Dies ist der erste Artikel in einer zweiteiligen Serie. In diesem Artikel werden zunächst die Geschichte und die Designherausforderungen von Diskussionen erörtertThermistorbasierte TemperaturMesssysteme sowie deren Vergleich mit Resistenzthermometer (RTD) Temperaturmesssystemen. Es wird auch die Auswahl von Thermistor, Konfigurationskompromisse und der Bedeutung von Sigma-Delta-Analog-Digital-Konvertern (ADCs) in diesem Anwendungsbereich beschrieben. In dem zweiten Artikel werden das endgültige thermistorbasierte Messsystem optimiert und bewertet.
Wie in den vorherigen Artikelreihen beschrieben, die RTD -Temperatursensorsysteme optimieren, ist ein RTD ein Widerstand, dessen Widerstand mit der Temperatur variiert. Thermistoren funktionieren ähnlich wie RTDs. Im Gegensatz zu RTDs, die nur einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, kann ein Thermistor einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Thermistoren des negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) verringern ihren Widerstand, wenn die Temperatur steigt, während die Thermistoren des positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) ihren Widerstand mit zunehmendem Temperatur erhöhen. Auf Abb. 1 zeigt die Antworteigenschaften typischer NTC- und PTC -Thermistoren und vergleicht sie mit RTD -Kurven.
In Bezug auf den Temperaturbereich ist die RTD -Kurve nahezu linear und der Sensor deckt aufgrund der nichtlinearen (exponentiellen) Art des Thermistors einen viel größeren Temperaturbereich als Thermistoren (typischerweise -200 ° C bis +850 ° C) ab. RTDs werden normalerweise in bekannten standardisierten Kurven bereitgestellt, während die Thermistorkurven vom Hersteller variieren. Wir werden dies im Abschnitt Thermistor Selection Guide in diesem Artikel ausführlich besprechen.
Thermistoren werden aus Verbundwerkstoffen hergestellt, normalerweise Keramik, Polymere oder Halbleiter (normalerweise Metalloxide) und reine Metalle (Platin, Nickel oder Kupfer). Thermistoren können Temperaturänderungen schneller als RTDs erkennen und schnellere Rückmeldungen bieten. Daher werden Thermistoren häufig von Sensoren in Anwendungen verwendet, die niedrige Kosten, geringe Größe, schnellere Reaktion, höhere Empfindlichkeit und begrenzte Temperaturbereich erfordern, wie z. Zwecke. Anwendungen.
In den meisten Fällen werden NTC -Thermistoren zur genauen Temperaturmessung und nicht zur PTC -Thermistoren verwendet. Einige PTC -Thermistoren sind verfügbar, die für Überstromschutzkreise oder als wiederanwerbliche Sicherungen für Sicherheitsanwendungen verwendet werden können. Die Widerstandstemperaturkurve eines PTC-Thermistors zeigt einen sehr kleinen NTC-Bereich, bevor er den Schaltpunkt (oder den Curie-Punkt) erreicht, über dem der Widerstand um mehrere Größenordnungen im Bereich von mehreren Grad Celsius stark steigt. Unter Überstrombedingungen erzeugt der PTC-Thermistor eine starke Selbstheizung, wenn die Schalttemperatur überschritten wird, und sein Widerstand steigt stark an, was den Eingangsstrom zum System verringert und so Schäden verhindert. Der Schaltpunkt von PTC -Thermistoren liegt typischerweise zwischen 60 ° C und 120 ° C und ist nicht zur Steuerung von Temperaturmessungen in einem weiten Anwendungsbereich geeignet. Dieser Artikel konzentriert sich auf NTC -Thermistoren, die typischerweise die Temperaturen im Bereich von -80 ° C bis +150 ° C messen oder überwachen können. NTC -Thermistoren haben Widerstandswerte im Bereich von wenigen Ohm bis 10 MΩ bei 25 ° C. Wie in Abb. 1 gezeigt. 1 Die Änderung des Widerstands pro Grad Celsius für Thermistoren ist stärker ausgeprägt als bei Resistenzthermometern. Im Vergleich zu Thermistoren vereinfacht die hohe Empfindlichkeit und den hohen Widerstandswert des Thermistors die Eingangsschaltung, da Thermistoren keine spezielle Kabelkonfiguration wie 3-Draht- oder 4-Draht-Konfiguration benötigen, um den Bleiwiderstand auszugleichen. Das Thermistor-Design verwendet nur eine einfache 2-Draht-Konfiguration.
Temperienmessung auf hoher Präzision thermistorbasierter Temperatur erfordert eine präzise Signalverarbeitung, Analog-Digital-Umwandlung, Linearisierung und Kompensation, wie in Abb. 1 gezeigt. 2.
Obwohl die Signalkette einfach erscheinen mag, gibt es verschiedene Komplexitäten, die die Größe, Kosten und Leistung des gesamten Motherboards beeinflussen. Das ADC-ADC-Portfolio von ADI umfasst mehrere integrierte Lösungen, wie z. Es gibt jedoch verschiedene Herausforderungen bei der Gestaltung und Optimierung von Temperaturmesslösungen auf Thermistorbasis.
In diesem Artikel werden jedes dieser Themen erörtert und Empfehlungen zur Lösung und Weiterverklingerung des Entwurfsprozesses für solche Systeme enthält.
Es gibt eine Vielzahl von einer Vielzahl vonNTC -ThermistorenAuf dem heutigen Markt kann die Auswahl des richtigen Thermistors für Ihre Anwendung eine entmutigende Aufgabe sein. Beachten Sie, dass Thermistoren durch ihren nominalen Wert aufgeführt sind, der ihr nominaler Widerstand bei 25 ° C ist. Daher hat ein 10 kΩ -Thermistor einen nominellen Widerstand von 10 kΩ bei 25 ° C. Thermistoren haben nominelle oder grundlegende Widerstandswerte von einigen Ohm bis 10 MΩ. Thermistoren mit niedrigen Widerstandswerten (Nennwiderstand von 10 kΩ oder weniger) unterstützen typischerweise niedrigere Temperaturbereiche wie -50 ° C bis +70 ° C. Thermistoren mit höheren Widerstandswerten können den Temperaturen bis zu 300 ° C standhalten.
Das Thermistorelement besteht aus Metalloxid. Thermistoren sind in Ball-, Radial- und SMD -Formen erhältlich. Thermistorperlen sind epoxidbeschichtete oder Glas, die zum zusätzlichen Schutz eingekapselt sind. Epoxidbeschichtete Kugelthermistoren, Radial- und Oberflächenthermistoren sind für Temperaturen bis zu 150 ° C geeignet. Glasperlen -Thermistoren sind für die Messung hoher Temperaturen geeignet. Alle Arten von Beschichtungen/Verpackungen schützen auch vor Korrosion. Einige Thermistoren haben auch zusätzliche Gehäuse für zusätzlichen Schutz in harten Umgebungen. Bead -Thermistoren haben eine schnellere Reaktionszeit als Radial/SMD -Thermistoren. Sie sind jedoch nicht so langlebig. Daher hängt die Art des verwendeten Thermistors von der Endanwendung und der Umgebung ab, in der sich der Thermistor befindet. Die langfristige Stabilität eines Thermistors hängt von Material, Verpackung und Design ab. Beispielsweise kann ein epoxidbeschichteter NTC-Thermistor 0,2 ° C pro Jahr verändern, während sich ein versiegelter Thermistor nur 0,02 ° C pro Jahr ändert.
Thermistoren kommen in unterschiedlicher Genauigkeit. Standardthermistoren haben typischerweise eine Genauigkeit von 0,5 ° C bis 1,5 ° C. Die Bewertung der Thermistorresistenz und der Betawert (Verhältnis von 25 ° C zu 50 ° C/85 ° C) haben eine Toleranz. Beachten Sie, dass der Beta -Wert des Thermistors je nach Hersteller variiert. Beispielsweise haben 10 kΩ NTC -Thermistoren aus verschiedenen Herstellern unterschiedliche Betawerte. Für genauere Systeme können Thermistoren wie die Omega ™ 44xxx -Serie verwendet werden. Sie haben eine Genauigkeit von 0,1 ° C oder 0,2 ° C über einen Temperaturbereich von 0 ° C bis 70 ° C. Daher bestimmt der Temperaturbereich, der gemessen werden kann, und die über diesen Temperaturbereich erforderliche Genauigkeit bestimmt, ob Thermistoren für diese Anwendung geeignet sind. Bitte beachten Sie, dass je höher die Genauigkeit der Omega 44xxx -Serie ist, desto höher sind die Kosten.
Um den Widerstand in Grad Celsius umzuwandeln, wird normalerweise der Beta -Wert verwendet. Der Beta -Wert wird bestimmt, indem die beiden Temperaturpunkte und der entsprechende Widerstand an jedem Temperaturpunkt kennen.
RT1 = Temperaturwiderstand 1 RT2 = Temperaturwiderstand 2 T1 = Temperatur 1 (k) T2 = Temperatur 2 (k)
Der Benutzer verwendet den Beta -Wert, der dem im Projekt verwendeten Temperaturbereich am nächsten liegt. Die meisten Thermistor -Datenblätter listen einen Beta -Wert zusammen mit einer Widerstandstoleranz bei 25 ° C und einer Toleranz für den Beta -Wert auf.
Höhere Präzisionsthermistoren und Hochgenauigkeitsterminierungslösungen wie die Omega 44xxx-Serie verwenden die Steinhart-Hart-Gleichung, um den Widerstand in Grad Celsius umzuwandeln. Bei Gleichung 2 sind die drei Konstanten A, B und C erforderlich, die erneut vom Sensorhersteller bereitgestellt werden. Da die Gleichungskoeffizienten unter Verwendung von drei Temperaturpunkten erzeugt werden, minimiert die resultierende Gleichung den durch Linearisierung eingeführten Fehler (typischerweise 0,02 ° C).
A, B und C sind Konstanten, die von drei Temperaturzügen abgeleitet wurden. R = Thermistorresistenz in Ohm T = Temperatur in k -Grad
Auf Abb. 3 zeigt die aktuelle Anregung des Sensors. Der Antriebsstrom wird auf den Thermistor angewendet und der gleiche Strom wird auf den Präzisionswiderstand angewendet. Ein Präzisionswiderstand wird als Referenz für die Messung verwendet. Der Wert des Referenzwiderstands muss größer oder gleich dem höchsten Wert des Thermistorwiderstands sein (abhängig von der im System gemessenen niedrigsten Temperatur).
Bei der Auswahl des Anregungsstroms muss der maximale Widerstand des Thermistors erneut berücksichtigt werden. Dies stellt sicher, dass die Spannung über den Sensor und den Referenzwiderstand immer auf einem für die Elektronik akzeptablen Niveau ist. Die Feldstromquelle benötigt eine Kopffreiheit oder einen Ausgangsanpassung. Wenn der Thermistor bei der niedrigsten messbaren Temperatur einen hohen Widerstand aufweist, führt dies zu einem sehr niedrigen Antriebsstrom. Daher ist die über den Thermistor erzeugte Spannung bei hoher Temperatur gering. Programmierbare Verstärkungsstufen können verwendet werden, um die Messung dieser Signale mit niedrigem Niveau zu optimieren. Die Verstärkung muss jedoch dynamisch programmiert werden, da der Signalpegel des Thermistors mit der Temperatur stark variiert.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verstärkung festzulegen, aber dynamischem Laufwerksstrom zu verwenden. Wenn sich der Signalpegel aus dem Thermistor ändert, ändert sich daher der Antriebsstromwert dynamisch, so dass sich die über den Thermistor entwickelte Spannung innerhalb des angegebenen Eingangsbereichs des elektronischen Geräts befindet. Der Benutzer muss sicherstellen, dass die über den Referenzwiderstand entwickelte Spannung ebenfalls auf einer für die Elektronik akzeptablen Ebene ist. Beide Optionen erfordern ein hohes Maß an Kontrolle und eine konstante Überwachung der Spannung über den Thermistor, damit die Elektronik das Signal messen kann. Gibt es eine einfachere Option? Betrachten Sie die Spannungsanregung.
Wenn die DC -Spannung auf den Thermistor angewendet wird, ändert sich der Strom durch den Thermistor automatisch, wenn sich der Widerstand des Thermistors ändert. Mit einem Präzisionsmesswiderstand anstelle eines Referenzwiderstands besteht sein Zweck darin, den durch den Thermistor fließenden Strom zu berechnen, wodurch der Thermistorwiderstand berechnet werden kann. Da die Antriebsspannung auch als ADC -Referenzsignal verwendet wird, ist keine Verstärkungsstufe erforderlich. Der Prozessor hat nicht die Aufgabe, die Thermistorspannung zu überwachen, festzustellen, ob der Signalpegel durch die Elektronik gemessen werden kann, und zu berechnen, welcher Antriebsverstärkung/Strom -Wert angepasst werden muss. Dies ist die in diesem Artikel verwendete Methode.
Wenn der Thermistor eine kleine Widerstandsbewertung und einen Widerstandsbereich aufweist, kann eine Spannung oder Stromanregung verwendet werden. In diesem Fall kann der Laufwerksstrom und die Gewinne festgelegt werden. Somit ist die Schaltung wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Methode ist insofern geeignet, als es möglich ist, den Strom durch den Sensor und den Referenzwiderstand zu steuern, der in Anwendungen mit niedriger Leistung wertvoll ist. Darüber hinaus wird die Selbsthitzung des Thermistors minimiert.
Die Spannungsanregung kann auch für Thermistoren mit niedrigen Resistenzbewertungen verwendet werden. Der Benutzer muss jedoch immer sicherstellen, dass der Strom durch den Sensor für den Sensor oder die Anwendung nicht zu hoch ist.
Die Spannungsanregung vereinfacht die Implementierung, wenn ein Thermistor mit einer großen Widerstandsbewertung und einem weiten Temperaturbereich verwendet wird. Ein größerer nominaler Widerstand liefert ein akzeptables Maß an Nennstrom. Designer müssen jedoch sicherstellen, dass der Strom über den gesamten Temperaturbereich, der von der Anwendung unterstützt wird, auf einem akzeptablen Niveau liegt.
Sigma-Delta-ADCs bieten bei der Gestaltung eines Thermistor-Messsystems mehrere Vorteile. Erstens, da die Sigma-Delta ADC den analogen Eingang neu abzeigt, wird die externe Filterung auf ein Minimum gehalten und die einzige Anforderung ist ein einfacher RC-Filter. Sie bieten Flexibilität bei Filtertyp und Ausgangsbaud. Die integrierte digitale Filterung kann verwendet werden, um alle Interferenzen in Geräten mit Stromnutzern zu unterdrücken. 24-Bit-Geräte wie AD7124-4/AD7124-8 haben eine vollständige Auflösung von bis zu 21,7 Bit, sodass sie eine hohe Auflösung bieten.
Die Verwendung eines Sigma-Delta-ADC vereinfacht das Thermistordesign erheblich und senkt die Spezifikation, die Systemkosten, den Brettraum und die Marktzeit.
In diesem Artikel wird AD7124-4/AD7124-8 als ADC verwendet, da es sich um niedrige Rauschen, niedrige Strom, Präzisions-ADCs mit integriertem PGA, eingebauter Referenz, Analogeingabe und Referenzpuffer handelt.
Unabhängig davon, ob Sie den Antriebsstrom oder die Antriebsspannung verwenden, wird eine ratiometrische Konfiguration empfohlen, bei der die Referenzspannung und die Sensorspannung aus derselben Antriebsquelle stammen. Dies bedeutet, dass jede Änderung der Anregungsquelle die Genauigkeit der Messung nicht beeinflusst.
Auf Abb. 5 zeigt den konstanten Antriebsstrom für den Thermistor und den Präzisionswiderstand RREF. Die über RREF entwickelte Spannung ist die Referenzspannung für die Messung des Thermistors.
Der Feldstrom muss nicht genau sein und ist möglicherweise weniger stabil, da in dieser Konfiguration Fehler im Feldstrom beseitigt werden. Im Allgemeinen wird die Stromanregung gegenüber der Spannungsanregung aufgrund einer überlegenen Empfindlichkeitsregelung und einer besseren Geräuschimmunität, wenn sich der Sensor an abgelegenen Stellen befindet, bevorzugt. Diese Art von Bias -Methode wird typischerweise für RTDs oder Thermistoren mit niedrigen Widerstandswerten verwendet. Für einen Thermistor mit einem höheren Widerstandswert und einer höheren Empfindlichkeit ist der durch jede Temperaturänderung erzeugte Signalpegel jedoch größer, sodass eine Spannungsanregung verwendet wird. Beispielsweise hat ein 10 kΩ -Thermistor einen Widerstand von 10 kΩ bei 25 ° C. Bei -50 ° C beträgt der Widerstand des NTC -Thermistors 441,117 kΩ. Der minimale Antriebsstrom von 50 µA, der vom AD7124-4/AD7124-8 bereitgestellt wird, erzeugt 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, was zu hoch und außerhalb des Betriebsbereichs der meisten verfügbaren ADCs in diesem Anwendungsbereich ist. Thermistoren sind in der Regel auch in der Nähe der Elektronik angeschlossen oder lokalisiert, sodass keine Immunität gegen den Antriebsstrom erforderlich ist.
Durch das Hinzufügen eines Sinneswiderstandes in Reihe als Spannungsteilerschaltung wird der Strom durch den Thermistor auf seinen Mindestwiderstandswert beschränkt. In dieser Konfiguration muss der Wert des Sinneswiderstands Rsense gleich dem Wert des Thermistorwiderstands bei einer Referenztemperatur von 25 ° C sein, so dass die Ausgangsspannung dem Mittelpunkt der Referenzspannung bei seiner Nenntemperatur von 25 ° CC in ähnlicher Weise ist, wenn ein 10 kΩ -Thermist mit einem Widerstand von 10 kΩ bei einer 10 kΩ -Verwendung von 10 kΩ. Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich auch der Widerstand des NTC -Thermistors und das Verhältnis der Antriebsspannung über den Thermistor, was dazu führt, dass die Ausgangsspannung proportional zum Widerstand des NTC -Thermistors ist.
Wenn die ausgewählte Spannungsreferenz zur Stromversorgung des Thermistors und/oder Rsense mit der für die Messung verwendeten ADC-Referenzspannung übereinstimmt, wird das System auf die ratiometrische Messung eingestellt (Abbildung 7), sodass jede zu entfernene Erregung der Fehlerspannungsspannung vorgespannt wird.
Beachten Sie, dass entweder der Sinneswiderstand (Spannung angetrieben) oder der Referenzwiderstand (Strom angetrieben) eine niedrige anfängliche Toleranz und eine geringe Drift aufweisen sollte, da beide Variablen die Genauigkeit des gesamten Systems beeinflussen können.
Bei der Verwendung mehrerer Thermistoren kann eine Anregungsspannung verwendet werden. Jeder Thermistor muss jedoch seinen eigenen Präzisions -Sinn -Widerstand haben, wie in Fig. 1 gezeigt. 8. Eine andere Option besteht darin, einen externen Multiplexer oder einen Schalter mit niedrigem Resistenz im State zu verwenden, wodurch ein Genisionswiderstand aus dem Präzisionsgefühle geteilt wird. Mit dieser Konfiguration benötigt jeder Thermistor bei der Messung eine gewisse Absetzzeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Gestaltung eines thermistorbasierten Temperaturmesssystems viele Fragen berücksichtigt werden müssen: Sensorauswahl, Sensorverdrahtung, Komponentenauswahlabfälle, ADC-Konfiguration und die Auswirkungen dieser verschiedenen Variablen auf die Gesamtgenauigkeit des Systems. Der nächste Artikel in dieser Serie erläutert, wie Sie Ihr Systemdesign und Ihr Gesamtsystemfehlerbudget optimieren, um Ihre Zielleistung zu erreichen.
Postzeit: Sep-30-2022