Бұл екі бөлімнен тұратын топтаманың бірінші мақаласы.Бұл мақалада алдымен оның тарихы мен дизайн қиындықтары талқыланадытермистор негізіндегі температураөлшеу жүйелері, сондай-ақ оларды қарсылық термометрімен (RTD) температураны өлшеу жүйелерімен салыстыру.Ол сондай-ақ термисторды таңдауды, конфигурацияның сәйкестігін және осы қолданба аймағындағы сигма-дельта аналогты-сандық түрлендіргіштердің (ADC) маңыздылығын сипаттайды.Екінші мақалада соңғы термисторға негізделген өлшеу жүйесін қалай оңтайландыру және бағалау туралы егжей-тегжейлі айтылады.
Алдыңғы мақалалар сериясында сипатталғандай, RTD температура сенсорларының жүйелерін оңтайландыру, RTD кедергісі температураға байланысты өзгеретін резистор болып табылады.Термисторлар RTD-ге ұқсас жұмыс істейді.Тек оң температуралық коэффициенті бар RTD-ден айырмашылығы, термистор оң немесе теріс температура коэффициентіне ие болуы мүмкін.Термисторлар температураның жоғарылауы кезінде олардың кедергісін азайтады, ал оң температуралық коэффицентті термисторлар температура көтерілген сайын кедергісін арттырады.Суретте.1 типтік NTC және PTC термисторларының жауап сипаттамаларын көрсетеді және оларды RTD қисықтарымен салыстырады.
Температура диапазоны тұрғысынан RTD қисығы дерлік сызықты және термистордың сызықты емес (экпоненциалды) сипатына байланысты сенсор термисторларға қарағанда (әдетте -200 ° C пен + 850 ° C) әлдеқайда кең температура диапазонын қамтиды.RTD әдетте белгілі стандартталған қисықтарда беріледі, ал термистордың қисық сызықтары өндірушіге байланысты өзгереді.Біз мұны осы мақаланың термисторды таңдау жөніндегі нұсқаулық бөлімінде егжей-тегжейлі талқылаймыз.
Термисторлар композициялық материалдардан, әдетте керамикадан, полимерлерден немесе жартылай өткізгіштерден (әдетте металл оксидтері) және таза металдардан (платина, никель немесе мыс) жасалады.Термисторлар температураның өзгеруін RTD-ге қарағанда тезірек анықтай алады, бұл жылдам кері байланысты қамтамасыз етеді.Сондықтан термисторлар әдетте электрониканы басқару, үй мен құрылысты басқару, ғылыми зертханалар немесе коммерциялық мақсаттағы термопарлар үшін суық өтпелі өтемақы сияқты төмен бағаны, шағын өлшемді, жылдамырақ жауап беруді, жоғары сезімталдықты және шектеулі температура диапазонын қажет ететін қолданбаларда датчиктермен қолданылады. немесе өнеркәсіптік қолданбалар.мақсаттар.Қолданбалар.
Көптеген жағдайларда NTC термисторлары PTC термисторлары емес, дәл температураны өлшеу үшін пайдаланылады.Кейбір PTC термисторлары бар, оларды токтан қорғау тізбектерінде немесе қауіпсіздік қолданбалары үшін қалпына келтірілетін сақтандырғыштар ретінде пайдалануға болады.PTC термисторының кедергі-температура қисығы коммутациялық нүктеге (немесе Кюри нүктесіне) жеткенге дейін өте кішкентай NTC аймағын көрсетеді, оның үстінде қарсылық бірнеше градус Цельсий диапазонында бірнеше реттік шамаларға күрт көтеріледі.Шамадан тыс ток жағдайында PTC термисторы ауысу температурасынан асқан кезде күшті өздігінен қызуды тудырады және оның кедергісі күрт артады, бұл жүйеге кіріс тогын азайтады, осылайша зақымдануды болдырмайды.PTC термисторларының ауысу нүктесі әдетте 60°C және 120°C аралығында болады және қолданбалардың кең ауқымында температура өлшемдерін басқаруға жарамайды.Бұл мақала әдетте -80 ° C пен + 150 ° C аралығындағы температураларды өлшейтін немесе бақылай алатын NTC термисторларына бағытталған.NTC термисторлары 25°C температурада бірнеше Ом-нан 10 МΩ-ге дейінгі қарсылық көрсеткіштеріне ие.Суретте көрсетілгендей.1, термисторлар үшін Цельсий градусына қарсы кедергінің өзгеруі қарсылық термометрлеріне қарағанда айқынырақ.Термисторлармен салыстырғанда, термистордың жоғары сезімталдығы және жоғары қарсылық мәні оның кіріс схемасын жеңілдетеді, өйткені термисторлар қорғасын кедергісін өтеу үшін 3-сымды немесе 4-сымды сияқты арнайы сым конфигурациясын қажет етпейді.Термистордың дизайны тек қарапайым 2 сымды конфигурацияны пайдаланады.
Жоғары дәлдіктегі термистор негізіндегі температураны өлшеу 1-суретте көрсетілгендей дәл сигналды өңдеуді, аналогты-цифрлық түрлендіруді, сызықтандыруды және компенсацияны қажет етеді.2.
Сигнал тізбегі қарапайым болып көрінгенімен, бүкіл аналық платаның өлшеміне, құнына және өнімділігіне әсер ететін бірнеше күрделіліктер бар.ADI дәлдігі ADC портфолиосы AD7124-4/AD7124-8 сияқты бірнеше біріктірілген шешімдерді қамтиды, олар жылу жүйесін жобалау үшін бірқатар артықшылықтарды қамтамасыз етеді, өйткені қолданбаға қажетті құрылыс блоктарының көпшілігі кіріктірілген.Дегенмен, термистор негізіндегі температураны өлшеу шешімдерін жобалау және оңтайландыруда әртүрлі қиындықтар бар.
Бұл мақалада осы мәселелердің әрқайсысы талқыланып, оларды шешу және мұндай жүйелерді жобалау процесін одан әрі жеңілдету бойынша ұсыныстар берілген.
алуан түрліNTC термисторларыбүгінгі күні нарықта, сондықтан қолданбаңыз үшін дұрыс термисторды таңдау қиын міндет болуы мүмкін.Термисторлардың номиналды мәні бойынша тізімделгенін ескеріңіз, бұл олардың номиналды кедергісі 25 ° C.Сондықтан 10 кОм термистордың 25 ° C температурада номиналды кедергісі 10 кОм болады.Термисторлардың номиналды немесе негізгі қарсылық мәндері бірнеше Омнан 10 МΩ-ге дейін болады.Төмен қарсылық көрсеткіштері бар термисторлар (10 кОм немесе одан аз номиналды кедергі) әдетте -50 ° C пен + 70 ° C сияқты төменірек температура диапазондарын қолдайды.Қарсылық көрсеткіштері жоғары термисторлар 300°C дейінгі температураға төтеп бере алады.
Термистор элементі металл оксидінен жасалған.Термисторлар шар, радиалды және SMD пішіндерінде қол жетімді.Термистор моншақтары қосымша қорғаныс үшін эпоксидті жабынмен қапталған немесе шыны қапталған.Эпоксидті жабынмен қапталған шарикті термисторлар, радиалды және беттік термисторлар 150 ° C дейінгі температураға жарамды.Шыны моншақ термисторлары жоғары температураны өлшеуге жарамды.Қаптаманың/ораманың барлық түрлері коррозиядан да қорғайды.Кейбір термисторларда қатал ортада қосымша қорғаныс үшін қосымша корпустар болады.Моншақ термисторлары радиалды/SMD термисторларына қарағанда жылдамырақ жауап береді.Дегенмен, олар соншалықты төзімді емес.Сондықтан қолданылатын термистордың түрі соңғы қолданбаға және термистор орналасқан ортаға байланысты.Термистордың ұзақ мерзімді тұрақтылығы оның материалына, қаптамасына және дизайнына байланысты.Мысалы, эпоксидті жабынмен қапталған NTC термисторы жылына 0,2°C өзгеруі мүмкін, ал герметикалық термистор жылына тек 0,02°C өзгереді.
Термисторлар әртүрлі дәлдікпен келеді.Стандартты термисторлар әдетте 0,5 ° C-тан 1,5 ° C-қа дейінгі дәлдікке ие.Термистор кедергісінің рейтингі және бета мәні (25°C пен 50°C/85°C арақатынасы) төзімділікке ие.Термистордың бета мәні өндірушіге байланысты өзгеретінін ескеріңіз.Мысалы, әртүрлі өндірушілердің 10 кОм NTC термисторлары әртүрлі бета мәндеріне ие болады.Дәлірек жүйелер үшін Omega™ 44xxx сериясы сияқты термисторларды пайдалануға болады.Олар 0°C-тан 70°C-қа дейінгі температура диапазонында 0,1°C немесе 0,2°C дәлдігіне ие.Сондықтан өлшеуге болатын температуралар ауқымы және сол температура диапазонында талап етілетін дәлдік термисторлардың осы қолданбаға жарамдылығын анықтайды.Omega 44xxx сериясының дәлдігі неғұрлым жоғары болса, құны соғұрлым жоғары болатынын ескеріңіз.
Қарсылықты Цельсий градусына түрлендіру үшін әдетте бета мәні пайдаланылады.Бета мәні екі температура нүктесін және әрбір температура нүктесіндегі сәйкес қарсылықты білу арқылы анықталады.
RT1 = Температура кедергісі 1 RT2 = Температура кедергісі 2 T1 = Температура 1 (K) T2 = Температура 2 (K)
Пайдаланушы жобада пайдаланылатын температура диапазонына ең жақын бета мәнін пайдаланады.Көптеген термистор деректер парақтарында бета мәні, сонымен қатар 25°C қарсылық төзімділігі және бета мәніне төзімділік берілген.
Жоғары дәлдіктегі термисторлар және Omega 44xxx сериялары сияқты жоғары дәлдіктегі аяқтау шешімдері қарсылықты Цельсий градусына түрлендіру үшін Стейнхарт-Харт теңдеуін пайдаланады.2-теңдеу үшін сенсор өндірушісі тағы да ұсынатын үш тұрақты A, B және C қажет.Теңдеу коэффициенттері үш температура нүктесінің көмегімен құрылатындықтан, алынған теңдеу сызықтандыру арқылы енгізілген қатені азайтады (әдетте 0,02 °C).
A, B және C үш температураның орнату нүктесінен алынған тұрақтылар.R = Омдағы термистор кедергісі T = K градустағы температура
Суретте.3 сенсордың ағымдағы қозуын көрсетеді.Жетек тогы термисторға қолданылады және дәл сол ток дәл резисторға қолданылады;дәлдік резистор өлшеу үшін сілтеме ретінде пайдаланылады.Анықтамалық резистордың мәні термистор кедергісінің ең жоғары мәнінен үлкен немесе оған тең болуы керек (жүйеде өлшенген ең төменгі температураға байланысты).
Қоздыру тогын таңдау кезінде термистордың максималды кедергісін қайтадан ескеру қажет.Бұл сенсор мен анықтамалық резистордағы кернеудің әрқашан электроника үшін қолайлы деңгейде болуын қамтамасыз етеді.Өрістің ток көзі кейбір бос орынды немесе шығыс сәйкестігін талап етеді.Егер термистор ең төменгі өлшенетін температурада жоғары қарсылыққа ие болса, бұл жетек токының өте төмен болуына әкеледі.Сондықтан жоғары температурада термисторда пайда болатын кернеу аз.Бағдарламаланатын күшейту кезеңдерін осы төмен деңгейлі сигналдарды өлшеуді оңтайландыру үшін пайдалануға болады.Дегенмен, күшейту динамикалық түрде бағдарламалануы керек, себебі термистордан сигнал деңгейі температураға байланысты айтарлықтай өзгереді.
Басқа опция - күшейтуді орнату, бірақ динамикалық жетек тогын пайдалану.Демек, термистордан сигнал деңгейі өзгерген сайын, жетек тоғының мәні динамикалық түрде өзгереді, осылайша термисторда қалыптасқан кернеу электронды құрылғының белгіленген кіріс диапазонында болады.Пайдаланушы эталондық резистордағы кернеудің электроника үшін қолайлы деңгейде болуын қамтамасыз етуі керек.Екі нұсқа да бақылаудың жоғары деңгейін, электроника сигналды өлшей алатындай термистордағы кернеуді тұрақты бақылауды талап етеді.Оңай нұсқа бар ма?Кернеудің қозуын қарастырыңыз.
Термисторға тұрақты кернеуді қолданғанда, термистордың кедергісі өзгерген сайын термистор арқылы өтетін ток автоматты түрде масштабталады.Енді анықтамалық резистордың орнына дәл өлшеу резисторын қолданып, оның мақсаты термистор арқылы өтетін токты есептеу болып табылады, осылайша термистор кедергісін есептеуге мүмкіндік береді.Жетек кернеуі ADC анықтамалық сигналы ретінде де пайдаланылғандықтан, күшейту сатысы қажет емес.Процессорда термистор кернеуін бақылау, сигнал деңгейін электроника арқылы өлшеуге болатынын анықтау және дискінің қандай күшейту/ток мәнін реттеу қажет екенін есептеу міндеті жоқ.Бұл мақалада қолданылатын әдіс.
Термистордың қарсылық көрсеткіші мен кедергі диапазоны аз болса, кернеуді немесе токты қозуды пайдалануға болады.Бұл жағдайда жетек тогы мен күшейтуді бекітуге болады.Осылайша, схема 3-суретте көрсетілгендей болады. Бұл әдіс төмен қуатты қолданбаларда құнды болып табылатын сенсор мен тірек резистор арқылы токты басқаруға болатындығымен ыңғайлы.Сонымен қатар, термистордың өздігінен қызуы барынша азайтылады.
Кернеуді қоздыру төмен қарсылық көрсеткіштері бар термисторлар үшін де қолданылуы мүмкін.Дегенмен, пайдаланушы әрқашан сенсор арқылы өтетін ток сенсор немесе қолданба үшін тым жоғары емес екеніне көз жеткізуі керек.
Кернеуді қоздыру үлкен қарсылық көрсеткіші және кең температура диапазоны бар термисторды пайдалану кезінде іске асыруды жеңілдетеді.Үлкен номиналды қарсылық номиналды токтың қолайлы деңгейін қамтамасыз етеді.Дегенмен, дизайнерлер қолданба қолдайтын барлық температура диапазонында токтың қолайлы деңгейде болуын қамтамасыз етуі керек.
Sigma-Delta ADC термисторлық өлшеу жүйесін жобалау кезінде бірнеше артықшылықтарды ұсынады.Біріншіден, сигма-дельта ADC аналогтық кірісті қайта үлгілегендіктен, сыртқы сүзгілеу минимумға дейін сақталады және жалғыз талап қарапайым RC сүзгісі болып табылады.Олар сүзгі түріне және шығыс жіберу жылдамдығына икемділікті қамтамасыз етеді.Кірістірілген сандық сүзгілеуді электр желісінен қуат алатын құрылғылардағы кез келген кедергіні болдырмау үшін пайдалануға болады.AD7124-4/AD7124-8 сияқты 24 биттік құрылғылар 21,7 битке дейін толық ажыратымдылыққа ие, сондықтан олар жоғары ажыратымдылықты қамтамасыз етеді.
Сигма-дельта ADC пайдалану спецификацияны, жүйе құнын, тақтаның кеңістігін және нарыққа шығу уақытын азайта отырып, термистордың дизайнын айтарлықтай жеңілдетеді.
Бұл мақалада AD7 ретінде AD7124-4/AD7124-8 пайдаланылады, себебі олар төмен шу, төмен ток, кірістірілген PGA, кірістірілген анықтама, аналогтық кіріс және сілтеме буфері бар дәлдіктегі ADC.
Жетек тогын немесе кернеуді пайдаланып жатқаныңызға қарамастан, эталондық кернеу мен сенсор кернеуі бір жетек көзінен келетін қатынасты конфигурация ұсынылады.Бұл қозу көзінің кез келген өзгерісі өлшеу дәлдігіне әсер етпейтінін білдіреді.
Суретте.5 термистор мен дәлдік RREF резисторы үшін тұрақты жетек тогын көрсетеді, RREF бойынша әзірленген кернеу термисторды өлшеуге арналған эталондық кернеу болып табылады.
Өріс тоғының дәл болуы қажет емес және тұрақтылығы төмен болуы мүмкін, себебі өріс токындағы кез келген қателер осы конфигурацияда жойылады.Әдетте, сенсор шалғай жерлерде орналасқан кезде жоғары сезімталдықты басқаруға және жақсырақ шуға қарсы тұруға байланысты кернеуді қоздырудан гөрі ағымдағы қоздыру артықшылық береді.Бағалау әдісінің бұл түрі әдетте төмен қарсылық мәндері бар RTD немесе термисторлар үшін қолданылады.Дегенмен, қарсылық мәні жоғары және сезімталдығы жоғары термистор үшін температураның әрбір өзгеруінен туындайтын сигнал деңгейі үлкенірек болады, сондықтан кернеудің қозуы қолданылады.Мысалы, 10 кОм термистордың кедергісі 25 ° C кезінде 10 кОм болады.-50°С кезінде NTC термисторының кедергісі 441,117 кОм құрайды.AD7124-4/AD7124-8 қамтамасыз ететін 50 мкА ең аз жетек тогы 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В құрайды, бұл тым жоғары және осы қолданба аймағында қолданылатын көптеген қол жетімді ADC жұмыс ауқымынан тыс.Термисторлар да әдетте электроникаға жақын немесе жалғанған, сондықтан токқа қарсы иммунитет қажет емес.
Кернеу бөлгіш тізбегі ретінде сезгіш резисторды тізбектей қосу термистор арқылы өтетін токты оның минималды қарсылық мәніне дейін шектейді.Бұл конфигурацияда RSENSE сезу резисторының мәні 25°C эталондық температурадағы термистор кедергісінің мәніне тең болуы керек, осылайша шығыс кернеуі оның номиналды температурасында эталондық кернеудің орта нүктесіне тең болады. 25°CC Сол сияқты, 25°C кезінде кедергісі 10 кОм болатын 10 кОм термистор пайдаланылса, RSENSE 10 кОм болуы керек.Температура өзгерген сайын NTC термисторының кедергісі де өзгереді және термистордағы жетек кернеуінің қатынасы да өзгереді, нәтижесінде шығыс кернеуі NTC термисторының кедергісіне пропорционалды болады.
Термисторды және/немесе RSENSE қуаттандыру үшін пайдаланылатын таңдалған кернеу анықтамасы өлшеу үшін пайдаланылатын ADC анықтамалық кернеуіне сәйкес келсе, жүйе қоздырумен байланысты қателік кернеу көзі жойылуға бейім болатындай коэффициенттік өлшеуге (7-сурет) орнатылады.
Сезімтал резистордың (кернеумен басқарылатын) немесе анықтамалық резистордың (ток жетектегі) бастапқы төзімділігі төмен және дрейфі төмен болуы керек екенін ескеріңіз, өйткені екі айнымалы да бүкіл жүйенің дәлдігіне әсер етуі мүмкін.
Бірнеше термисторларды пайдаланған кезде бір қоздыру кернеуін пайдалануға болады.Дегенмен, әр термистордың 1-суретте көрсетілгендей өзінің дәлдік сезгіш резисторы болуы керек.8. Тағы бір нұсқа - бір дәлдік сезгіш резисторды ортақ пайдалануға мүмкіндік беретін қосулы күйде сыртқы мультиплексорды немесе төмен кедергілі қосқышты пайдалану.Бұл конфигурациямен әрбір термистор өлшенген кезде біраз реттеу уақытын қажет етеді.
Қорытындылай келе, термистор негізіндегі температураны өлшеу жүйесін құрастырған кезде көптеген сұрақтарды қарастыру керек: сенсорды таңдау, сенсорлық сымдар, құрамдастарды таңдау айырбастары, ADC конфигурациясы және осы әртүрлі айнымалылар жүйенің жалпы дәлдігіне қалай әсер етеді.Осы сериядағы келесі мақала мақсатты өнімділікке жету үшін жүйе дизайнын және жалпы жүйе қатесі бюджетін қалай оңтайландыру керектігін түсіндіреді.
Жіберу уақыты: 30 қыркүйек 2022 ж