, супадае з апорным напружаннем АЦП, якое выкарыстоўваецца для вымярэння, сістэма ўсталёўваецца ў рэжым ратыаметрычнага вымярэння (малюнак 7), каб ліквідаваць любую памылку крыніцы напружання ўзбуджэння, звязаную з гэтым.
Звярніце ўвагу, што альбо рэзістар вымярэння (кіраваны напружаннем), альбо рэзістар апорнай напругі (кіраваны токам) павінны мець нізкі пачатковы дапушчальны адхіленне і малы дрэйф, бо абедзве зменныя могуць паўплываць на дакладнасць усёй сістэмы.
Пры выкарыстанні некалькіх тэрмістараў можна выкарыстоўваць адно напружанне ўзбуджэння. Аднак кожны тэрмістар павінен мець свой уласны дакладны рэзістар, як паказана на мал. 8. Іншы варыянт - выкарыстоўваць знешні мультыплексар або нізкасупраціўны перамыкач ва ўключаным стане, што дазваляе сумесна выкарыстоўваць адзін дакладны рэзістар. Пры такой канфігурацыі кожны тэрмістар патрабуе пэўнага часу стабілізацыі пры вымярэнні.
Карацей кажучы, пры праектаванні сістэмы вымярэння тэмпературы на аснове тэрмістара неабходна ўлічваць мноства пытанняў: выбар датчыка, падключэнне датчыка, кампрамісы пры выбары кампанентаў, канфігурацыя АЦП і тое, як гэтыя розныя зменныя ўплываюць на агульную дакладнасць сістэмы. У наступным артыкуле гэтай серыі тлумачыцца, як аптымізаваць канструкцыю сістэмы і агульны бюджэт памылак сістэмы для дасягнення мэтавай прадукцыйнасці.
Час публікацыі: 30 верасня 2022 г.