Dies ist der erste Artikel einer zweiteiligen Serie. Dieser Artikel befasst sich zunächst mit der Geschichte und den Designherausforderungen vonThermistor-basierte TemperaturMesssysteme sowie deren Vergleich mit Widerstandsthermometern (RTD)-Temperaturmesssystemen. Es werden auch die Wahl des Thermistors, Konfigurationskompromisse und die Bedeutung von Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlern (ADCs) in diesem Anwendungsbereich beschrieben. Der zweite Artikel beschreibt detailliert, wie das finale thermistorbasierte Messsystem optimiert und bewertet werden kann.
Wie in der vorherigen Artikelserie „Optimierung von RTD-Temperatursensorsystemen“ beschrieben, ist ein RTD ein Widerstand, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. Thermistoren funktionieren ähnlich wie RTDs. Im Gegensatz zu RTDs, die nur einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, kann ein Thermistor einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) verringern ihren Widerstand bei steigender Temperatur, während Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ihren Widerstand bei steigender Temperatur erhöhen. Abb. 1 zeigt die Reaktionseigenschaften typischer NTC- und PTC-Thermistoren und vergleicht sie mit RTD-Kurven.
Die RTD-Kurve ist nahezu linear, und der Sensor deckt aufgrund seiner nichtlinearen (exponentiellen) Natur einen deutlich größeren Temperaturbereich ab als Thermistoren (typischerweise -200 °C bis +850 °C). RTDs werden üblicherweise in bekannten standardisierten Kurven angegeben, während Thermistorkurven je nach Hersteller variieren. Wir werden dies im Abschnitt „Thermistor-Auswahlhilfe“ dieses Artikels ausführlich erläutern.
Thermistoren bestehen aus Verbundwerkstoffen, meist Keramik, Polymeren oder Halbleitern (meist Metalloxiden) und reinen Metallen (Platin, Nickel oder Kupfer). Thermistoren erfassen Temperaturänderungen schneller als RTDs und liefern somit schnelleres Feedback. Daher werden Thermistoren häufig in Sensoren eingesetzt, die niedrige Kosten, geringe Größe, schnellere Reaktion, höhere Empfindlichkeit und einen begrenzten Temperaturbereich erfordern, wie z. B. in der Elektroniksteuerung, der Haus- und Gebäudesteuerung, in wissenschaftlichen Laboren oder zur Kaltstellenkompensation von Thermoelementen in gewerblichen oder industriellen Anwendungen. Anwendungen.
In den meisten Fällen werden NTC-Thermistoren und keine PTC-Thermistoren für genaue Temperaturmessungen verwendet. Es sind einige PTC-Thermistoren erhältlich, die in Überstromschutzschaltungen oder als rückstellbare Sicherungen für Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden können. Die Widerstands-Temperatur-Kurve eines PTC-Thermistors zeigt einen sehr kleinen NTC-Bereich vor Erreichen des Schaltpunkts (oder Curiepunkts), oberhalb dessen der Widerstand um mehrere Größenordnungen im Bereich von mehreren Grad Celsius stark ansteigt. Unter Überstrombedingungen erzeugt der PTC-Thermistor bei Überschreiten der Schalttemperatur eine starke Selbsterwärmung, und sein Widerstand steigt stark an, wodurch der Eingangsstrom zum System reduziert und so Schäden vermieden werden. Der Schaltpunkt von PTC-Thermistoren liegt typischerweise zwischen 60 °C und 120 °C und ist für die Regelung von Temperaturmessungen in vielen Anwendungen nicht geeignet. Dieser Artikel konzentriert sich auf NTC-Thermistoren, die typischerweise Temperaturen von -80 °C bis +150 °C messen oder überwachen können. NTC-Thermistoren haben Widerstandswerte von wenigen Ohm bis zu 10 MΩ bei 25 °C. Wie in Abb. 1 dargestellt, ist die Widerstandsänderung pro Grad Celsius bei Thermistoren stärker ausgeprägt als bei Widerstandsthermometern. Im Vergleich zu Thermistoren vereinfachen die hohe Empfindlichkeit und der hohe Widerstandswert des Thermistors seine Eingangsschaltung, da Thermistoren keine spezielle Verdrahtung, wie z. B. 3- oder 4-adrig, zur Kompensation des Leitungswiderstands benötigen. Das Thermistordesign verwendet lediglich eine einfache 2-adrige Konfiguration.
Eine hochpräzise, thermistorbasierte Temperaturmessung erfordert eine präzise Signalverarbeitung, Analog-Digital-Umwandlung, Linearisierung und Kompensation, wie in Abb. 2 dargestellt.
Obwohl die Signalkette einfach erscheint, gibt es mehrere Komplexitäten, die sich auf Größe, Kosten und Leistung des gesamten Motherboards auswirken. Das Präzisions-ADC-Portfolio von ADI umfasst mehrere integrierte Lösungen, wie den AD7124-4/AD7124-8, die zahlreiche Vorteile für die thermische Systementwicklung bieten, da die meisten für eine Anwendung benötigten Bausteine bereits integriert sind. Die Entwicklung und Optimierung thermistorbasierter Temperaturmesslösungen bringt jedoch verschiedene Herausforderungen mit sich.
In diesem Artikel werden alle diese Probleme erörtert und Empfehlungen zu deren Lösung sowie zur weiteren Vereinfachung des Entwurfsprozesses für solche Systeme gegeben.
Es gibt eine Vielzahl vonNTC-ThermistorenAuf dem heutigen Markt gibt es viele verschiedene Thermistoren, daher kann die Auswahl des richtigen Thermistors für Ihre Anwendung eine schwierige Aufgabe sein. Beachten Sie, dass Thermistoren nach ihrem Nennwert aufgelistet sind, d. h. ihrem Nennwiderstand bei 25 °C. Ein 10-kΩ-Thermistor hat also einen Nennwiderstand von 10 kΩ bei 25 °C. Thermistoren haben Nenn- oder Basiswiderstände 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 Temperaturen von bis zu 300 °C standhalten.
Das Thermistorelement besteht aus Metalloxid. Thermistoren sind in Kugel-, Radial- und SMD-Bauform erhältlich. Thermistorperlen sind für zusätzlichen Schutz epoxidbeschichtet oder glasgekapselt. Epoxidbeschichtete Kugel-, Radial- und Oberflächenthermistoren sind für Temperaturen bis 150 °C geeignet. Glasperlenthermistoren eignen sich zur Messung hoher Temperaturen. Alle Arten von Beschichtungen/Verpackungen schützen zudem vor Korrosion. Einige Thermistoren verfügen zudem über zusätzliche Gehäuse für zusätzlichen Schutz in rauen Umgebungen. Perlenthermistoren haben eine schnellere Reaktionszeit als Radial-/SMD-Thermistoren. Sie sind jedoch nicht so langlebig. Daher hängt der verwendete Thermistortyp von der Endanwendung und der Umgebung ab, in der sich der Thermistor befindet. Die Langzeitstabilität eines Thermistors hängt von seinem Material, seiner Verpackung und seinem Design ab. Beispielsweise kann sich ein epoxidbeschichteter NTC-Thermistor um 0,2 °C pro Jahr ändern, während sich ein versiegelter Thermistor nur um 0,02 °C pro Jahr ändert.
Thermistoren sind mit unterschiedlicher Genauigkeit erhältlich. Standardthermistoren haben typischerweise eine Genauigkeit von 0,5 °C bis 1,5 °C. Der Thermistorwiderstand und der Betawert (Verhältnis von 25 °C zu 50 °C/85 °C) unterliegen einer Toleranz. Beachten Sie, dass der Betawert des Thermistors je nach Hersteller variiert. Beispielsweise haben 10 kΩ NTC-Thermistoren verschiedener Hersteller 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 ist der messbare Temperaturbereich und die in diesem Temperaturbereich erforderliche Genauigkeit entscheidend dafür, ob Thermistoren für diese Anwendung geeignet sind. Bitte beachten Sie: Je höher die Genauigkeit der Omega 44xxx-Serie, desto höher sind auch die Kosten.
Zur Umrechnung des Widerstands in Grad Celsius wird üblicherweise der Betawert verwendet. Der Betawert wird ermittelt, indem die beiden Temperaturpunkte und der entsprechende Widerstand an jedem Temperaturpunkt bekannt sind.
RT1 = Temperaturwiderstand 1 RT2 = Temperaturwiderstand 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
Der Benutzer verwendet den Betawert, der dem im Projekt verwendeten Temperaturbereich am nächsten kommt. In den meisten Thermistor-Datenblättern ist ein Betawert zusammen mit einer Widerstandstoleranz bei 25 °C und einer Toleranz für den Betawert aufgeführt.
Präzisere Thermistoren und hochpräzise Anschlusslösungen wie die Omega 44xxx-Serie verwenden die Steinhart-Hart-Gleichung, um den Widerstand in Grad Celsius umzurechnen. Gleichung 2 erfordert die drei Konstanten A, B und C, die ebenfalls vom Sensorhersteller bereitgestellt werden. Da die Gleichungskoeffizienten anhand von drei Temperaturpunkten generiert werden, minimiert die resultierende Gleichung den durch die Linearisierung verursachten Fehler (typischerweise 0,02 °C).
A, B und C sind Konstanten, die aus drei Temperatursollwerten abgeleitet werden. R = Thermistorwiderstand in Ohm T = Temperatur in K Grad
Abb. 3 zeigt die Stromanregung des Sensors. Der Thermistor wird mit einem Antriebsstrom versorgt und derselbe Strom wird an den Präzisionswiderstand angelegt; der Präzisionswiderstand dient als Referenz für die Messung. Der Wert des Referenzwiderstands muss größer oder gleich dem höchsten Wert des Thermistorwiderstands sein (abhängig von der niedrigsten im System gemessenen Temperatur).
Bei der Wahl des Erregerstroms muss der maximale Widerstand des Thermistors berücksichtigt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannung über dem Sensor und dem Referenzwiderstand stets auf einem für die Elektronik akzeptablen Niveau liegt. Die Erregerstromquelle benötigt etwas Spielraum oder eine Ausgangsanpassung. Ein hoher Widerstand des Thermistors bei der niedrigsten messbaren Temperatur führt zu einem sehr niedrigen Antriebsstrom. Daher ist die am Thermistor bei hohen Temperaturen erzeugte Spannung gering. Programmierbare Verstärkungsstufen können verwendet werden, um die Messung dieser Signale mit niedrigem Pegel zu optimieren. Die Verstärkung muss jedoch dynamisch programmiert werden, da der Signalpegel des Thermistors stark mit der Temperatur variiert.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verstärkung einzustellen und gleichzeitig einen dynamischen Treiberstrom zu verwenden. Wenn sich der Signalpegel vom Thermistor ändert, ändert sich der Treiberstrom dynamisch, sodass die am Thermistor erzeugte Spannung innerhalb des angegebenen Eingangsbereichs des elektronischen Geräts liegt. Der Benutzer muss sicherstellen, dass die am Referenzwiderstand erzeugte Spannung ebenfalls einem für die Elektronik akzeptablen Niveau entspricht. Beide Optionen erfordern ein hohes Maß an Kontrolle und eine ständige Überwachung der Spannung am Thermistor, damit die Elektronik das Signal messen kann. Gibt es eine einfachere Möglichkeit? Erwägen Sie die Spannungsanregung.
Wenn Gleichspannung an den Thermistor angelegt wird, skaliert der Strom durch den Thermistor automatisch mit der Änderung seines Widerstands. Durch die Verwendung eines Präzisionsmesswiderstands anstelle eines Referenzwiderstands wird nun der durch den Thermistor fließende Strom berechnet und so der Thermistorwiderstand berechnet. Da die Antriebsspannung auch als ADC-Referenzsignal verwendet wird, ist keine Verstärkungsstufe erforderlich. Der Prozessor muss nicht die Thermistorspannung überwachen, feststellen, ob der Signalpegel von der Elektronik gemessen werden kann, und berechnen, welcher Wert für Antriebsverstärkung/Strom angepasst werden muss. Diese Methode wird in diesem Artikel verwendet.
Bei Thermistoren mit kleinem Widerstandswert und Widerstandsbereich kann eine Spannungs- oder Stromanregung verwendet werden. In diesem Fall können Antriebsstrom und Verstärkung fest eingestellt werden. Die Schaltung sieht dann wie in Abbildung 3 dargestellt aus. Diese Methode ist praktisch, da sie die Steuerung des Stroms durch den Sensor und den Referenzwiderstand ermöglicht, was bei Anwendungen mit geringer Leistung hilfreich ist. Darüber hinaus wird die Selbsterwärmung des Thermistors minimiert.
Die Spannungsanregung kann auch für Thermistoren mit niedrigem Widerstandswert verwendet werden. Der Anwender 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 hohem Widerstandswert und großem Temperaturbereich verwendet wird. Ein höherer Nennwiderstand sorgt für einen akzeptablen Nennstrom. Entwickler müssen jedoch sicherstellen, dass der Strom über den gesamten von der Anwendung unterstützten Temperaturbereich auf einem akzeptablen Niveau liegt.
Sigma-Delta-ADCs bieten mehrere Vorteile bei der Entwicklung eines Thermistor-Messsystems. Erstens: Da der Sigma-Delta-ADC den analogen Eingang neu abtastet, wird die externe Filterung auf ein Minimum reduziert und lediglich ein einfacher RC-Filter benötigt. Sie bieten Flexibilität hinsichtlich Filtertyp und Ausgangsbaudrate. Integrierte digitale Filterung unterdrückt Störungen in netzbetriebenen Geräten. 24-Bit-Geräte wie der AD7124-4/AD7124-8 haben eine volle Auflösung von bis zu 21,7 Bit und bieten somit eine hohe Auflösung.
Die Verwendung eines Sigma-Delta-ADC vereinfacht das Thermistordesign erheblich und reduziert gleichzeitig Spezifikation, Systemkosten, Platinenplatz und Markteinführungszeit.
In diesem Artikel werden der AD7124-4/AD7124-8 als ADC verwendet, da es sich dabei um rauscharme, stromsparende Präzisions-ADCs mit integriertem PGA, integrierter Referenz, analogem Eingang und Referenzpuffer handelt.
Unabhängig davon, ob Sie Antriebsstrom oder Antriebsspannung verwenden, empfiehlt sich eine ratiometrische Konfiguration, bei der Referenzspannung und Sensorspannung von derselben Antriebsquelle stammen. Das bedeutet, dass Änderungen der Anregungsquelle die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigen.
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 kann weniger stabil sein, da Fehler im Feldstrom in dieser Konfiguration eliminiert werden. Im Allgemeinen wird die Stromanregung der Spannungsanregung vorgezogen, da sie eine bessere Empfindlichkeitskontrolle und eine bessere Störfestigkeit bietet, wenn sich der Sensor an entfernten Standorten befindet. Diese Art der Vorspannungsmethode wird typischerweise für RTDs oder Thermistoren mit niedrigem Widerstandswert verwendet. Bei einem Thermistor mit höherem Widerstandswert und höherer Empfindlichkeit ist jedoch der durch jede Temperaturänderung erzeugte Signalpegel größer, sodass eine Spannungsanregung verwendet wird. Beispielsweise hat ein 10-kΩ-Thermistor bei 25 °C einen Widerstand von 10 kΩ. 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 ist und außerhalb des Betriebsbereichs der meisten verfügbaren ADCs für diesen Anwendungsbereich liegt. Thermistoren sind üblicherweise angeschlossen oder befinden sich in der Nähe der Elektronik, sodass keine Immunität gegen Antriebsstrom erforderlich ist.
Durch das Hinzufügen eines in Reihe geschalteten Messwiderstands als Spannungsteilerschaltung wird der Strom durch den Thermistor auf seinen Mindestwiderstandswert begrenzt. In dieser Konfiguration muss der Wert des Messwiderstands RSENSE dem Wert des Thermistorwiderstands bei einer Referenztemperatur von 25 °C entsprechen, sodass die Ausgangsspannung dem Mittelpunkt der Referenzspannung bei ihrer Nenntemperatur von 25 °C entspricht. Ähnlich verhält es sich mit einem 10-kΩ-Thermistor mit einem Widerstand von 10 kΩ bei 25 °C: RSENSE sollte 10 kΩ betragen. Mit der Temperatur ändert sich auch der Widerstand des NTC-Thermistors und damit auch das Verhältnis der Treiberspannung über dem Thermistor, sodass die Ausgangsspannung proportional zum Widerstand des NTC-Thermistors ist.
Wenn die ausgewählte Spannungsreferenz, die zur Stromversorgung des Thermistors und/oder RSENSE verwendet wird, mit der für die Messung verwendeten ADC-Referenzspannung übereinstimmt, wird das System auf ratiometrische Messung eingestellt (Abbildung 7), sodass jede erregungsbedingte Fehlerspannungsquelle so vorgespannt wird, dass sie entfernt wird.
Beachten Sie, dass entweder der Messwiderstand (spannungsgesteuert) oder der Referenzwiderstand (stromgesteuert) eine geringe Anfangstoleranz und geringe Drift aufweisen sollte, da beide Variablen die Genauigkeit des gesamten Systems beeinträchtigen können.
Bei Verwendung mehrerer Thermistoren kann eine Erregerspannung verwendet werden. Jeder Thermistor benötigt jedoch einen eigenen Präzisionsmesswiderstand, wie in Abb. 8 dargestellt. Alternativ kann ein externer Multiplexer oder ein niederohmiger Schalter im eingeschalteten Zustand verwendet werden, wodurch ein Präzisionsmesswiderstand gemeinsam genutzt werden kann. Bei dieser Konfiguration benötigt jeder Thermistor bei der Messung eine gewisse Einschwingzeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Entwicklung eines thermistorbasierten Temperaturmesssystems viele Fragen zu berücksichtigen sind: Sensorauswahl, Sensorverdrahtung, Komponentenauswahl, ADC-Konfiguration und der Einfluss dieser verschiedenen Variablen auf die Gesamtgenauigkeit des Systems. Der nächste Artikel dieser Reihe erläutert, wie Sie Ihr Systemdesign und das Gesamtfehlerbudget optimieren, um die gewünschte Leistung zu erreichen.
Veröffentlichungszeit: 30.09.2022