Гэта першы артыкул у двухсерыйнай серыі. У гэтым артыкуле спачатку будзе абмяркоўваць гісторыю і дызайнерскія праблемыТэмпература на аснове тэрмістараСістэмы вымярэння, а таксама іх параўнанне з тэрмометрам супраціву (RTD). Ён таксама будзе апісваць выбар тэрмаістара, кампрамісаў канфігурацыі і важнасць аналага-лічбава-лічбавых пераўтваральнікаў Sigma-delta (ADC) у гэтай зоне прыкладання. У другім артыкуле будзе падрабязна апісана, як аптымізаваць і ацаніць канчатковую сістэму вымярэнняў на аснове тэрмістара.
Як апісана ў папярэдняй серыі артыкулаў, аптымізацыя сістэм датчыкаў тэмпературы RTD, RTD - гэта рэзістар, супраціў якога вар'іруецца ў залежнасці ад тэмпературы. Тэрмістары працуюць аналагічна RTDS. У адрозненне ад RTDS, якія маюць толькі станоўчы каэфіцыент тэмпературы, тэрмістар можа мець станоўчы або адмоўны каэфіцыент тэмпературы. Тэрмістары адмоўнага тэмпературы (NTC) зніжаюць іх супраціў, калі тэмпература павышаецца, у той час як тэрмістары станоўчай тэмпературы (PTC) павышаюць іх супраціў па меры павышэння тэмпературы. На мал. 1 паказвае характарыстыкі адказу тыповых тэрмістараў NTC і PTC і параўноўвае іх з крывымі RTD.
З пункту гледжання тэмпературнага дыяпазону крывая RTD амаль лінейная, а датчык ахоплівае значна больш шырокі тэмпературны дыяпазон, чым тэрмісты (звычайна -200 ° С да +850 ° С) з -за нелінейнага (экспанентнага) характару тэрмаістара. RTDS звычайна прадастаўляюцца ў вядомых стандартызаваных крывых, у той час як крывыя тэрмістара адрозніваюцца ад вытворцы. Мы падрабязна абмяркуем гэта ў раздзеле "Кіраўніцтва па выбары Тэрмістара" гэтага артыкула.
Тэрмістары вырабляюцца з кампазітных матэрыялаў, звычайна керамікі, палімераў або паўправаднікаў (звычайна металічных аксідаў) і чыстых металаў (плаціны, нікеля або медзі). Тэрмістары могуць выявіць змены тэмпературы хутчэй, чым RTDS, забяспечваючы больш хуткую зваротную сувязь. Такім чынам, тэрмістары звычайна выкарыстоўваюцца датчыкамі ў дадатках, якія патрабуюць нізкіх коштаў, невялікіх памераў, больш хуткай рэакцыі, больш высокай адчувальнасці і абмежаванага тэмпературнага дыяпазону, такіх як кантроль электронікі, дом дома і будаўнічы кантроль, навуковыя лабараторыі або кампенсацыю халоднага злучэння тэрмапары ў камерцыйных і прамысловых прыкладаннях. мэты. Прыкладанні.
У большасці выпадкаў тэрмістары NTC выкарыстоўваюцца для дакладнага вымярэння тэмпературы, а не для PTC Thermistors. Даступныя некаторыя тэрмісты PTC, якія могуць быць выкарыстаны ў схемах абароны ад перанапружання альбо ў якасці перамяшчэння засцерагальнікаў для бяспекі. Крывая тэмпературы супраціву тэрмаістара PTC паказвае вельмі невялікую вобласць NTC, перш чым дасягнуць кропкі перамыкача (або кропкі Curie), над якой супраціў рэзка павышаецца на некалькі парадкаў у дыяпазоне некалькіх градусаў Цэльсія. Пры перанапружанні Тэрмістар PTC будзе ствараць моцнае самагрэў, калі перавышаная тэмпература пераключэння, і яго супраціў будзе рэзка расці, што прывядзе да зніжэння ўваходнага току ў сістэму, прадухіляючы тым самым пашкоджанні. Кропка пераключэння тэрмістараў PTC звычайна складае паміж 60 ° С і 120 ° С і не падыходзіць для кантролю вымярэнняў тэмператур у шырокім дыяпазоне прыкладанняў. У гэтым артыкуле асноўная ўвага надаецца тэрмістарам NTC, якія звычайна могуць вымераць або кантраляваць тэмпературу ў межах ад -80 ° С да +150 ° С. Тэрмістары NTC маюць рэйтынгі супраціву ад некалькіх Ом да 10 МОм пры 25 ° С. Як паказана на мал. 1, змена супраціву на ступень Цэльсіі для тэрмістараў больш выяўленая, чым для тэрмометраў супраціву. У параўнанні з Тэрмістарамі, высокая адчувальнасць тэрмаістара і высокае значэнне супраціву спрашчаюць сваю ўваходную схему, паколькі тэрмістары не патрабуюць ніякай спецыяльнай канфігурацыі праводкі, напрыклад, 3-провада або 4-х провада, каб кампенсаваць супраціў свінцу. У канструкцыі Thermistor выкарыстоўваецца толькі простая 2-правадная канфігурацыя.
Вымярэнне тэмпературы на аснове высокай дакладнасці патрабуе дакладнай апрацоўкі сігналу, аналага-лічбавага пераўтварэння, лінеарызацыі і кампенсацыі, як паказана на мал. 2.
Хоць сігнальная ланцужок можа здацца простай, ёсць некалькі складанасцей, якія ўплываюць на памер, кошт і прадукцыйнасць усёй матчынай платы. Партфель ADC ADC ADC ўключае ў сябе некалькі інтэграваных рашэнняў, такіх як AD7124-4/AD7124-8, якія даюць шэраг пераваг для дызайну цеплавой сістэмы, паколькі ўбудаваны большасць будаўнічых блокаў. Аднак існуюць розныя праблемы ў распрацоўцы і аптымізацыі рашэнняў па вымярэнні тэмпературы на аснове тэрмістара.
У гэтым артыкуле разглядаецца кожнае з гэтых пытанняў і дае рэкамендацыі па вырашэнні іх і далейшага спрашчэння працэсу распрацоўкі такіх сістэм.
Ёсць вялікая разнастайнасцьNTC ThermistorsСёння на рынку, таму выбар правільнага тэрмістара для вашага прыкладання можа стаць складанай задачай. Звярніце ўвагу, што тэрмістары пералічаныя іх намінальным значэннем, якое з'яўляецца іх намінальным супрацівам пры 25 ° С. Такім чынам, тэрмістар 10 кОм мае намінальны супраціў 10 кОм пры 25 ° С. Тэрмістары маюць намінальныя або асноўныя значэнні супраціву ў межах ад некалькіх Ом да 10 МОм. Тэрмістары з нізкім рэйтынгам супраціву (намінальны супраціў 10 кОм і менш) звычайна падтрымліваюць нізкія дыяпазоны тэмпературы, такія як -50 ° С да +70 ° С. Тэрмістары з больш высокім рэйтынгам супраціву могуць вытрымліваць тэмпературу да 300 ° С.
Элемент тэрмістара выраблены з аксіду металу. Тэрмістары выпускаюцца ў шаравых, радыяльных і SMD -формах. Тэрмістарныя пацеркі - эпаксіднае пакрыццё або шкла, інкапсуляваны для дадатковай абароны. Тэрмістары з шарыкам з эпаксідным пакрыццём, радыяльныя і паверхневыя тэрмісты падыходзяць для тэмпературы да 150 ° С. Тэрмістары шкляных пацерак падыходзяць для вымярэння высокіх тэмператур. Усе віды пакрыццяў/упакоўкі таксама абараняюць ад карозіі. Некаторыя тэрмістары таксама будуць мець дадатковыя корпусы для дадатковай абароны ў суровых умовах. Тэрмістары шарыка маюць больш хуткі час рэакцыі, чым радыяльныя/SMD Тэрмістары. Аднак яны не такія трывалыя. Такім чынам, тып выкарыстанага тэрмістара залежыць ад канцавага прыкладання і асяроддзя, у якім размешчаны тэрмістар. Доўгатэрміновая стабільнасць тэрмістара залежыць ад яго матэрыялу, упакоўкі і дызайну. Напрыклад, эпаксідны пакрыццё NTC Тэрмістар можа мяняцца 0,2 ° С у год, а запячатаны тэрмістар змяняецца толькі на 0,02 ° С у год.
Тэрмістары прыходзяць у рознай дакладнасці. Стандартныя тэрмістары звычайна маюць дакладнасць ад 0,5 ° С да 1,5 ° С. Рэйтынг рэзістэнтнасці да тэрмаістара (стаўленне ад 25 ° С да 50 ° С/85 ° С) маюць талерантнасць. Звярніце ўвагу, што бэта -значэнне тэрмістара вар'іруецца ў залежнасці ад вытворцы. Напрыклад, 10 кОм Термістараў NTC ад розных вытворцаў будзе мець розныя велічыні бэта. Для больш дакладных сістэм могуць быць выкарыстаны тэрманістары, такія як серыя Omega ™ 44XXX. Яны маюць дакладнасць 0,1 ° С або 0,2 ° С у тэмпературным дыяпазоне ад 0 ° С да 70 ° С. Такім чынам, дыяпазон тэмператур, якія можна вымераць, і дакладнасць, неабходная для гэтага тэмпературнага дыяпазону, вызначае, ці падыходзяць тэрмісты для гэтага прыкладання. Звярніце ўвагу, што чым вышэй дакладнасць серыі Omega 44xxx, тым вышэй кошт.
Для пераўтварэння супраціву ў градусы Цэльсія звычайна выкарыстоўваецца бэта -значэнне. Значэнне бэта вызначаецца, ведаючы дзве тэмпературныя кропкі і адпаведны супраціў у кожнай тэмпературнай кропцы.
Rt1 = тэмпературны супраціў 1 RT2 = тэмпературны супраціў 2 T1 = тэмпература 1 (k) T2 = тэмпература 2 (k)
Карыстальнік выкарыстоўвае бэта -значэнне бліжэй да тэмпературнага дыяпазону, які выкарыстоўваецца ў праекце. Большасць табліц дадзеных Thermistor пералічваюць бэта -значэнне, а таксама дапушчальнасць супраціву пры 25 ° С і талерантнасць да бэта -значэння.
Больш высокія дакладныя тэрмістары і рашэнні высокай дакладнасці спынення, такія як серыя Omega 44XXX, выкарыстоўваюць раўнанне Штэйнхарт-Харта для пераўтварэння супраціву ў градусы Цэльсія. Ураўненне 2 патрабуе трох канстант A, B і C, якія зноў прадастаўляюцца вытворцам датчыкаў. Паколькі каэфіцыенты раўнання генеруюцца з выкарыстаннем трох тэмпературных кропак, атрыманае ўраўненне мінімізуе памылку, унесеную пры лінеарызацыі (звычайна 0,02 ° С).
A, B і C - канстанты, атрыманыя з трох тэмпературных зададзеных. R = супраціў тэрмаістара ў OHMS T = тэмпература ў градусах k
На мал. 3 паказвае бягучае ўзбуджэнне датчыка. Ток прывада прымяняецца да тэрмістара, і той жа ток прымяняецца да дакладнага рэзістара; Дакладны рэзістар выкарыстоўваецца ў якасці арыенціру для вымярэння. Значэнне эталоннага рэзістара павінна быць большым або роўным найбольшае значэнне супраціву тэрмістара (у залежнасці ад самай нізкай тэмпературы, вымеранай у сістэме).
Пры выбары току ўзбуджэння неабходна ўлічваць максімальны супраціў тэрмістара. Гэта гарантуе, што напружанне па ўсёй датчыку і эталонным рэзістары заўсёды на ўзроўні, прымальным для электронікі. Крыніца току поля патрабуе некаторага запасу або супадзення вываду. Калі тэрмістар мае высокі супраціў пры найменшай вымяральнай тэмпературы, гэта прывядзе да вельмі нізкага прывада. Такім чынам, напружанне, якое ўтвараецца ў тэрмістары пры высокай тэмпературы, невялікае. Для аптымізацыі вымярэння гэтых сігналаў нізкага ўзроўню можна выкарыстоўваць праграмуемыя этапы ўзмацнення. Аднак каэфіцыент узмацнення павінна быць праграмавана дынамічна, паколькі ўзровень сігналу ад тэрмастара моцна змяняецца з тэмпературай.
Іншы варыянт - усталяваць прыбытак, але выкарыстоўваць дынамічны ток прывада. Такім чынам, па меры змянення ўзроўню сігналу ад тэрмістара, значэнне току прывада дынамічна мяняецца, так што напружанне, якое развіваецца па ўсім тэрмістары, знаходзіцца ў зададзеным дыяпазоне ўводу электроннага прылады. Карыстальнік павінен пераканацца, што напружанне, распрацаванае праз эталонны рэзістар, таксама на ўзроўні, прымальным для электронікі. Абодва варыянты патрабуюць высокага ўзроўню кантролю, пастаяннага маніторынгу напружання праз тэрмістар, каб электроніка магла вымераць сігнал. Ці ёсць больш просты варыянт? Разгледзім ўзбуджэнне напружання.
Калі напружанне пастаяннага току прымяняецца да тэрмістара, ток праз тэрмістар аўтаматычна маштабуецца па меры змены супраціву тэрмістара. Цяпер, выкарыстоўваючы дакладнае вымярэнне рэзістара замест эталоннага рэзістара, яго мэтай з'яўляецца вылічэнне току, які праходзіць праз тэрмістар, што дазваляе разлічыць устойлівасць да тэрмістара. Паколькі напружанне прывада таксама выкарыстоўваецца ў якасці эталоннага сігналу ADC, этап узмацнення не патрабуецца. У працэсары няма працы па маніторынгу напружання тэрмістара, вызначаючы, ці можна вымераць узровень сігналу электронікі, і вылічэнне таго, што неабходна наладзіць павелічэнне прывада/току. Гэта метад, які выкарыстоўваецца ў гэтым артыкуле.
Калі ў тэрмістара ёсць невялікі рэйтынг супраціву і дыяпазон супраціву, можна выкарыстоўваць напружанне або бягучае ўзбуджэнне. У гэтым выпадку ток прывада і ўзмацненне можна выправіць. Такім чынам, схема будзе, як паказана на малюнку 3. Гэты метад зручны тым, што можна кантраляваць ток праз датчык і эталонны рэзістар, што каштоўна ў дадатках да нізкай магутнасці. Акрамя таго, саманагрэванне тэрмістара мінімізуецца.
Узбуджэнне напружання таксама можа быць выкарыстана для тэрмістараў з нізкім рэйтынгам супраціву. Аднак карыстальнік заўсёды павінен пераканацца, што ток праз датчык не занадта высокі для датчыка або прыкладання.
Узбуджэнне напружання спрашчае рэалізацыю пры выкарыстанні тэрмістара з вялікім рэйтынгам супраціву і шырокім тэмпературным дыяпазонам. Большы намінальны супраціў забяспечвае прымальны ўзровень намінальнага току. Аднак дызайнеры павінны пераканацца, што ток знаходзіцца на прымальным узроўні па ўсім дыяпазоне тэмпературы, які падтрымліваецца дадаткам.
ADC Sigma-Delta прапануюць некалькі пераваг пры распрацоўцы сістэмы вымярэння тэрмаістара. Па-першае, паколькі ADC Sigma-Delta ADC узроўнем аналагавага ўваходу, знешняя фільтрацыя зведзена да мінімуму, і адзінае патрабаванне-просты фільтр RC. Яны забяспечваюць гнуткасць у тыпе фільтра і хуткасці перадачы. Убудаваная лічбавая фільтрацыя можа быць выкарыстана для падаўлення любых перашкод у сеткавыя прылады. 24-бітныя прылады, такія як AD7124-4/AD7124-8, маюць поўнае дазвол да 21,7 біт, таму яны забяспечваюць высокае дазвол.
Выкарыстанне ADC Sigma-Delta значна спрашчае дызайн Thermistor, адначасова зніжаючы спецыфікацыю, кошт сістэмы, прастору дошкі і час на рынак.
У гэтым артыкуле выкарыстоўваецца ADC ADC ADC7124-4/AD7124-8, паколькі яны нізкі ўзровень шуму, нізкага току, дакладнасці АЦП з убудаванай PGA, убудаванай спасылкай, аналагавым уводам і даведачным буферам.
Незалежна ад таго, выкарыстоўваеце вы напружанне прывада ці прывада, рэкамендуецца суадносіны канфігурацыі, у якім эталоннае напружанне і напружанне датчыка паходзяць з той жа крыніцы прывада. Гэта азначае, што любое змяненне крыніцы ўзбуджэння не паўплывае на дакладнасць вымярэння.
На мал. 5 паказвае пастаянны ток прывада для тэрмістара і дакладнага рэзістара RREF, напружанне, распрацаванае ў RREF, з'яўляецца эталонным напружаннем для вымярэння тэрмістара.
Палявы ток не павінен быць дакладным і можа быць менш стабільным, бо ў гэтай канфігурацыі будуць ліквідаваны любыя памылкі ў полі. Звычайна бягучае ўзбуджэнне аддаецца перавагу праз узбуджэнне напружання з -за цудоўнага кантролю адчувальнасці і лепшага імунітэту шуму, калі датчык размешчаны ў аддаленых месцах. Гэты тып зрушэння метаду звычайна выкарыстоўваецца для RTDS або тэрмістараў са значэннямі нізкага супраціву. Аднак для тэрмістара з больш высокім значэннем супраціву і большай адчувальнасцю ўзровень сігналу, які ўтвараецца кожнай зменай тэмпературы, будзе больш, таму выкарыстоўваецца ўзбуджэнне напружання. Напрыклад, тэрмістар 10 кОм мае супраціў 10 кОм пры 25 ° С. Пры -50 ° С супраціў тэрмістара NTC складае 441,117 кОм. Мінімальны ток прывада 50 мкА, які забяспечваецца AD7124-4/AD7124-8, генеруе 441.117 Kω × 50 мкА = 22 В, які занадта высокі і за межамі аперацыйнага дыяпазону большасці даступных АЦП, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай вобласці прыкладання. Тэрмістары таксама звычайна падключаюцца альбо размяшчаюцца побач з электронікай, таму імунітэт да кіравання токам не патрабуецца.
Даданне рэзістара сэнсу ў серыі ў якасці ланцуга раздзяляння напружання будзе абмяжоўваць ток праз тэрмістар да мінімальнага значэння супраціву. У гэтай канфігурацыі значэнне рэзістара Sense Rsense павінна быць роўным значэнню супраціву тэрмістара пры эталоннай тэмпературы 25 ° С, так што выхадное напружанне будзе роўным сярэдзіне эталоннага напружання пры намінальнай тэмпературы 25 ° СС аналагічна, калі 10 кОм Тэрмістара з супрацівам 10 кОм пры 25 ° С, выкарыстоўваецца, выкарыстоўваецца RSENSE. Па меры змянення тэмпературы супраціў тэрмістара NTC таксама змяняецца, і суадносіны напружання прывада праз тэрмістар таксама змяняецца, што прыводзіць да таго, што выхадное напружанне будзе прапарцыйным супраціву тэрмістара NTC.
Калі выбранае спасылка на напружанне, якая выкарыстоўваецца для харчавання тэрмістара і/або RSENSE, адпавядае эталонным напружанні ADC, які выкарыстоўваецца для вымярэння, сістэма ўсталёўваецца на суадносіны вымярэнне (мал. 7), так што любы крыніца напружання, звязанага з узбуджэннем, будзе прадузята для выдалення.
Звярніце ўвагу, што альбо рэзістар сэнсу (напружанне), альбо эталонны рэзістар (ток, які кіруецца) павінен мець нізкую пачатковую талерантнасць і нізкі 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 рэзістар дакладнасці, як паказана на мал. 8. Іншы варыянт-выкарыстанне знешняга мультыплексара або перамыкача з нізкай устойлівасцю ў стане ON, які дазваляе падзяліць адзін рэзістар дакладнага сэнсу. Пры гэтай канфігурацыі кожны тэрмістар патрабуе некаторых часу ўрэгулявання пры вымярэнні.
Такім чынам, пры распрацоўцы сістэмы вымярэння тэмпературы на аснове тэрмістара ёсць шмат пытанняў, якія трэба ўлічваць: выбар датчыкаў, праводку датчыка, кампраміс выбару кампанентаў, канфігурацыя АЦП і тое, як гэтыя розныя зменныя ўплываюць на агульную дакладнасць сістэмы. Наступны артыкул у гэтай серыі тлумачыць, як аптымізаваць дызайн вашай сістэмы і агульны бюджэт памылак сістэмы для дасягнення мэтавай працы.
Час паведамлення: верасня-30-2022