Dëst ass den éischten Artikel an enger zwee-Deel Serie. Dësen Artikel wäert éischt d'Geschicht an Design Erausfuerderunge diskutéierenThermistor-baséiert TemperaturMiesssystemer, wéi och hire Verglach mat Resistenzthermometer (RTD) Temperaturmesssystemer. Et wäert och d'Wiel vum Thermistor beschreiwen, Konfiguratiounsaustausch, an d'Wichtegkeet vu Sigma-Delta Analog-Digital Konverter (ADCs) an dësem Applikatiounsberäich. Den zweeten Artikel wäert detailléiert wéi de finalen Thermistor-baséiert Messsystem ze optimiséieren an evaluéieren.
Wéi an der viregter Artikelserie beschriwwen, RTD Temperatursensorsystemer optimiséieren, ass en RTD e Widderstand deem seng Resistenz mat der Temperatur variéiert. Thermistorer funktionnéieren ähnlech wéi RTDs. Am Géigesaz zu RTDen, déi nëmmen e positiven Temperaturkoeffizient hunn, kann en Thermistor e positiven oder negativen Temperaturkoeffizient hunn. Negativ Temperaturkoeffizient (NTC) Thermitoren reduzéieren hir Resistenz wéi d'Temperatur eropgeet, während de positiven Temperaturkoeffizient (PTC) Thermitoren hir Resistenz erhéijen wéi d'Temperatur eropgeet. Op Fig. 1 weist d'Äntwertcharakteristike vun typeschen NTC- a PTC-Thermistoren a vergläicht se mat RTD-Kéiren.
Wat d'Temperaturberäich ugeet, ass d'RTD-Kurve bal linear, an de Sensor deckt e vill méi breet Temperaturberäich wéi Thermistor (typesch -200°C bis +850°C) wéinst der net-linearer (exponentieller) Natur vum Thermistor. RTDs ginn normalerweis a bekannte standardiséierte Kéiren geliwwert, während Thermistorkurven vum Hiersteller variéieren. Mir wäerten dëst am Detail an der Thermistor Auswiel Guide Sektioun vun dësem Artikel diskutéieren.
Thermistore ginn aus Kompositmaterialien gemaach, normalerweis Keramik, Polymer oder Hallefleit (normalerweis Metalloxide) a pure Metaller (Platin, Néckel oder Kupfer). Thermistore kënnen Temperaturännerungen méi séier erkennen wéi RTDs, déi méi séier Feedback ubidden. Dofir ginn Thermistoren allgemeng vu Sensoren an Uwendungen benotzt, déi niddreg Käschte, kleng Gréisst, méi séier Äntwert, méi héich Sensibilitéit a limitéiert Temperaturbereich erfuerderen, sou wéi Elektronik Kontroll, Haus- a Baukontrolle, wëssenschaftlech Laboratoiren, oder Kältekräiz Kompensatioun fir Thermoelementer am kommerziellen. oder industriell Uwendungen. Zwecker. Uwendungen.
An deene meeschte Fäll ginn NTC Thermitoren fir präzis Temperaturmessung benotzt, net PTC Thermitoren. E puer PTC Thermistoren sinn verfügbar déi an Iwwerstroumschutzkreesser benotzt kënne ginn oder als zrécksetzenbare Sicherungen fir Sécherheetsapplikatiounen. D'Resistenz-Temperaturkurve vun engem PTC-Thermistor weist e ganz klengen NTC-Regioun virum Erreeche vum Schaltpunkt (oder Curie-Punkt), iwwer deem d'Resistenz staark ëm e puer Gréisstenuerden am Beräich vun e puer Grad Celsius eropgeet. Ënner Iwwerstroumbedéngungen wäert de PTC Thermistor eng staark Selbstheizung generéieren wann d'Schalttemperatur iwwerschratt ass, a seng Resistenz wäert staark eropgoen, wat den Inputstroum an de System reduzéiert an doduerch Schued verhënnert. De Schaltpunkt vu PTC Thermistoren ass typesch tëscht 60 ° C an 120 ° C an ass net gëeegent fir Temperaturmiessungen an enger breeder Palette vun Uwendungen ze kontrolléieren. Dësen Artikel konzentréiert sech op NTC Thermistoren, déi typesch Temperaturen vun -80°C bis +150°C moossen oder iwwerwaache kënnen. NTC Thermistoren hunn Resistenzbewäertunge vun e puer Ohm bis 10 MΩ bei 25 ° C. Wéi an der Fig. 1, ass d'Ännerung vun der Resistenz pro Grad Celsius fir Thermistor méi ausgeschwat wéi fir Resistenzthermometer. Am Verglach mat Thermistor vereinfachen d'héich Empfindlechkeet vum Thermistor an den héije Resistenzwäert seng Input Circuit, well Thermistor keng speziell Verdrahtungskonfiguratioun erfuerderen, wéi 3-Drot oder 4-Drot, fir d'Leadresistenz ze kompenséieren. Den Thermistor Design benotzt nëmmen eng einfach 2-Drot Konfiguratioun.
Héichpräzis Thermistor-baséiert Temperaturmessung erfuerdert präzis Signalveraarbechtung, analog-digital Konversioun, Lineariséierung a Kompensatioun, wéi an der Fig. 2.
Och wann d'Signalkette einfach ka schéngen, sinn et e puer Komplexitéiten déi d'Gréisst, d'Käschte an d'Performance vum ganze Motherboard beaflossen. Dem ADI seng Präzisioun ADC Portfolio enthält verschidde integréiert Léisungen, sou wéi den AD7124-4 / AD7124-8, déi eng Rei Virdeeler fir thermesch Systemdesign ubidden well déi meescht vun de Bausteng fir eng Applikatioun agebaut sinn. Wéi och ëmmer, et gi verschidde Erausfuerderunge beim Design an Optimisatioun vun Thermistor-baséiert Temperaturmessléisungen.
Dësen Artikel diskutéiert all eenzel vun dësen Themen a proposéiert Empfehlungen fir se ze léisen an den Designprozess fir esou Systemer weider ze vereinfachen.
Et ginn eng grouss Varietéit vunNTC Thermitorenum Maart haut, also de richtegen Thermistor fir Är Uwendung auswielen kann eng beängschtegend Aufgab sinn. Bedenkt datt d'Thermistoren duerch hiren Nominalwäert opgelëscht sinn, wat hir Nominell Resistenz bei 25 ° C ass. Dofir huet en 10 kΩ Thermistor eng nominell Resistenz vun 10 kΩ bei 25°C. Thermistoren hunn nominell oder Basisresistenzwäerter vun e puer Ohm bis 10 MΩ. Thermistore mat nidderegen Resistenzbewäertungen (nominal Resistenz vun 10 kΩ oder manner) ënnerstëtzen typesch méi niddereg Temperaturberäicher, wéi -50 ° C bis +70 ° C. Thermistorer mat méi héije Resistenzbewäertunge kënnen Temperaturen bis zu 300 ° C widderstoen.
Den Thermistorelement ass aus Metalloxid gemaach. Thermistor sinn a Kugel, Radial a SMD Formen verfügbar. Thermistor Perlen sinn epoxy Beschichtete oder Glas encapsuléiert fir zousätzlech Schutz. Epoxy-beschichtete Kugelthermistoren, Radial- a Surface-Thermistoren si fir Temperaturen bis 150°C gëeegent. Glaspärelen Thermistor si gëeegent fir héich Temperaturen ze moossen. All Zorte vu Beschichtungen / Verpackungen schützen och géint Korrosioun. E puer Thermistoren hunn och zousätzlech Wunnengen fir zousätzlech Schutz an haarden Ëmfeld. Bead Thermistoren hunn eng méi séier Äntwertzäit wéi Radial / SMD Thermitoren. Wéi och ëmmer, si sinn net sou haltbar. Dofir hänkt d'Zort vum Thermistor of, deen benotzt gëtt, vun der Endapplikatioun an der Ëmfeld an där den Thermistor läit. Déi laangfristeg Stabilitéit vun engem Thermistor hänkt vu sengem Material, Verpakung an Design of. Zum Beispill kann en epoxybeschichtete NTC Thermistor 0,2 ° C pro Joer änneren, während e versiegelt Thermistor nëmmen 0,02 ° C pro Joer ännert.
Thermistor kommen a verschiddene Genauegkeet. Standard Thermistoren hunn typesch eng Genauegkeet vun 0,5°C bis 1,5°C. Thermistor Resistenz Bewäertung a Beta Wäert (Verhältnis vun 25 ° C bis 50 ° C / 85 ° C) hunn eng Toleranz. Notéiert datt de Beta-Wäert vum Thermistor vum Hiersteller variéiert. Zum Beispill, 10 kΩ NTC Thermistor vu verschiddene Hiersteller wäerten verschidde Beta Wäerter hunn. Fir méi präzis 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 bestëmmen d'Temperaturbereich, déi gemooss kënne ginn an d'Genauegkeet, déi iwwer dat Temperaturbereich erfuerderlech ass, ob Thermitoren gëeegent sinn fir dës Applikatioun. Maacht weg datt wat méi héich d'Genauegkeet vun der Omega 44xxx Serie ass, wat méi héich d'Käschte sinn.
Fir d'Resistenz op Grad Celsius ëmzewandelen, gëtt de Beta-Wäert normalerweis benotzt. De Beta-Wäert gëtt bestëmmt andeems Dir déi zwee Temperaturpunkten an déi entspriechend Resistenz bei all Temperaturpunkt kennt.
RT1 = Temperaturresistenz 1 RT2 = Temperaturresistenz 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
De Benotzer benotzt de Beta-Wäert am nootste beim Temperaturberäich, deen am Projet benotzt gëtt. Déi meescht Thermistor-Dateblieder lëschten e Beta-Wäert zesumme mat enger Resistenz Toleranz bei 25 ° C an enger Toleranz fir de Beta-Wäert.
Méi héich Präzisioun Thermistoren an héich Präzisioun Terminatiounsléisungen wéi d'Omega 44xxx Serie benotzen d'Steinhart-Hart Equatioun fir d'Resistenz op Grad Celsius ze konvertéieren. Equatioun 2 erfuerdert déi dräi Konstanten A, B a C, erëm vum Sensorhersteller geliwwert. Well d'Equatiounskoeffizienten mat dräi Temperaturpunkte generéiert ginn, miniméiert déi resultéierend Equatioun de Feeler, deen duerch Lineariséierung agefouert gëtt (typesch 0,02 °C).
A, B a C si Konstanten ofgeleet vun dräi Temperatur-Setpoints. R = Thermistorresistenz an Ohm T = Temperatur an K Grad
Op Fig. 3 weist déi aktuell Excitatioun vum Sensor. Drive Stroum gëtt op den Thermistor applizéiert an deeselwechte Stroum gëtt op de Präzisiounsresistor applizéiert; e Präzisiounsresistor gëtt als Referenz fir Messung benotzt. De Wäert vum Referenzresistenz muss méi grouss sinn wéi oder gläich wéi den héchste Wäert vun der Thermistorresistenz (ofhängeg vun der niddregsten Temperatur, déi am System gemooss gëtt).
Wann Dir den Excitatiounsstroum auswielt, muss déi maximal Resistenz vum Thermistor erëm berécksiichtegt ginn. Dëst garantéiert datt d'Spannung iwwer de Sensor an de Referenzresistor ëmmer op engem Niveau ass, deen d'Elektronik akzeptabel ass. D'Feldstroumquell erfuerdert e bësse Kappraum oder Ausgangspassung. Wann den Thermistor eng héich Resistenz bei der niddregster moossbarer Temperatur huet, wäert dëst zu engem ganz nidderegen Drive Stroum resultéieren. Dofir ass d'Spannung, déi iwwer den Thermistor bei héijer Temperatur generéiert gëtt, kleng. Programméierbar Gewënnstufen kënne benotzt ginn fir d'Miessung vun dësen nidderegen Niveau Signaler ze optimiséieren. Wéi och ëmmer, de Gewënn muss dynamesch programméiert ginn, well de Signalniveau vum Thermistor staark mat der Temperatur variéiert.
Eng aner Optioun ass de Gewënn ze setzen awer déi dynamesch Fuerstroum benotzen. Dofir, wéi d'Signalniveau vum Thermistor ännert, ännert de Drive Stroumwäert dynamesch sou datt d'Spannung, déi iwwer den Thermistor entwéckelt gëtt, am spezifizéierte Inputbereich vum elektroneschen Apparat ass. De Benotzer muss dofir suergen datt d'Spannung, déi iwwer de Referenzwiderstand entwéckelt gëtt, och op engem Niveau akzeptabel ass fir d'Elektronik. Béid Optiounen erfuerderen en héije Niveau vu Kontroll, konstant Iwwerwaachung vun der Spannung iwwer den Thermistor, sou datt d'Elektronik d'Signal moosse kann. Gëtt et eng méi einfach Optioun? Bedenkt d'Spannungsexcitatioun.
Wann DC Spannung op den Thermistor applizéiert gëtt, skaléiert de Stroum duerch den Thermistor automatesch wéi d'Resistenz vum Thermistor ännert. Elo, mat engem Präzisiounsmessresistor amplaz vun engem Referenzresistor, säin Zweck ass de Stroum duerch den Thermistor ze berechnen, sou datt d'Thermistorresistenz berechent gëtt. Zënter der Fuerspannung och als ADC Referenzsignal benotzt gëtt, ass keng Gewënnstuf néideg. De Prozessor huet net d'Aarbecht fir d'Thermistorspannung ze iwwerwaachen, ze bestëmmen ob d'Signalniveau vun der Elektronik gemooss ka ginn, a berechent wéi eng Drive Gewënn / aktuelle Wäert muss ugepasst ginn. Dëst ass d'Method déi an dësem Artikel benotzt gëtt.
Wann den Thermistor e klenge Resistenzbewäertung a Resistenzberäich huet, kann d'Spannung oder d'Stroumexcitatioun benotzt ginn. An dësem Fall kann de Drive Stroum a Gewënn fixéiert ginn. Sou wäert de Circuit sinn wéi an der Figur 3. Dës Method ass bequem datt et méiglech ass de Stroum duerch de Sensor an de Referenzresistor ze kontrolléieren, wat wäertvoll ass bei nidderegen Kraaftapplikatiounen. Zousätzlech gëtt d'Selbstheizung vum Thermistor miniméiert.
Spannungsexcitatioun kann och fir Thermistore mat nidderegen Resistenzbewäertungen benotzt ginn. Wéi och ëmmer, de Benotzer muss ëmmer suergen datt de Stroum duerch de Sensor net ze héich ass fir de Sensor oder d'Applikatioun.
Spannungsexcitatioun vereinfacht d'Ëmsetzung wann Dir en Thermistor mat enger grousser Resistenzbewäertung an engem breet Temperaturbereich benotzt. Méi grouss nominale Resistenz bitt en akzeptablen Niveau vum bewäerte Stroum. Wéi och ëmmer, Designer musse suergen datt de Stroum op engem akzeptablen Niveau iwwer de ganze Temperaturberäich ass, ënnerstëtzt vun der Applikatioun.
Sigma-Delta ADCs bidden verschidde Virdeeler beim Design vun engem Thermistormiesssystem. Als éischt, well d'Sigma-Delta ADC den Analog-Input resampelt, gëtt extern Filteren op e Minimum gehal an déi eenzeg Ufuerderung ass en einfachen RC-Filter. Si bidden Flexibilitéit am Filtertyp an der Ausgangsbaudrate. Built-in digital Filtering ka benotzt ginn fir all Interferenz an Netz ugedriwwen Apparater z'ënnerdrécken. 24-Bit Geräter wéi AD7124-4 / AD7124-8 hunn eng voll Opléisung vu bis zu 21,7 Bits, sou datt se eng héich Opléisung ubidden.
D'Benotzung vun engem Sigma-Delta ADC vereinfacht immens den Thermistor Design wärend d'Spezifikatioun, Systemkäschten, Boardraum an Zäit zum Maart reduzéiert ginn.
Dësen Artikel benotzt den AD7124-4 / AD7124-8 als ADC well se niddereg Kaméidi sinn, niddereg Stroum, Präzisioun ADCs mat agebaute PGA, agebaute Referenz, Analog Input a Referenzbuffer.
Egal ob Dir Drive Stroum oder Fuerspannung benotzt, ass eng ratiometresch Konfiguratioun recommandéiert an där d'Referenzspannung an d'Sensorspannung aus der selwechter Drivequell kommen. Dëst bedeit datt all Ännerung vun der Excitatiounsquell net d'Genauegkeet vun der Messung beaflosst.
Op Fig. 5 weist de konstante Fuertstroum fir den Thermistor a Präzisiounsresistor RREF, d'Spannung entwéckelt iwwer RREF ass d'Referenzspannung fir den Thermistor ze moossen.
De Feldstroum brauch net korrekt ze sinn a ka manner stabil sinn well all Feeler am Feldstroum an dëser Konfiguratioun eliminéiert ginn. Allgemeng gëtt aktuell Excitatioun iwwer Spannungsexcitatioun bevorzugt wéinst superieure Sensibilitéitskontroll a bessere Geräischerimmunitéit wann de Sensor op Fernplazen läit. Dës Aart vu Biasmethod gëtt typesch fir RTDs oder Thermistore mat niddrege Resistenzwäerter benotzt. Wéi och ëmmer, fir en Thermistor mat engem méi héije Resistenzwäert a méi héijer Empfindlechkeet wäert de Signalniveau, deen duerch all Temperaturännerung generéiert gëtt, méi grouss sinn, sou datt d'Spannungsexcitatioun benotzt gëtt. Zum Beispill huet en 10 kΩ Thermistor eng Resistenz vun 10 kΩ bei 25°C. Bei -50°C ass d'Resistenz vum NTC-Thermistor 441.117 kΩ. De Minimum Drive Stroum vun 50 µA geliwwert vum AD7124-4 / AD7124-8 generéiert 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, wat ze héich ass an ausserhalb vum Betribsberäich vun de meescht verfügbaren ADCs, déi an dësem Applikatiounsberäich benotzt ginn. Thermistoren sinn och normalerweis verbonne oder an der Géigend vun der Elektronik, sou datt d'Immunitéit fir de Stroum net erfuerderlech ass.
E Senswiderstand an der Serie bäizefügen als Spannungsdeeler Circuit wäert de Stroum duerch den Thermistor op säi Minimum Resistenzwäert limitéieren. An dëser Konfiguratioun muss de Wäert vum Sënnresistenz RSENSE dem Wäert vun der Thermistorresistenz bei enger Referenztemperatur vu 25°C gläich sinn, sou datt d'Ausgangsspannung gläich ass mam Mëttelpunkt vun der Referenzspannung bei senger nomineller Temperatur vun 25°CC Ähnlech, wann en 10 kΩ Thermistor mat enger Resistenz vun 10 kΩ bei 25°C benotzt gëtt, soll RSENSE 10 kΩ sinn. Wéi d'Temperatur ännert, ännert sech d'Resistenz vum NTC Thermistor och, an d'Verhältnis vun der Fuerspannung iwwer den Thermistor ännert och, wat doduerch datt d'Ausgangsspannung proportional zu der Resistenz vum NTC Thermistor ass.
Wann déi gewielte Spannungsreferenz benotzt fir den Thermistor an / oder RSENSE mat der ADC Referenzspannung ze passen, déi fir d'Messung benotzt gëtt, gëtt de System op ratiometresch Messung gesat (Figur 7) sou datt all excitatiounsbezunnen Fehlerspannungsquell partiell ass fir ze läschen.
Bedenkt datt entweder de Sënn resistor (Spannung ugedriwwen) oder der Referenz resistor (stroum ugedriwwen) soll eng niddereg initial Toleranz an niddereg drift hunn, well béid Verännerlechen d'Genauegkeet vun de ganze System Afloss kann.
Wann Dir verschidde Thermitoren benotzt, kann eng Excitatiounsspannung benotzt ginn. Wéi och ëmmer, all Thermistor muss säin eegene Präzisiounssënnwidderstand hunn, wéi an der Fig. 8. Aner Optioun ass e benotzen externen multiplexer oder niddereg-Resistenz schalt am op Staat, déi deelen eng Präzisioun Sënn resistor erlaabt. Mat dëser Konfiguratioun brauch all Thermistor e bësse Settlementzäit wann se gemooss gëtt.
Zesummegefaasst, wann Dir en Thermistor-baséiert Temperaturmiessungssystem designt, ginn et vill Froen ze berücksichtegen: Sensorauswiel, Sensorverkabelung, Komponentauswielaustausch, ADC Konfiguratioun, a wéi dës verschidde Verännerlechen d'Gesamtgenauegkeet vum System beaflossen. Den nächsten Artikel an dëser Serie erkläert wéi Dir Äre Systemdesign an de Gesamtsystemfehlerbudget optiméiert fir Är Zilleistung z'erreechen.
Post Zäit: Sep-30-2022