Dëst ass den éischten Artikel an enger Serie a zwéin Deeler. Dësen Artikel wäert fir d'éischt d'Geschicht an d'Design-Erausfuerderunge vunThermistor-baséiert TemperaturMiesssystemer, souwéi hire Verglach mat Temperaturmiesssystemer mat Widerstandsthermometer (RTD). Et gëtt och d'Wiel vum Thermistor, d'Konfiguratiounskompromisser an d'Wichtegkeet vu Sigma-Delta Analog-Digital-Konverter (ADCs) an dësem Uwendungsberäich beschriwwen. Den zweeten Artikel beschreift am Detail, wéi een dat endgültegt Thermistor-baséiert Miesssystem optimiséiert a evaluéiert.
Wéi an der viregter Artikelserie, Optimiséierung vun RTD-Temperatursensorsystemer, beschriwwen, ass en RTD e Widderstand, deem säi Widderstand mat der Temperatur variéiert. Thermistoren funktionéieren ähnlech wéi RTDen. Am Géigesaz zu RTDen, déi nëmmen e positiven Temperaturkoeffizient hunn, kann en Thermistor e positiven oder negativen Temperaturkoeffizient hunn. Thermistoren mat negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) reduzéieren hire Widderstand wann d'Temperatur eropgeet, während Thermistoren mat positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) hire Widderstand erhéijen wann d'Temperatur eropgeet. An der Fig. 1 ginn d'Äntwertcharakteristike vun typeschen NTC- an PTC-Thermistoren gewisen a se mat RTD-Kurven vergläicht.
Wat den Temperaturberäich ugeet, ass d'RTD-Kurve bal linear, an de Sensor deckt e vill méi breede Temperaturberäich of wéi Thermistoren (typesch -200°C bis +850°C) wéinst der netlinearer (exponentieller) Natur vum Thermistor. RTDs ginn normalerweis a bekannte standardiséierte Kurven ugebueden, während Thermistor-Kurven jee no Hiersteller variéieren. Mir wäerten dëst am Detail an der Sektioun Thermistor-Auswielguide vun dësem Artikel diskutéieren.
Thermistore gi aus Kompositmaterialien hiergestallt, normalerweis Keramik, Polymeren oder Hallefleeder (normalerweis Metalloxiden) a reinen Metaller (Platin, Néckel oder Koffer). Thermistore kënnen Temperaturännerungen méi séier detektéieren wéi RTDs a bidden doduerch e méi séiert Feedback. Dofir gi Thermistore meeschtens vu Sensoren an Uwendungen benotzt, déi niddreg Käschten, eng kleng Gréisst, eng méi séier Reaktiounszäit, eng méi héich Empfindlechkeet an e limitéierten Temperaturberäich erfuerderen, wéi z. B. Elektroniksteierung, Haus- a Gebaikontroll, wëssenschaftlech Laboratoiren oder Kaltverbindungskompensatioun fir Thermoelementer a kommerziellen oder industriellen Uwendungen. Uwendungen.
An de meeschte Fäll ginn NTC-Thermistoren fir eng präzis Temperaturmiessung benotzt, net PTC-Thermistoren. Et gëtt verschidde PTC-Thermistoren, déi a Schutzschaltkreesser fir Iwwerstroum oder als zréckstellbar Sicherungen fir Sécherheetsapplikatioune kënne benotzt ginn. D'Temperatur-Widderstandskurve vun engem PTC-Thermistor weist eng ganz kleng NTC-Regioun, ier se de Schaltpunkt (oder Curie-Punkt) erreecht, iwwer där de Widderstand ëm e puer Gréisstenuerdnungen am Beräich vu verschiddene Grad Celsius staark eropgeet. Ënner Iwwerstroumbedingungen generéiert de PTC-Thermistor eng staark Selbsterhëtzung, wann d'Schalttemperatur iwwerschratt gëtt, a säi Widderstand klëmmt staark, wat den Inputstroum an de System reduzéiert an doduerch Schied verhënnert. De Schaltpunkt vun de PTC-Thermistoren läit typescherweis tëscht 60°C an 120°C an ass net gëeegent fir d'Kontroll vun Temperaturmiessungen an enger breeder Palette vun Uwendungen. Dësen Artikel konzentréiert sech op NTC-Thermistoren, déi typescherweis Temperaturen tëscht -80°C an +150°C moossen oder iwwerwaachen kënnen. NTC-Thermistoren hunn e Widderstand vun e puer Ohm bis 10 MΩ bei 25°C. Wéi an der Fig. 1 gewisen, ass d'Ännerung vum Widderstand pro Grad Celsius fir Thermistoren méi ausgeprägt wéi fir Widderstandsthermometer. Am Verglach mat Thermistoren vereinfachen déi héich Empfindlechkeet an den héije Widderstandswäert vum Thermistor seng Input-Schaltung, well Thermistoren keng speziell Verdrahtungskonfiguratioun erfuerderen, wéi z. B. 3-Drot oder 4-Drot, fir de Leadwidderstand ze kompenséieren. Den Thermistor-Design benotzt nëmmen eng einfach 2-Drot-Konfiguratioun.
Héichpräzis Temperaturmiessung op Basis vun engem Thermistor erfuerdert präzis Signalveraarbechtung, Analog-zu-Digital-Konversioun, Lineariséierung a Kompensatioun, wéi an der Fig. 2 gewisen.
Och wann d'Signalkette einfach schéngt, ginn et verschidde Komplexitéiten, déi d'Gréisst, d'Käschten an d'Performance vum ganze Motherboard beaflossen. Den ADI Präzisiouns-ADC-Portfolio enthält verschidde integréiert Léisungen, wéi den AD7124-4/AD7124-8, déi eng Rei Virdeeler fir den Design vun thermesche Systemer bidden, well déi meescht vun de Bausteng, déi fir eng Applikatioun gebraucht ginn, agebaut sinn. Wéi och ëmmer, gëtt et verschidde Erausfuerderungen beim Design an der Optimiséierung vun Thermistor-baséierten Temperaturmiessléisungen.
Dësen Artikel diskutéiert all dës Problemer a gëtt Empfehlungen fir se ze léisen an den Designprozess fir sou Systemer weider ze vereinfachen.
Et gëtt eng grouss Varietéit vunNTC-Thermistorenum Maart haut, sou datt d'Wiel vum richtegen Thermistor fir Är Uwendung eng beängschtegend Aufgab ka sinn. Bedenkt datt Thermistoren no hirem Nennwäert opgezielt sinn, wat hiren Nennwidderstand bei 25°C ass. Dofir huet en 10 kΩ Thermistor en Nennwidderstand vun 10 kΩ bei 25°C. Thermistoren hunn Nenn- oder Basiswidderstandswäerter, déi vun e puer Ohm bis 10 MΩ reechen. Thermistoren mat niddrege Widderstandsbewäertungen (Nennwidderstand vun 10 kΩ oder manner) ënnerstëtzen typescherweis méi niddreg Temperaturberäicher, wéi -50°C bis +70°C. Thermistoren mat méi héije Widderstandsbewäertunge kënnen Temperaturen bis zu 300°C standhalen.
Den Thermistorelement besteet aus Metalloxid. Thermistoren sinn a Kugel-, Radial- a SMD-Form verfügbar. Thermistorperlen sinn epoxybeschichtet oder glaskapselt fir zousätzleche Schutz. Epoxybeschichtete Kugelthermistoren, radial an Uewerflächenthermistoren si fir Temperaturen bis zu 150°C gëeegent. Glasperlenthermistoren si gëeegent fir héich Temperaturen ze moossen. All Zorte vu Beschichtungen/Verpackungen schützen och géint Korrosioun. E puer Thermistoren hunn och zousätzlech Gehäuse fir zousätzleche Schutz an haarde Ëmweltbedingungen. Glasperlenthermistoren hunn eng méi séier Reaktiounszäit wéi radial/SMD-Thermistoren. Si si awer net sou haltbar. Dofir hänkt d'Aart vum Thermistor of, deen benotzt gëtt, vun der Endapplikatioun an der Ëmwelt of, an där den Thermistor sech befënnt. Déi laangfristeg Stabilitéit vun engem Thermistor hänkt vu sengem Material, senger Verpackung an sengem Design of. Zum Beispill kann en epoxybeschichteten NTC-Thermistor sech ëm 0,2°C pro Joer änneren, während en zouenen Thermistor sech nëmmen ëm 0,02°C pro Joer ännert.
Thermistoren gëtt et a verschiddene Genauegkeeten. Standard-Thermistoren hunn typescherweis eng Genauegkeet vun 0,5°C bis 1,5°C. De Widderstand vum Thermistor an de Beta-Wäert (Verhältnis vun 25°C bis 50°C/85°C) hunn eng Toleranz. Bedenkt datt de Beta-Wäert vum Thermistor jee no Hiersteller variéiert. Zum Beispill hunn 10 kΩ NTC-Thermistoren vun ënnerschiddleche Produzenten ënnerschiddlech Beta-Wäerter. Fir méi genee Systemer kënnen Thermistoren wéi d'Omega™ 44xxx Serie benotzt ginn. Si hunn eng Genauegkeet vun 0,1°C oder 0,2°C iwwer en Temperaturberäich vun 0°C bis 70°C. Dofir bestëmmt de Beräich vun den Temperaturen, déi gemooss kënne ginn, an d'Genauegkeet, déi iwwer dësen Temperaturberäich erfuerderlech ass, ob Thermistoren fir dës Uwendung gëeegent sinn. Bedenkt w.e.g., datt wat méi héich d'Genauegkeet vun der Omega 44xxx Serie ass, wat méi héich d'Käschte sinn.
Fir de Widderstand a Grad Celsius ëmzewandelen, gëtt normalerweis de Beta-Wäert benotzt. De Beta-Wäert gëtt bestëmmt andeems een déi zwee Temperaturpunkten an de korrespondéierende Widderstand op all Temperaturpunkt kennt.
RT1 = Temperaturwiderstand 1 RT2 = Temperaturwiderstand 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
De Benotzer benotzt de Beta-Wäert, deen am nootste beim Temperaturberäich läit, deen am Projet benotzt gëtt. Déi meescht Thermistor-Datenblieder lëschten e Beta-Wäert zesumme mat enger Resistenztoleranz bei 25°C an enger Toleranz fir de Beta-Wäert op.
Thermistoren mat méi héijer Präzisioun a präzis Terminatiounsléisungen, wéi d'Omega 44xxx Serie, benotzen d'Steinhart-Hart Equatioun fir de Widderstand a Grad Celsius ëmzewandelen. Equatioun 2 erfuerdert déi dräi Konstanten A, B an C, déi och vum Sensorhersteller geliwwert ginn. Well d'Equatiounskoeffizienten mat Hëllef vun dräi Temperaturpunkten generéiert ginn, miniméiert déi resultéierend Equatioun de Feeler, deen duerch d'Lineariséierung entsteet (typesch 0,02 °C).
A, B an C si Konstanten, déi vun dräi Temperatursollwäerter ofgeleet sinn. R = Thermistorwiderstand an Ohm T = Temperatur a K Grad
Op Fig. 3 gëtt d'Stroumanregung vum Sensor gewisen. Den Undriffsstroum gëtt op den Thermistor an deeselwechte Stroum gëtt op de Präzisiounswidderstand ugewannt; e Präzisiounswidderstand gëtt als Referenz fir d'Miessung benotzt. De Wäert vum Referenzwidderstand muss méi grouss oder gläich dem héchste Wäert vum Thermistorwidderstand sinn (ofhängeg vun der niddregster Temperatur, déi am System gemooss gouf).
Bei der Auswiel vum Anregungsstroum muss de maximale Widderstand vum Thermistor erëm berécksiichtegt ginn. Dëst garantéiert, datt d'Spannung iwwer de Sensor an de Referenzwidderstand ëmmer op engem Niveau ass, deen fir d'Elektronik akzeptabel ass. D'Feldstroumquell brauch e bësse Spillraum oder Ausgangsanpassung. Wann den Thermistor e groussen Widderstand bei der niddregster moossbarer Temperatur huet, féiert dat zu engem ganz niddrege Fuerstroum. Dofir ass d'Spannung, déi bei héijer Temperatur iwwer den Thermistor generéiert gëtt, kleng. Programméierbar Verstärkungsstufen kënne benotzt ginn, fir d'Miessung vun dëse Signaler mat nidderegem Niveau ze optimiséieren. De Verstärkungsstuf muss awer dynamesch programméiert ginn, well den Signalniveau vum Thermistor staark mat der Temperatur variéiert.
Eng aner Optioun ass, de Verstärkungsgrad anzestellen, awer dynamesche Stroum ze benotzen. Dofir ännert sech de Wäert vum Stroum dynamesch, wann den Niveau vum Signal vum Thermistor sech ännert, sou datt d'Spannung, déi iwwer den Thermistor entwéckelt gëtt, am spezifizéierten Inputberäich vum elektroneschen Apparat läit. De Benotzer muss sécher stellen, datt d'Spannung, déi iwwer de Referenzwidderstand entwéckelt gëtt, och op engem Niveau läit, deen fir d'Elektronik akzeptabel ass. Béid Optioune verlaangen en héije Kontrollniveau an eng konstant Iwwerwaachung vun der Spannung iwwer den Thermistor, fir datt d'Elektronik de Signal moosse kann. Gëtt et eng méi einfach Optioun? Betruecht d'Spannungsanregung.
Wann Gläichspannung op den Thermistor ugewannt gëtt, skaléiert de Stroum duerch den Thermistor automatesch wann de Widderstand vum Thermistor sech ännert. Elo, andeems e Präzisiounsmiesswiderstand amplaz vun engem Referenzwiderstand benotzt gëtt, ass säin Zweck de Stroum ze berechnen, deen duerch den Thermistor fléisst, sou datt de Widderstand vum Thermistor berechent ka ginn. Well d'Undriffsspannung och als ADC-Referenzsignal benotzt gëtt, ass keng Verstärkungsstuf erfuerderlech. De Prozessor huet net d'Aufgab, d'Thermistorspannung ze iwwerwaachen, ze bestëmmen, ob den Signalniveau vun der Elektronik gemooss ka ginn, a ze berechnen, wéi e Verstärkungs-/Stroumwäert vum Undriff ugepasst muss ginn. Dëst ass d'Method, déi an dësem Artikel benotzt gëtt.
Wann den Thermistor e klenge Widderstand an e klenge Widderstandsberäich huet, kann Spannungs- oder Stroumanregung benotzt ginn. An dësem Fall kënnen den Undriffsstroum an de Verstärkungsgrad fixéiert ginn. Sou gesäit de Circuit aus wéi an der Figur 3 gewisen. Dës Method ass praktesch, well et méiglech ass, de Stroum iwwer de Sensor an de Referenzwidderstand ze kontrolléieren, wat a Low-Power-Uwendungen wäertvoll ass. Zousätzlech gëtt d'Selbsterhëtzung vum Thermistor miniméiert.
Spannungserregung kann och fir Thermistoren mat nidderegem Widderstand benotzt ginn. De Benotzer muss awer ëmmer sécher stellen, datt de Stroum duerch de Sensor net ze héich fir de Sensor oder d'Applikatioun ass.
Spannungserregung vereinfacht d'Ëmsetzung wann en Thermistor mat engem groussen Widderstand an engem breede Temperaturberäich benotzt gëtt. E gréissere Nennwidderstand bitt en akzeptablen Niveau vum Nennstroum. D'Designer mussen awer sécher stellen, datt de Stroum iwwer de ganze vun der Applikatioun ënnerstëtzte Temperaturberäich op engem akzeptablen Niveau läit.
Sigma-Delta ADCs bidden e puer Virdeeler beim Design vun engem Thermistor-Miessungssystem. Éischtens, well de Sigma-Delta ADC den analogen Input resampelt, gëtt d'extern Filterung op e Minimum reduzéiert an déi eenzeg Viraussetzung ass e einfachen RC-Filter. Si bidden Flexibilitéit am Filtertyp an der Ausgangs-Baudrate. Agebaute digitale Filterung kann benotzt ginn, fir all Interferenzen an Netzgeräter z'ënnerdrécken. 24-Bit-Geräter wéi den AD7124-4/AD7124-8 hunn eng voll Opléisung vu bis zu 21,7 Bits, sou datt si eng héich Opléisung bidden.
D'Benotzung vun engem Sigma-Delta ADC vereinfacht den Thermistor-Design däitlech, wärend d'Spezifikatioun, d'Systemkäschten, de Platz op der Kaart an d'Zäit zum Maart reduzéiert ginn.
Dësen Artikel benotzt den AD7124-4/AD7124-8 als ADC, well et sech ëm Präzisiouns-ADCs mat geréngem Geräisch- a Stroumverbrauch a mat agebautem PGA, agebautem Referenzinput, analogem Input a Referenzpuffer handelt.
Egal ob Dir Undriffsstroum oder Undriffsspannung benotzt, eng ratiometrisch Konfiguratioun gëtt recommandéiert, bei där d'Referenzspannung an d'Sensorspannung vun der selwechter Undriffsquell kommen. Dëst bedeit, datt all Ännerung vun der Anregungsquell d'Genauegkeet vun der Miessung net beaflosst.
Op der Fig. 5 gëtt de konstante Stéierungsstroum fir den Thermistor an de Präzisiounswiderstand RREF gewisen, d'Spannung, déi iwwer RREF entwéckelt gëtt, ass d'Referenzspannung fir d'Miessung vum Thermistor.
De Feldstroum muss net präzis sinn a kann manner stabil sinn, well all Feeler am Feldstroum an dëser Konfiguratioun eliminéiert ginn. Am Allgemengen ass Stroumanregung géintiwwer Spannungsanregung virgezunn wéinst enger besserer Sensibilitéitskontroll a besserer Rauschimmunitéit, wann de Sensor op wäiten Plazen placéiert ass. Dës Zort vu Bias-Method gëtt typescherweis fir RTDs oder Thermistoren mat niddrege Widderstandswäerter benotzt. Wéi och ëmmer, fir en Thermistor mat engem méi héije Widderstandswäert an enger méi héijer Sensibilitéit ass den Signalniveau, deen duerch all Temperaturännerung generéiert gëtt, méi grouss, dofir gëtt Spannungsanregung benotzt. Zum Beispill huet en 10 kΩ Thermistor e Widderstand vun 10 kΩ bei 25°C. Bei -50°C ass de Widderstand vum NTC-Thermistor 441,117 kΩ. De minimale Sturzstroum vu 50 µA, deen vum AD7124-4/AD7124-8 geliwwert gëtt, generéiert 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat ze héich ass an ausserhalb vum Betribsberäich vun de meeschte verfügbaren ADCs, déi an dësem Uwendungsberäich benotzt ginn. Thermistore sinn normalerweis och un der Elektronik ugeschloss oder an der Géigend placéiert, sou datt keng Immunitéit géint den Undriffsstroum erfuerderlech ass.
Wann een e Sensorwiderstand a Serie als Spannungsdeelerschaltung derbäisetzt, gëtt de Stroum duerch den Thermistor op säi minimale Widderstand limitéiert. An dëser Konfiguratioun muss de Wäert vum Sensorwiderstand RSENSE gläich dem Wäert vum Thermistorwiderstand bei enger Referenztemperatur vun 25°C sinn, sou datt d'Ausgangsspannung gläich dem Mëttelpunkt vun der Referenzspannung bei senger Nenntemperatur vun 25°CC ass. Ähnlech, wann en 10 kΩ Thermistor mat engem Widderstand vun 10 kΩ bei 25°C benotzt gëtt, soll RSENSE 10 kΩ sinn. Wann d'Temperatur ännert, ännert sech och de Widderstand vum NTC-Thermistor, an och d'Verhältnes vun der Undriffsspannung iwwer den Thermistor ännert sech, wouduerch d'Ausgangsspannung proportional zum Widderstand vum NTC-Thermistor ass.
Wann déi gewielte Spannungsreferenz, déi fir den Thermistor an/oder RSENSE benotzt gëtt, mat der ADC-Referenzspannung iwwereneestëmmt, déi fir d'Miessung benotzt gëtt, gëtt de System op ratiometrisch Miessung agestallt (Figur 7), sou datt all Anregungsbezunnen Feelerspannungsquell fir d'Ewechhuele verännert gëtt.
Bemierkt datt entweder de Sensorwidderstand (Spannungsgedriwwen) oder de Referenzwidderstand (Stroumgedriwwen) eng niddreg initial Toleranz an eng niddreg Drift solle hunn, well béid Variabelen d'Genauegkeet vum ganze System beaflosse kënnen.
Wann Dir verschidde Thermistore benotzt, kann eng Anregungsspannung benotzt ginn. All Thermistor muss awer säin eegene Präzisiounswidderstand hunn, wéi an der Fig. 8 gewisen. Eng aner Optioun ass et, en externen Multiplexer oder e Schalter mat nidderegem Widderstand am On-Zoustand ze benotzen, wat et erlaabt, ee Präzisiounswidderstand ze deelen. Mat dëser Konfiguratioun brauch all Thermistor eng gewëssen Zäit fir ze moossen.
Zesummegefaasst, beim Design vun engem Thermistor-baséierten Temperaturmiessungssystem ginn et vill Froen ze berécksiichtegen: Sensorauswiel, Sensorverdrahtung, Kompromësser bei der Komponentauswiel, ADC-Konfiguratioun, a wéi dës verschidde Variabelen d'Gesamtgenauegkeet vum System beaflossen. Den nächsten Artikel an dëser Serie erkläert, wéi Dir Äert Systemdesign an de Gesamtsystemfehlerbudget optimiséiere kënnt, fir Är Zilleistung z'erreechen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 30. September 2022