Dies ist der erste Artikel einer zweiteiligen Serie.In diesem Artikel werden zunächst die Geschichte und die Designherausforderungen von diskutiertThermistor-basierte TemperaturMesssysteme sowie deren Vergleich mit Widerstandsthermometer (RTD)-Temperaturmesssystemen.Außerdem werden die Wahl des Thermistors, Kompromisse bei der Konfiguration und die Bedeutung von Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlern (ADCs) in diesem Anwendungsbereich beschrieben.Im zweiten Artikel wird detailliert beschrieben, wie das endgültige Thermistor-basierte Messsystem optimiert und bewertet wird.
Wie in der vorherigen Artikelserie „Optimierung von RTD-Temperatursensorsystemen“ beschrieben, ist ein RTD ein Widerstand, dessen Widerstandswert mit der Temperatur variiert.Thermistoren funktionieren ähnlich wie RTDs.Im Gegensatz zu RTDs, die nur einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, kann ein Thermistor einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten haben.Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) verringern ihren Widerstand, wenn die Temperatur steigt, während Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ihren Widerstand erhöhen, wenn die Temperatur steigt.Auf Abb.1 zeigt die Ansprecheigenschaften 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) Natur des Thermistors einen viel größeren Temperaturbereich ab als Thermistoren (typischerweise -200 °C bis +850 °C).RTDs werden normalerweise in bekannten standardisierten Kurven bereitgestellt, während Thermistorkurven je nach Hersteller variieren.Wir werden dies ausführlich im Abschnitt „Leitfaden zur Thermistorauswahl“ dieses Artikels besprechen.
Thermistoren werden aus Verbundmaterialien hergestellt, normalerweise Keramik, Polymeren oder Halbleitern (normalerweise Metalloxiden) und reinen Metallen (Platin, Nickel oder Kupfer).Thermistoren können Temperaturänderungen schneller erkennen als RTDs und liefern so eine schnellere Rückmeldung.Daher werden Thermistoren häufig von Sensoren in Anwendungen verwendet, die niedrige Kosten, geringe Größe, schnellere Reaktion, höhere Empfindlichkeit und einen begrenzten Temperaturbereich erfordern, wie z. B. elektronische Steuerung, Heim- und Gebäudesteuerung, wissenschaftliche Labors oder Kaltstellenkompensation für Thermoelemente im gewerblichen Bereich oder industrielle Anwendungen.Zwecke.Anwendungen.
In den meisten Fällen werden zur genauen Temperaturmessung NTC-Thermistoren und keine PTC-Thermistoren verwendet.Es sind einige PTC-Thermistoren erhältlich, die in Überstromschutzschaltungen oder als rücksetzbare Sicherungen für Sicherheitsanwendungen verwendet werden können.Die Widerstands-Temperatur-Kurve eines PTC-Thermistors zeigt vor Erreichen des Schaltpunktes (oder Curie-Punktes) einen sehr kleinen NTC-Bereich, 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 Eigenerwärmung und sein Widerstand steigt stark an, wodurch der Eingangsstrom zum System reduziert und so Schäden verhindert werden.Der Schaltpunkt von PTC-Thermistoren liegt typischerweise zwischen 60 °C und 120 °C und ist für die Steuerung von Temperaturmessungen in einem breiten Anwendungsspektrum nicht geeignet.Dieser Artikel konzentriert sich auf NTC-Thermistoren, die typischerweise Temperaturen im Bereich von -80 °C bis +150 °C messen oder überwachen können.NTC-Thermistoren haben Widerstandswerte von einigen Ohm bis 10 MΩ bei 25 °C.Wie in Abb. gezeigt.1 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 Verkabelungskonfiguration wie 3- oder 4-Leiter erfordern, um den Leitungswiderstand zu kompensieren.Das Thermistordesign verwendet nur eine einfache 2-Draht-Konfiguration.
Eine hochpräzise Temperaturmessung auf Thermistorbasis erfordert eine präzise Signalverarbeitung, Analog-Digital-Wandlung, Linearisierung und Kompensation, wie in Abb.2.
Obwohl die Signalkette einfach erscheinen mag, gibt es mehrere Komplexitäten, die sich auf die Größe, Kosten und Leistung des gesamten Motherboards auswirken.Das Präzisions-ADC-Portfolio von ADI umfasst mehrere integrierte Lösungen, wie z. B. AD7124-4/AD7124-8, die eine Reihe von Vorteilen für das thermische Systemdesign bieten, da die meisten für eine Anwendung benötigten Bausteine integriert sind.Bei der Entwicklung und Optimierung von Thermistor-basierten Temperaturmesslösungen gibt es jedoch verschiedene Herausforderungen.
In diesem Artikel werden alle diese Probleme erörtert und Empfehlungen zur Lösung dieser Probleme sowie zur weiteren Vereinfachung des Entwurfsprozesses für solche Systeme gegeben.
Es gibt eine große Auswahl anNTC-ThermistorenDa es heute viele Thermistoren auf dem Markt gibt, kann die Auswahl des richtigen Thermistors für Ihre Anwendung eine entmutigende Aufgabe sein.Beachten Sie, dass Thermistoren nach ihrem Nennwert aufgeführt sind, der ihrem Nennwiderstand bei 25 °C entspricht.Daher hat ein 10-kΩ-Thermistor einen Nennwiderstand von 10 kΩ bei 25 °C.Thermistoren haben Nenn- oder Grundwiderstandswerte im Bereich von einigen Ohm bis 10 MΩ.Thermistoren mit niedrigen Widerstandswerten (Nennwiderstand 10 kΩ oder weniger) unterstützen normalerweise niedrigere Temperaturbereiche, z. B. -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-Form erhältlich.Thermistorperlen sind für zusätzlichen Schutz mit Epoxidharz beschichtet oder glasverkapselt.Epoxidbeschichtete Kugelthermistoren, Radial- und Oberflächenthermistoren sind für Temperaturen bis 150 °C geeignet.Glasperlen-Thermistoren eignen sich zur Messung hoher Temperaturen.Auch alle Arten von Beschichtungen/Verpackungen schützen vor Korrosion.Einige Thermistoren verfügen außerdem über zusätzliche Gehäuse für zusätzlichen Schutz in rauen Umgebungen.Perlenthermistoren haben eine schnellere Reaktionszeit als Radial-/SMD-Thermistoren.Allerdings sind sie nicht so langlebig.Daher hängt die Art des verwendeten Thermistors 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 gibt es in unterschiedlicher Genauigkeit.Standard-Thermistoren haben typischerweise eine Genauigkeit von 0,5 °C bis 1,5 °C.Der Thermistor-Widerstandswert und der Beta-Wert (Verhältnis von 25 °C zu 50 °C/85 °C) unterliegen einer Toleranz.Beachten Sie, dass der Beta-Wert des Thermistors je nach Hersteller variiert.Beispielsweise haben 10-kΩ-NTC-Thermistoren verschiedener Hersteller unterschiedliche Beta-Werte.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 bestimmen der messbare Temperaturbereich und die erforderliche Genauigkeit in diesem Temperaturbereich, ob Thermistoren für diese Anwendung geeignet sind.Bitte beachten Sie, dass die Kosten umso höher sind, je höher die Genauigkeit der Omega 44xxx-Serie ist.
Um den Widerstand in Grad Celsius umzurechnen, wird üblicherweise der Beta-Wert verwendet.Der Beta-Wert wird durch Kenntnis der beiden Temperaturpunkte und des entsprechenden Widerstands an jedem Temperaturpunkt bestimmt.
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 kommt.In den meisten Thermistor-Datenblättern ist ein Beta-Wert zusammen mit einer Widerstandstoleranz bei 25 °C und einer Toleranz für den Beta-Wert aufgeführt.
Thermistoren mit höherer Präzision und hochpräzise Abschlusslösungen 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 wiederum vom Sensorhersteller bereitgestellt werden.Da die Gleichungskoeffizienten mithilfe 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
Auf Abb.3 zeigt die aktuelle Erregung des Sensors.Der Antriebsstrom wird an den Thermistor angelegt und derselbe Strom wird an den Präzisionswiderstand angelegt.Als Referenz für die Messung dient ein Präzisionswiderstand.Der Wert des Referenzwiderstands muss größer oder gleich dem höchsten Wert des Thermistorwiderstands sein (abhängig von der niedrigsten im System gemessenen Temperatur).
Bei der Auswahl des Erregerstroms muss wiederum der maximale Widerstand des Thermistors berücksichtigt werden.Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannung am Sensor und am Referenzwiderstand immer auf einem für die Elektronik akzeptablen Niveau liegt.Die Feldstromquelle erfordert einen gewissen Spielraum oder eine gewisse Ausgangsanpassung.Wenn der Thermistor bei der niedrigsten messbaren Temperatur einen hohen Widerstand aufweist, führt dies zu einem sehr niedrigen Antriebsstrom.Daher ist die am Thermistor bei hoher Temperatur erzeugte Spannung gering.Programmierbare Verstärkungsstufen können verwendet werden, um die Messung dieser Signale mit niedrigem Pegel zu optimieren.Allerdings muss die Verstärkung dynamisch programmiert werden, da der Signalpegel vom Thermistor stark mit der Temperatur variiert.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verstärkung einzustellen, aber den dynamischen Antriebsstrom zu verwenden.Wenn sich daher der Signalpegel vom Thermistor ändert, ändert sich der Antriebsstromwert dynamisch, sodass die am Thermistor entstehende Spannung innerhalb des angegebenen Eingangsbereichs des elektronischen Geräts liegt.Der Benutzer muss sicherstellen, dass die am Referenzwiderstand entstehende Spannung ebenfalls auf einem für die Elektronik akzeptablen Niveau liegt.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 Option?Erwägen Sie Spannungsanregung.
Wenn Gleichspannung an den Thermistor angelegt wird, passt sich der Strom durch den Thermistor automatisch an, wenn sich der Widerstand des Thermistors ändert.Die Verwendung eines Präzisionsmesswiderstands anstelle eines Referenzwiderstands besteht nun darin, den durch den Thermistor fließenden Strom zu berechnen und so den Thermistorwiderstand zu berechnen.Da die Ansteuerspannung auch als ADC-Referenzsignal verwendet wird, ist keine Verstärkungsstufe erforderlich.Der Prozessor hat nicht die Aufgabe, die Thermistorspannung zu überwachen, festzustellen, ob der Signalpegel von der Elektronik gemessen werden kann, und zu berechnen, welcher Antriebsverstärkungs-/Stromwert angepasst werden muss.Dies ist die in diesem Artikel verwendete Methode.
Wenn der Thermistor einen kleinen Widerstandswert und Widerstandsbereich hat, kann eine Spannungs- oder Stromerregung verwendet werden.In diesem Fall können Antriebsstrom und Verstärkung festgelegt werden.Somit sieht die Schaltung wie in Abbildung 3 aus. Diese Methode ist praktisch, da es möglich ist, den Strom durch den Sensor und den Referenzwiderstand zu steuern, was bei Anwendungen mit geringer Leistung nützlich ist.Darüber hinaus wird die Eigenerwärmung des Thermistors minimiert.
Spannungserregung kann auch für Thermistoren mit niedrigem Widerstandswert verwendet werden.Allerdings muss der Anwender stets darauf achten, dass der Strom durch den Sensor nicht zu hoch für den Sensor oder die Anwendung ist.
Die Spannungserregung vereinfacht die Implementierung bei Verwendung eines Thermistors mit großem Widerstandswert und großem Temperaturbereich.Ein größerer 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 beim Entwurf eines Thermistor-Messsystems.Erstens: Da der Sigma-Delta-ADC den analogen Eingang neu abtastet, wird die externe Filterung auf ein Minimum beschränkt und die einzige Anforderung ist ein einfacher RC-Filter.Sie bieten Flexibilität hinsichtlich Filtertyp und Ausgangsbaudrate.Durch die integrierte digitale Filterung können Störungen bei netzbetriebenen Geräten unterdrückt werden.24-Bit-Geräte wie der AD7124-4/AD7124-8 verfügen über 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 die Spezifikation, die Systemkosten, den Platinenplatz und die Markteinführungszeit.
In diesem Artikel wird der AD7124-4/AD7124-8 als ADC verwendet, da es sich um rauscharme, stromsparende Präzisions-ADCs mit integriertem PGA, integrierter Referenz, analogem Eingang und Referenzpuffer handelt.
Unabhängig davon, ob Sie Antriebsstrom oder Antriebsspannung verwenden, wird eine ratiometrische Konfiguration empfohlen, bei der Referenzspannung und Sensorspannung von derselben Antriebsquelle stammen.Dies bedeutet, dass eine Änderung der Anregungsquelle keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung hat.
Auf Abb.5 zeigt den konstanten Antriebsstrom für den Thermistor und den Präzisionswiderstand RREF. Die an RREF entstehende Spannung ist die Referenzspannung für die Messung des Thermistors.
Der Feldstrom muss nicht genau sein und ist möglicherweise weniger stabil, da Fehler im Feldstrom in dieser Konfiguration eliminiert werden.Im Allgemeinen wird die Stromerregung der Spannungserregung vorgezogen, da sie eine bessere Empfindlichkeitssteuerung und eine bessere Störfestigkeit bietet, wenn sich der Sensor an entfernten Standorten befindet.Diese Art der Vorspannungsmethode wird typischerweise für RTDs oder Thermistoren mit niedrigen Widerstandswerten verwendet.Bei einem Thermistor mit einem höheren Widerstandswert und einer höheren Empfindlichkeit ist jedoch der durch jede Temperaturänderung erzeugte Signalpegel größer, sodass eine Spannungserregung 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 vom AD7124-4/AD7124-8 bereitgestellte minimale Antriebsstrom von 50 µA erzeugt 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, was zu hoch ist und außerhalb des Betriebsbereichs der meisten verfügbaren ADCs liegt, die in diesem Anwendungsbereich verwendet werden.Thermistoren werden in der Regel auch an die Elektronik angeschlossen oder befinden sich in deren Nähe, so dass keine Immunität gegenüber Antriebsströmen erforderlich ist.
Durch das Hinzufügen eines in Reihe geschalteten Messwiderstands als Spannungsteilerschaltung wird der Strom durch den Thermistor auf seinen minimalen Widerstandswert begrenzt.In dieser Konfiguration muss der Wert des Messwiderstands RSENSE dem Wert des Thermistorwiderstands bei einer Referenztemperatur von 25 °C entsprechen, damit die Ausgangsspannung dem Mittelpunkt der Referenzspannung bei ihrer Nenntemperatur entspricht 25 °CC Wenn ein 10-kΩ-Thermistor mit einem Widerstand von 10 kΩ bei 25 °C verwendet wird, sollte RSENSE ebenfalls 10 kΩ betragen.Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich auch der Widerstand des NTC-Thermistors und das Verhältnis der Antriebsspannung am Thermistor ändert sich ebenfalls, was dazu führt, dass 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 vorgespannt wird und entfernt wird.
Beachten Sie, dass entweder der Messwiderstand (spannungsgesteuert) oder der Referenzwiderstand (stromgesteuert) eine niedrige Anfangstoleranz und eine geringe Drift aufweisen sollten, da beide Variablen die Genauigkeit des gesamten Systems beeinflussen können.
Bei Verwendung mehrerer Thermistoren kann eine Erregerspannung verwendet werden.Allerdings muss jeder Thermistor über einen eigenen Präzisionsmesswiderstand verfügen, wie in Abb. gezeigt.8. Eine weitere Option besteht darin, im eingeschalteten Zustand einen externen Multiplexer oder niederohmigen Schalter zu verwenden, der die gemeinsame Nutzung eines Präzisionsmesswiderstands ermöglicht.Bei dieser Konfiguration benötigt jeder Thermistor bei der Messung eine gewisse Einschwingzeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Entwurf eines Thermistor-basierten Temperaturmesssystems viele Fragen zu berücksichtigen sind: Sensorauswahl, Sensorverkabelung, Kompromisse bei der Komponentenauswahl, ADC-Konfiguration und wie sich diese verschiedenen Variablen auf die Gesamtgenauigkeit des Systems auswirken.Im nächsten Artikel dieser Reihe wird erläutert, wie Sie Ihr Systemdesign und Ihr Gesamtsystemfehlerbudget optimieren, um Ihre Zielleistung zu erreichen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 30. September 2022