Questu hè u primu articulu in una serie di dui parti. Questu articulu discuterà prima a storia è e sfide di cuncepimentutemperatura basata in termistoresistemi di misurazione, è ancu u so paragone cù i sistemi di misurazione di a temperatura di un termometru di resistenza (RTD). Descriverà ancu l'scelta di termistore, i scambii di cunfigurazione, è l'impurtanza di i cunvertitori sigma-delta analog-to-digital (ADC) in questa zona di applicazione. U secondu articulu detallarà cumu ottimisà è valutà u sistema di misurazione finale basatu in termistori.
Cum'è discrittu in a serie di l'articulu precedente, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, un RTD hè un resistore chì a resistenza varieghja cù a temperatura. I termistori funzionanu in modu simili à i RTD. A diversità di RTD, chì anu solu un coefficient di temperatura pusitivu, un termistore pò avè un coefficient di temperatura pusitivu o negativu. I termistori di coefficienti di temperatura negativu (NTC) diminuiscenu a so resistenza à l'aumentu di a temperatura, mentre chì i termistori di coefficienti di temperatura pusitivi (PTC) aumentanu a so resistenza quandu a temperatura aumenta. Nantu à fig. 1 mostra e caratteristiche di risposta di i termistori tipici NTC è PTC è li paraguna cù curve RTD.
In termini di intervallu di temperatura, a curva RTD hè quasi lineare, è u sensoru copre un intervallu di temperatura assai più largu cà i termistori (tipicamenti -200 ° C à + 850 ° C) per via di a natura non lineale (esponenziale) di u termistore. I RTD sò generalmente furniti in curve standardizzate ben cunnisciute, mentre chì e curve termistori varienu da u fabricatore. Discuteremu questu in detail in a sezione di guida di selezzione di termistori di stu articulu.
I termistori sò fatti di materiali cumposti, di solitu ceramica, polimeri, o semiconduttori (di solitu ossidi di metalli) è metalli puri (platinu, nichel o ramu). I termistori ponu detectà cambiamenti di temperatura più veloce di RTD, furnisce un feedback più veloce. Per quessa, i termistori sò cumunimenti utilizati da i sensori in applicazioni chì necessitanu un costu bassu, una dimensione chjuca, una risposta più veloce, una sensibilità più alta è un intervallu di temperatura limitatu, cum'è u cuntrollu di l'elettronica, u cuntrollu di a casa è di l'edifiziu, i laboratorii scientifichi, o a compensazione di junction fredda per i termocoppi in cummerciale. o applicazioni industriali. scopi. Applicazioni.
In a maiò parte di i casi, i termistori NTC sò usati per a misurazione precisa di a temperatura, micca i termistori PTC. Certi termistori PTC sò dispunibili chì ponu esse aduprati in circuiti di prutezzione di sovracorrente o cum'è fusibili resettable per applicazioni di sicurezza. A curva di resistenza-temperatura di un termistore PTC mostra una regione NTC assai chjuca prima di ghjunghje à u puntu di commutazione (o puntu di Curie), sopra à quale a resistenza s'arrizzò bruscamente da parechji ordini di grandezza in a gamma di parechji gradi Celsius. In cundizioni di sovracorrente, u termistore PTC genererà un forte autoriscaldamentu quandu a temperatura di commutazione hè superata, è a so resistenza aumenterà bruscamente, chì riducerà a corrente di input à u sistema, prevenendu cusì danni. U puntu di commutazione di i termistori PTC hè tipicamente trà 60 ° C è 120 ° C è ùn hè micca adattatu per cuntrullà e misurazioni di temperatura in una larga gamma di applicazioni. Questu articulu si focalizeghja nantu à i termistori NTC, chì generalmente ponu misurà o monitorizà e temperature chì varienu da -80 ° C à + 150 ° C. I termistori NTC anu una resistenza chì varieghja da pochi ohms à 10 MΩ à 25 ° C. Comu mostra in fig. 1, u cambiamentu di resistenza per gradu Celsius per i termistori hè più pronunciatu cà per i termometri di resistenza. Comparatu à i termistori, l'alta sensibilità di u termistore è u valore di resistenza elevata simplificanu i so circuiti di input, postu chì i termistori ùn necessitanu micca cunfigurazione di cablaggio speciale, cum'è 3-wire o 4-wire, per cumpensà a resistenza di piombo. U disignu termistore usa solu una cunfigurazione simplice di 2 fili.
A misurazione di a temperatura basata in termistori d'alta precisione richiede un trattamentu precisu di u signale, una cunversione analogica à digitale, linearizazione è compensazione, cum'è mostra in a fig. 2.
Ancu s'è a catena di signale pò parè simplice, ci sò parechje cumplessità chì affettanu a dimensione, u costu è u rendiment di tutta a scheda madre. A cartera ADC di precisione di ADI include parechje soluzioni integrate, cum'è l'AD7124-4 / AD7124-8, chì furnisce una quantità di vantaghji per u disignu di u sistema termale, postu chì a maiò parte di i blocchi di costruzione necessarii per una applicazione sò integrati. Tuttavia, ci sò parechje sfide in cuncepimentu è ottimisazione di suluzioni di misurazione di temperatura basate nantu à termistori.
Questu articulu discute ognuna di sti prublemi è furnisce cunsiglii per risolviri è simplificà ancu più u prucessu di cuncepimentu per tali sistemi.
Ci hè una larga varietà ditermistori NTCnantu à u mercatu oghje, cusì sceglie u termistore ghjustu per a vostra applicazione pò esse un compitu ardu. Nota chì i termistori sò listati da u so valore nominale, chì hè a so resistenza nominale à 25 ° C. Dunque, una termistore da 10 kΩ hà una resistenza nominale di 10 kΩ à 25 ° C. I termistori anu valori di resistenza nominali o basi chì varienu da pochi ohms à 10 MΩ. I termistori cù qualificazioni di resistenza bassu (resistenza nominale di 10 kΩ o menu) supportanu tipicamente intervalli di temperatura più bassi, cum'è -50 ° C à + 70 ° C. I termistori cù classi di resistenza più altu ponu sustene a temperatura finu à 300 ° C.
L'elementu termistore hè fattu di ossidu di metallu. I termistori sò dispunibuli in forma di bola, radiale è SMD. I perle di termistori sò rivestiti di epossidichi o vetru incapsulatu per una prutezzione supplementaria. I termistori di sfera rivestiti di epossidichi, i termistori radiali è di superficia sò adattati per a temperatura finu à 150 ° C. I termistori di perle di vetru sò adattati per a misurazione di alte temperature. Tutti i tipi di rivestimenti / imballaggi pruteghja ancu da a corrosione. Certi termistori anu ancu abitazioni supplementari per una prutezzione supplementaria in ambienti duri. I termistori di perline anu un tempu di risposta più veloce cà i termistori radiali / SMD. Tuttavia, ùn sò micca cusì durable. Per quessa, u tipu di termistore utilizatu dipende da l'applicazione finale è l'ambiente in quale si trova u termistore. A stabilità à longu andà di un termistore dipende da u so materiale, imballaggio è disignu. Per esempiu, un termistore NTC rivestitu di epossidichi pò cambià 0,2 ° C annu, mentre chì un termistore sigillatu cambia solu 0,02 ° C annu.
I termistori venenu in diverse precisione. I termistori standard anu tipicamente una precisione di 0,5 ° C à 1,5 ° C. U valore di resistenza termistore è u valore beta (rapportu di 25 ° C à 50 ° C / 85 ° C) anu una tolleranza. Nota chì u valore beta di u termistore varieghja da u fabricatore. Per esempiu, i termistori NTC 10 kΩ di diversi fabricatori averà diversi valori beta. Per sistemi più precisi, i termistori cum'è a serie Omega™ 44xxx ponu esse aduprati. Hanu una precisione di 0,1 ° C o 0,2 ° C in una gamma di temperatura da 0 ° C à 70 ° C. Dunque, a gamma di temperature chì ponu esse misurate è a precisione necessaria nantu à quellu intervallu di temperatura determina se i termistori sò adattati per questa applicazione. Per piacè nutate chì più alta hè a precisione di a serie Omega 44xxx, più altu hè u costu.
Per cunvertisce a resistenza à gradi Celsius, u valore beta hè generalmente utilizatu. U valore beta hè determinatu da cunnosce i dui punti di temperatura è a resistenza currispundenti à ogni puntu di temperatura.
RT1 = Resistance à la température 1 RT2 = Resistance à la température 2 T1 = Température 1 (K) T2 = Température 2 (K)
L'utilizatore usa u valore beta più vicinu à a gamma di temperatura utilizata in u prugettu. A maiò parte di e datasheets termistori listanu un valore beta cù una toleranza di resistenza à 25 ° C è una tolleranza per u valore beta.
I termistori di precisione più altu è e soluzioni di terminazione di alta precisione cum'è a serie Omega 44xxx utilizanu l'equazione Steinhart-Hart per cunvertisce a resistenza in gradi Celsius. L'equazione 2 richiede e trè custanti A, B è C, dinò furnite da u fabricatore di sensori. Perchè i coefficienti di l'equazioni sò generati cù trè punti di temperatura, l'equazioni resultanti minimizza l'errore introduttu da a linearizazione (tipicamenti 0,02 ° C).
A, B è C sò custanti derivati da trè setpoint di temperatura. R = resistenza termistore in ohm T = temperatura in K gradi
Nantu à fig. 3 mostra l'eccitazione attuale di u sensoru. A corrente di u drive hè appiicata à u termistore è a stessa corrente hè appiicata à a resistenza di precisione; un resistore di precisione hè utilizatu com'è riferimentu per a misurazione. U valore di a resistenza di riferimentu deve esse più grande o uguale à u valore più altu di a resistenza termistore (secondu a temperatura più bassa misurata in u sistema).
Quandu sceglite u currente di eccitazione, a resistenza massima di u termistore deve esse cunsideratu. Questu assicura chì a tensione à traversu u sensoru è a resistenza di riferimentu hè sempre à un livellu accettabile per l'elettronica. A fonte attuale di u campu richiede una certa altezza o una corrispondenza di output. Se u termistore hà una alta resistenza à a temperatura più bassu misurabile, questu risultatu in un currente d'accionamentu assai bassu. Dunque, a tensione generata à traversu u termistore à alta temperatura hè chjuca. I tappe di guadagnu programmabili ponu esse aduprate per ottimisà a misurazione di sti signali di livellu bassu. In ogni casu, u guadagnu deve esse programatu dinamicamente perchè u livellu di signale da u termistore varieghja assai cù a temperatura.
Un'altra opzione hè di stabilisce u guadagnu, ma aduprate a corrente dinamica di u drive. Dunque, cum'è u livellu di u signale da u termistore cambia, u valore di corrente di u drive cambia in modu dinamicu per chì a tensione sviluppata à traversu u termistore hè in a gamma di input specificata di u dispusitivu elettronicu. L'utilizatori deve assicurà chì a tensione sviluppata à traversu a resistenza di riferimentu hè ancu à un livellu accettabile per l'elettronica. E duie opzioni necessitanu un altu livellu di cuntrollu, un monitoraghju constante di a tensione à traversu u termistore per chì l'elettronica pò misurà u signale. Ci hè una opzione più faciule? Cunsiderate l'excitazione di tensione.
Quandu a tensione DC hè applicata à u termistore, u currente attraversu u termistore scala automaticamente cum'è a resistenza di u termistore cambia. Avà, utilizendu una resistenza di misurazione di precisione invece di una resistenza di riferimentu, u so scopu hè di calculà u currente chì passa per u termistore, permettendu cusì chì a resistenza di u termistore sia calculata. Siccomu a tensione di u drive hè ancu usata cum'è u segnu di riferimentu ADC, ùn hè micca necessariu un stadiu di guadagnu. U processatore ùn hà micca u travagliu di monitorà a tensione di u termistore, determinendu se u livellu di u signale pò esse misuratu da l'elettronica, è di calculà quale valore di guadagnu / currente deve esse aghjustatu. Questu hè u metudu utilizatu in questu articulu.
Se u termistore hà una piccula valutazione di resistenza è una gamma di resistenza, a tensione o l'eccitazione attuale pò esse usata. In questu casu, u currente di u drive è u guadagnu pò esse fissatu. Cusì, u circuitu serà cum'è mostra in Figura 3. Stu metudu hè cunvenutu in quantu hè pussibule di cuntrullà u currente attraversu u sensoru è a resistenza di riferimentu, chì hè preziosa in l'applicazioni di bassa putenza. Inoltre, l'auto-riscaldamentu di u termistore hè minimizatu.
L'excitazione di tensione pò ancu esse aduprata per i termistori cù qualificazioni di resistenza bassu. Tuttavia, l'utilizatori deve sempre assicurà chì u currente attraversu u sensoru ùn hè micca troppu altu per u sensoru o l'applicazione.
L'eccitazione di tensione simplifica l'implementazione quandu si usa un termistore cù una grande resistenza di resistenza è una larga gamma di temperatura. A resistenza nominale più grande furnisce un livellu accettabile di corrente nominale. In ogni casu, i diseggiani anu da assicurà chì u currente hè à un livellu accettabile in tutta a gamma di temperatura supportata da l'applicazione.
L'ADC Sigma-Delta offre parechji vantaghji quandu cuncepisce un sistema di misurazione di termistori. Prima, perchè l'ADC sigma-delta resamples l'input analogicu, u filtru esternu hè mantinutu à u minimu è l'unicu requisitu hè un filtru RC simplice. Forniscenu flessibilità in u tipu di filtru è u baud rate di output. U filtru digitale integratu pò esse usatu per suppressione qualsiasi interferenza in i dispositi alimentati da a rete. I dispositi 24-bit cum'è l'AD7124-4 / AD7124-8 anu una risuluzione completa di finu à 21.7 bits, cusì furnisce una alta risoluzione.
L'usu di un ADC sigma-delta simplifica assai u disignu di termistori mentre riduce l'specificazioni, u costu di u sistema, u spaziu di a scheda è u tempu di mercatu.
Questu articulu usa l'AD7124-4 / AD7124-8 cum'è l'ADC perchè sò pocu rumore, bassa corrente, ADC di precisione cù PGA integratu, riferimentu integratu, input analogicu è buffer di riferimentu.
Indipendentemente da s'ellu si usa u currente di u drive o di a tensione di u drive, una cunfigurazione ratiometrica hè cunsigliatu in quale a tensione di riferimentu è a tensione di u sensore venenu da a stessa fonte di drive. Questu significa chì ogni cambiamentu in a fonte di eccitazione ùn affetterà micca a precisione di a misurazione.
Nantu à fig. A figura 5 mostra u currente di cunduttore constante per u termistore è a resistenza di precisione RREF, a tensione sviluppata in RREF hè a tensione di riferimentu per a misurazione di u termistore.
A currente di u campu ùn deve esse precisa è pò esse menu stabile postu chì ogni errore in u currente di u campu serà eliminatu in questa cunfigurazione. In generale, l'eccitazione attuale hè preferita à l'excitazione di tensione per via di un cuntrollu di sensibilità superiore è di una migliore immunità di rumore quandu u sensoru hè situatu in locu remoti. Stu tipu di metudu bias hè tipicamente utilizatu per RTD o termistori cù valori di resistenza bassu. Tuttavia, per un termistore cù un valore di resistenza più altu è sensibilità più altu, u livellu di signale generatu da ogni cambiamentu di temperatura serà più grande, cusì l'excitazione di tensione hè aduprata. Per esempiu, un termistore 10 kΩ hà una resistenza di 10 kΩ à 25 ° C. À -50 ° C, a resistenza di u termistore NTC hè 441,117 kΩ. U currente minimu di u drive di 50 µA furnitu da l'AD7124-4/AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, chì hè troppu altu è fora di a gamma operativa di a maiò parte di l'ADC dispunibili utilizati in questa zona di applicazione. I termistori sò ancu generalmente cunnessi o situati vicinu à l'elettronica, cusì l'immunità à guidà u currente ùn hè micca necessariu.
Aghjunghjendu una resistenza di sensu in serie cum'è un circuitu divisore di tensione limiterà u currente attraversu u termistore à u so valore di resistenza minima. In questa cunfigurazione, u valore di a resistenza di sensu RSENSE deve esse uguali à u valore di a resistenza termistore à una temperatura di riferimentu di 25 ° C, cusì chì a tensione di output serà uguale à u puntu mediu di a tensione di riferimentu à a so temperatura nominale di 25 °CC De même, si un termistor de 10 kΩ avec une résistance de 10 kΩ à 25 °C est utilisé, RSENSE doit être de 10 kΩ. Cum'è a temperatura cambia, a resistenza di u termistore NTC cambia ancu, è u rapportu di a tensione di l'accionamentu à traversu u termistore cambia ancu, u risultatu in a tensione di output hè proporzionale à a resistenza di u termistore NTC.
Se u riferimentu di tensione selezziunatu utilizatu per alimentà u termistore è / o RSENSE currisponde à a tensione di riferimentu ADC utilizata per a misurazione, u sistema hè stallatu à a misurazione ratiometrica (Figura 7) in modu chì ogni fonte di tensione d'errore ligata à l'excitazione serà biased per sguassà.
Nota chì sia a resistenza di sensu (voltage driven) sia a resistenza di riferimentu (current driven) deve avè una tolleranza iniziale bassa è una bassa deriva, postu chì e duie variàbili ponu influenzà a precisione di tuttu u sistema.
Quandu si usanu più termistori, una volta di eccitazione pò esse usata. Tuttavia, ogni termistore deve avè a so propria resistenza di sensu di precisione, cum'è mostra in a fig. 8. Una altra opzione hè di utilizà un multiplexer esternu o un interruttore di bassa resistenza in u statu on, chì permette di sparte una resistenza di sensu di precisione. Cù sta cunfigurazione, ogni termistore hà bisognu di qualchì tempu di stabilimentu quandu hè misuratu.
In riassuntu, quandu si cuncepisce un sistema di misurazione di a temperatura basatu in termistore, ci sò parechje dumande à cunsiderà: selezzione di sensori, cablaggio di sensori, scambii di selezzione di cumpunenti, cunfigurazione ADC, è cumu queste variabili affettanu a precisione generale di u sistema. U prossimu articulu in questa serie spiega cumu ottimisà u vostru disignu di u sistema è u budgetu generale di l'errore di u sistema per ottene u vostru rendimentu di destinazione.
Tempu di post: 30-Sep-2022