Bu, iki bölümlük bir dizinin ilk makalesi. Bu makale önce tarih ve tasarım zorluklarını tartışacak.Termistör bazlı sıcaklıkÖlçüm sistemlerinin yanı sıra direnç termometresi (RTD) sıcaklık ölçüm sistemleri ile karşılaştırılması. Ayrıca bu uygulama alanındaki termistör seçimini, konfigürasyon değişimlerini ve Sigma-Delta analog-dijital dönüştürücülerin (ADC) önemini açıklayacaktır. İkinci makale, nihai termistör tabanlı ölçüm sisteminin nasıl optimize edileceğini ve değerlendirileceğini detaylandıracaktır.
Önceki makale serisinde açıklandığı gibi, RTD sıcaklık sensörü sistemlerini optimize eden bir RTD, direnci sıcaklığa göre değişen bir dirençtir. Termistörler RTDS'ye benzer şekilde çalışır. Sadece pozitif bir sıcaklık katsayısına sahip olan RTD'lerin aksine, bir termistör pozitif veya negatif bir sıcaklık katsayısına sahip olabilir. Negatif sıcaklık katsayısı (NTC) termistörleri sıcaklık arttıkça dirençlerini azaltırken, pozitif sıcaklık katsayısı (PTC) termistörler sıcaklık arttıkça dirençlerini arttırır. Şek. 1, tipik NTC ve PTC termistörlerinin yanıt özelliklerini gösterir ve bunları RTD eğrileriyle karşılaştırır.
Sıcaklık aralığı açısından, RTD eğrisi neredeyse doğrusaldır ve sensör, termistörün doğrusal olmayan (üstel) doğası nedeniyle termistörlerden (tipik olarak -200 ° C ila +850 ° C) çok daha geniş bir sıcaklık aralığını kapsar. RTD'ler genellikle iyi bilinen standart eğriler halinde sağlanırken, termistör eğrileri üreticiye göre değişir. Bunu bu makalenin Termistör Seçim Kılavuzu bölümünde ayrıntılı olarak tartışacağız.
Termistörler kompozit malzemeler, genellikle seramikler, polimerler veya yarı iletkenler (genellikle metal oksitler) ve saf metallerden (platin, nikel veya bakır) yapılır. Termistörler sıcaklık değişikliklerini RTD'lerden daha hızlı tespit edebilir ve daha hızlı geri bildirim sağlar. Bu nedenle, termistörler, düşük maliyetli, küçük boyut, daha hızlı tepki, daha yüksek hassasiyet ve elektronik kontrol, ev ve bina kontrolü, bilimsel laboratuvarlar veya ticari veya endüstriyel uygulamalarda termokupllar için soğuk bağlantı telafisi gibi sınırlı sıcaklık aralığı gerektiren uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. amaçlar. Uygulamalar.
Çoğu durumda, NTC termistörleri PTC termistörleri değil, doğru sıcaklık ölçümü için kullanılır. Aşırı akım koruma devrelerinde veya güvenlik uygulamaları için oturum açılabilir sigortalar olarak kullanılabilen bazı PTC termistörleri mevcuttur. Bir PTC termistörünün direnç-sıcaklık eğrisi, yukarıda direnç, birkaç santigrat derecede birkaç büyüklük sırasıyla keskin bir şekilde yükselen anahtar noktasına (veya curie noktasına) ulaşmadan önce çok küçük bir NTC bölgesi gösterir. Aşırı akım koşulları altında, PTC termistör, anahtarlama sıcaklığı aşıldığında güçlü kendi kendine ısıtma üretecektir ve direnci keskin bir şekilde artacaktır, bu da giriş akımını sisteme düşürür ve böylece hasarı önler. PTC termistörlerinin anahtarlama noktası tipik olarak 60 ° C ile 120 ° C arasındadır ve çok çeşitli uygulamalarda sıcaklık ölçümlerini kontrol etmek için uygun değildir. Bu makale, tipik olarak -80 ° C ila +150 ° C arasında değişen sıcaklıkları ölçebilen veya izleyebilen NTC termistörlerine odaklanmaktadır. NTC termistörleri, 25 ° C'de birkaç ohm ila 10 MΩ arasında değişen direnç derecelerine sahiptir. Şek. 1, termistörler için santigrat derece başına direnç değişimi, direnç termometrelerinden daha belirgindir. Termistörlerle karşılaştırıldığında, termistörün yüksek hassasiyeti ve yüksek direnç değeri giriş devresini basitleştirir, çünkü termistörler kurşun direncini telafi etmek için 3 telli veya 4 tel gibi herhangi bir özel kablo konfigürasyonu gerektirmez. Termistör tasarımı sadece basit bir 2 telli yapılandırma kullanır.
Yüksek hassasiyetli termistör bazlı sıcaklık ölçümü, Şekil l'de gösterildiği gibi hassas sinyal işleme, analogdan dijital dönüşüm, doğrusallaşma ve telafi gerektirir. 2.
Sinyal zinciri basit görünse de, tüm anakartın boyutunu, maliyetini ve performansını etkileyen birkaç karmaşıklık vardır. ADI'nin hassas ADC portföyü, bir uygulama için gerekli yapı taşlarının çoğunun yerleşik olduğu için termal sistem tasarımı için bir dizi avantaj sağlayan AD7124-4/AD7124-8 gibi çeşitli entegre çözümler içerir. Bununla birlikte, termistör tabanlı sıcaklık ölçüm çözümlerinin tasarlanmasında ve optimize edilmesinde çeşitli zorluklar vardır.
Bu makale bu sorunların her birini tartışmakta ve bunları çözmek ve bu tür sistemler için tasarım sürecini daha da basitleştirmek için öneriler sunmaktadır.
Çok çeşitliNTC termistörleriBugün piyasada, bu nedenle uygulamanız için doğru termistörü seçmek göz korkutucu bir görev olabilir. Termistörlerin 25 ° C'de nominal dirençleri olan nominal değerlerine göre listelendiğine dikkat edin. Bu nedenle, 10 kΩ termistör, 25 ° C'de 10 kΩ nominal dirence sahiptir. Termistörler, birkaç ohm ila 10 MΩ arasında değişen nominal veya temel direnç değerlerine sahiptir. Düşük direnç derecelendirmeleri olan termistörler (nominal direnç 10 kΩ veya daha az) tipik olarak -50 ° C ila +70 ° C gibi düşük sıcaklık aralıklarını destekler. Daha yüksek dirençli termistörler 300 ° C'ye kadar sıcaklıklara dayanabilir.
Termistör elemanı metal oksitten yapılmıştır. Termistörler top, radyal ve SMD şekillerinde mevcuttur. Termistör boncukları, ek koruma için epoksi kaplamalı veya cam kapsüllenir. Epoksi kaplı bilyalı termistörler, radyal ve yüzey termistörleri 150 ° C'ye kadar sıcaklıklar için uygundur. Cam boncuk termistörleri yüksek sıcaklıkları ölçmek için uygundur. Her tür kaplama/ambalaj korozyona karşı da korunur. Bazı termistörler ayrıca zorlu ortamlarda daha fazla koruma için ek muhafazalara sahip olacaktır. Boncuk termistörleri radyal/SMD termistörlerinden daha hızlı bir tepki süresine sahiptir. Ancak, o kadar dayanıklı değildirler. Bu nedenle, kullanılan termistör türü, son uygulamaya ve termistörün bulunduğu ortama bağlıdır. Bir termistörün uzun süreli stabilitesi malzemesine, ambalajına ve tasarımına bağlıdır. Örneğin, epoksi kaplı bir NTC termistörü yılda 0.2 ° C değişebilirken, kapalı bir termistör sadece yılda 0.02 ° C değişir.
Termistörler farklı doğrulukla gelir. Standart termistörler tipik olarak 0.5 ° C ila 1.5 ° C doğruluğuna sahiptir. Termistör direnç derecesi ve beta değeri (25 ° C ila 50 ° C/85 ° C oran) bir toleransa sahiptir. Termistörün beta değerinin üreticiye göre değiştiğini unutmayın. Örneğin, farklı üreticilerden 10 kΩ NTC termistörünün farklı beta değerleri olacaktır. Daha doğru sistemler için Omega ™ 44xxx serisi gibi termistörler kullanılabilir. 0 ° C ila 70 ° C sıcaklık aralığında 0.1 ° C veya 0.2 ° C doğruluğuna sahiptirler. Bu nedenle, ölçülebilen sıcaklık aralığı ve bu sıcaklık aralığında gereken doğruluk, termistörlerin bu uygulama için uygun olup olmadığını belirler. Omega 44xxx serisinin doğruluğu ne kadar yüksek olursa, maliyet o kadar yüksek olduğunu lütfen unutmayın.
Direnci santigrat dereceye dönüştürmek için beta değeri genellikle kullanılır. Beta değeri, her bir sıcaklık noktasında iki sıcaklık noktasını ve karşılık gelen direnci bilerek belirlenir.
RT1 = Sıcaklık Direnci 1 RT2 = Sıcaklık Direnci 2 T1 = Sıcaklık 1 (k) T2 = Sıcaklık 2 (k)
Kullanıcı, projede kullanılan sıcaklık aralığına en yakın beta değerini kullanır. Çoğu termistör veri sayfası, 25 ° C'de direnç toleransı ve beta değeri için bir toleransla birlikte bir beta değerini listeler.
Daha yüksek hassasiyetli termistörler ve Omega 44xxx serisi gibi yüksek hassasiyetli sonlandırma çözümleri, direnci santigrat dereceye dönüştürmek için Steinhart-Hart denklemini kullanır. Denklem 2, yine sensör üreticisi tarafından sağlanan üç sabit A, B ve C'yi gerektirir. Denklem katsayıları üç sıcaklık noktası kullanılarak üretildiğinden, sonuçta ortaya çıkan denklem doğrusallaşma ile (tipik olarak 0.02 ° C) getirilen hatayı en aza indirir.
A, B ve C, üç sıcaklık ayar noktasından türetilen sabitlerdir. R = ohm cinsinden termistör direnci t = k derecesinde sıcaklık
Şek. 3, sensörün akım uyarımını gösterir. Termistöre sürücü akımı uygulanır ve aynı akım hassas dirence uygulanır; Ölçüm için bir referans olarak hassas bir direnç kullanılır. Referans dirençinin değeri, termistör direncinin en yüksek değerine eşit veya eşit olmalıdır (sistemde ölçülen en düşük sıcaklığa bağlı olarak).
Uyarma akımını seçerken, termistörün maksimum direnci tekrar dikkate alınmalıdır. Bu, sensör ve referans direnç üzerindeki voltajın her zaman elektronik için kabul edilebilir bir seviyede olmasını sağlar. Alan akım kaynağı, bazı tavan boşluğu veya çıkış eşleştirmesi gerektirir. Termistör en düşük ölçülebilir sıcaklıkta yüksek bir dirence sahipse, bu çok düşük bir sürücü akımına neden olacaktır. Bu nedenle, termistör boyunca yüksek sıcaklıkta üretilen voltaj küçüktür. Bu düşük seviyeli sinyallerin ölçümünü optimize etmek için programlanabilir kazanç aşamaları kullanılabilir. Bununla birlikte, termistörden gelen sinyal seviyesi sıcaklığa göre büyük ölçüde değiştiği için kazanç dinamik olarak programlanmalıdır.
Başka bir seçenek de kazancı ayarlamak, ancak dinamik sürücü akımını kullanmaktır. Bu nedenle, termistörden gelen sinyal seviyesi değiştikçe, sürücü akımı değeri dinamik olarak değişir, böylece termistör boyunca geliştirilen voltaj elektronik cihazın belirtilen giriş aralığı içinde olur. Kullanıcı, referans direnci boyunca geliştirilen voltajın da elektronikler için kabul edilebilir bir seviyede olduğundan emin olmalıdır. Her iki seçenek de yüksek bir kontrol, termistör boyunca voltajın sürekli izlenmesini gerektirir, böylece elektronikler sinyali ölçebilir. Daha kolay bir seçenek var mı? Voltaj uyarmasını düşünün.
Termistöre DC voltajı uygulandığında, termistörden gelen akım termistörün direnci değiştikçe otomatik olarak ölçeklenir. Şimdi, bir referans direnci yerine hassas bir ölçüm direncini kullanarak amacı, termistörden akan akımı hesaplamak, böylece termistör direncinin hesaplanmasına izin vermektir. Tahrik voltajı ADC referans sinyali olarak da kullanıldığından, kazanç aşaması gerekmez. İşlemci, termistör voltajını izleme, sinyal seviyesinin elektronik tarafından ölçülüp ölçülemeyeceğini belirleme ve hangi tahrik kazancı/akım değerinin ayarlanması gerektiğini hesaplama işi yoktur. Bu makalede kullanılan yöntemdir.
Termistörün küçük bir direnç derecesi ve direnç aralığına sahipse, voltaj veya akım uyarma kullanılabilir. Bu durumda, sürücü akımı ve kazancı düzeltilebilir. Bu nedenle, devre Şekil 3'te gösterildiği gibi olacaktır. Bu yöntem, akımı düşük güç uygulamalarında değerli olan sensör ve referans direnci aracılığıyla kontrol edilmesinin mümkün olması nedeniyle uygundur. Ek olarak, termistörün kendi kendine ısıtılması en aza indirilir.
Voltaj uyarımı, düşük dirençli değerlere sahip termistörler için de kullanılabilir. Ancak, kullanıcı her zaman sensör üzerinden akımın sensör veya uygulama için çok yüksek olmamasını sağlamalıdır.
Voltaj uyarımı, büyük bir direnç derecesine ve geniş bir sıcaklık aralığına sahip bir termistör kullanırken uygulamayı basitleştirir. Daha büyük nominal direnç, kabul edilebilir bir nominal akım seviyesi sağlar. Bununla birlikte, tasarımcıların akımın, uygulama tarafından desteklenen tüm sıcaklık aralığında kabul edilebilir bir seviyede olmasını sağlamalıdır.
Sigma-Delta ADC'leri bir termistör ölçüm sistemi tasarlarken çeşitli avantajlar sunar. İlk olarak, Sigma-Delta ADC analog girişi yeniden örneklediğinden, harici filtreleme minimumda tutulur ve tek gereksinim basit bir RC filtresidir. Filtre tipi ve çıkış baud hızında esneklik sağlarlar. Dahili dijital filtreleme, şebeke ile çalışan cihazlarda herhangi bir paraziti bastırmak için kullanılabilir. AD7124-4/AD7124-8 gibi 24 bit cihazların 21.7 bite kadar tam çözünürlüğe sahip, bu nedenle yüksek çözünürlük sağlıyorlar.
Bir Sigma-Delta ADC'nin kullanımı, spesifikasyonu, sistem maliyetini, tahta alanını ve pazara süreyi azaltırken termistör tasarımını büyük ölçüde basitleştirir.
Bu makalede AD7124-4/AD7124-8'i ADC olarak kullanır, çünkü bunlar düşük gürültü, düşük akım, yerleşik PGA, yerleşik referans, analog giriş ve referans arabelleğine sahip hassas ADC'lerdir.
Sürücü akımı veya tahrik voltajı kullanıyor olsanız da, referans voltajının ve sensör voltajının aynı sürücü kaynağından geldiği bir oranlı konfigürasyon önerilir. Bu, uyarma kaynağındaki herhangi bir değişikliğin ölçümün doğruluğunu etkilemeyeceği anlamına gelir.
Şek. 5, termistör ve hassas direnç Rref için sabit tahrik akımını gösterir, RREF boyunca geliştirilen voltaj, termistörü ölçmek için referans voltajıdır.
Alan akımının doğru olması gerekmez ve bu konfigürasyonda alan akımındaki herhangi bir hata ortadan kaldırılacağı için daha az kararlı olabilir. Genel olarak, sensör uzak yerlerde bulunduğunda, üstün duyarlılık kontrolü ve daha iyi gürültü bağışıklığı nedeniyle voltaj uyarımı üzerinde akım uyarma tercih edilir. Bu tip sapma yöntemi tipik olarak düşük direnç değerlerine sahip RTD'ler veya termistörler için kullanılır. Bununla birlikte, daha yüksek direnç değeri ve daha yüksek hassasiyete sahip bir termistör için, her bir sıcaklık değişimi tarafından üretilen sinyal seviyesi daha büyük olacaktır, bu nedenle voltaj uyarımı kullanılır. Örneğin, 10 kΩ termistör 25 ° C'de 10 kΩ dirençtir. -50 ° C'de, NTC termistörünün direnci 441.117 kΩ'dur. AD7124-4/AD7124-8 tarafından sağlanan minimum 50 µA'lık sürücü akımı, bu uygulama alanında kullanılan en fazla ADC'lerin çok yüksek ve çalışma aralığının dışında olan 441.117 kΩ × 50 µa = 22 V üretir. Termistörler de genellikle bağlanır veya elektroniklerin yakınında bulunur, bu nedenle akımı sürmek için bağışıklık gerekli değildir.
Bir voltaj bölücü devresi olarak seri olarak bir duyu direnci eklemek, akımı termistör üzerinden minimum direnç değerine sınırlandıracaktır. Bu konfigürasyonda, duyu dirençinin değeri, 25 ° C'lik bir referans sıcaklığındaki termistör direncinin değerine eşit olmalıdır, böylece çıkış voltajı 25 ° CC'lik nominal sıcaklıkta referans voltajının orta noktasına eşit olacaktır, eğer 25 ° C'de 10 kΩ dirençli 10 kΩ termistör kullanılırsa, 10 kΩ kullanılırsa. Sıcaklık değiştikçe, NTC termistörünün direnci de değişir ve tahrik voltajının termistör üzerindeki oranı da değişir, bu da çıkış voltajının NTC termistörünün direnci ile orantılı olmasına neden olur.
Termistör ve/veya rSense güçlendirmek için kullanılan seçilen voltaj referansı, ölçüm için kullanılan ADC referans voltajıyla eşleşirse, sistem oranı olarak ayarlanır (Şekil 7), böylece uyarma ile ilişkili herhangi bir hata voltaj kaynağının kaldırılması önyargılı olacaktır.
Her iki değişken de tüm sistemin doğruluğunu etkileyebileceğinden, duyu dirençinin (voltaj tahrikli) veya referans direnci (akım tahrikli) düşük bir başlangıç toleransı ve düşük sürüklenmesi gerektiğini unutmayın.
Birden fazla termistör kullanılırken, bir uyarma voltajı kullanılabilir. Bununla birlikte, her termistör, Şekil 2'de gösterildiği gibi kendi hassas duyu dirençine sahip olmalıdır. 8. Başka bir seçenek, bir hassas duyu direncinin paylaşılmasına izin veren durumda harici bir çoklayıcı veya düşük dirençli anahtar kullanmaktır. Bu konfigürasyonla, her termistörün ölçüldüğünde biraz yerleşim süresine ihtiyacı vardır.
Özetle, termistör bazlı bir sıcaklık ölçüm sistemi tasarlarken, dikkate alınması gereken birçok soru vardır: sensör seçimi, sensör kablolama, bileşen seçim değişimleri, ADC yapılandırması ve bu çeşitli değişkenlerin sistemin genel doğruluğunu nasıl etkilediği. Bu serinin bir sonraki makalesi, hedef performansınıza ulaşmak için sistem tasarımınızı ve genel sistem hata bütçenizi nasıl optimize edeceğinizi açıklıyor.
Gönderme Zamanı: 30 Eylül-2022