Ini adalah artikel pertama dalam seri dua bagian. Artikel ini pertama -tama akan membahas tantangan sejarah dan desainSuhu berbasis termistorSistem pengukuran, serta perbandingannya dengan sistem pengukuran suhu resistansi termometer (RTD). Ini juga akan menggambarkan pilihan termistor, trade-off konfigurasi, dan pentingnya konverter analog-ke-digital Sigma-Delta (ADC) di area aplikasi ini. Artikel kedua akan merinci cara mengoptimalkan dan mengevaluasi sistem pengukuran berbasis termistor akhir.
Seperti yang dijelaskan dalam seri artikel sebelumnya, mengoptimalkan sistem sensor suhu RTD, RTD adalah resistor yang resistansinya bervariasi dengan suhu. Termistor bekerja mirip dengan RTDS. Tidak seperti RTDS, yang hanya memiliki koefisien suhu positif, termistor dapat memiliki koefisien suhu positif atau negatif. Termistor koefisien suhu negatif (NTC) mengurangi resistensi mereka saat suhu naik, sementara termistor koefisien suhu positif (PTC) meningkatkan resistensi mereka saat suhu naik. Pada gbr. 1 menunjukkan karakteristik respons termistor NTC dan PTC khas dan membandingkannya dengan kurva RTD.
Dalam hal kisaran suhu, kurva RTD hampir linier, dan sensor mencakup kisaran suhu yang jauh lebih luas daripada termistor (biasanya -200 ° C hingga +850 ° C) karena sifat termistor non -linear (eksponensial). RTD biasanya disediakan dalam kurva standar yang terkenal, sedangkan kurva termistor bervariasi berdasarkan produsen. Kami akan membahas hal ini secara rinci di bagian Panduan Pemilihan Thermistor dari artikel ini.
Termistor terbuat dari bahan komposit, biasanya keramik, polimer, atau semikonduktor (biasanya logam oksida) dan logam murni (platinum, nikel, atau tembaga). Termistor dapat mendeteksi perubahan suhu lebih cepat dari RTD, memberikan umpan balik yang lebih cepat. Oleh karena itu, termistor umumnya digunakan oleh sensor dalam aplikasi yang membutuhkan biaya rendah, ukuran kecil, respons lebih cepat, sensitivitas yang lebih tinggi, dan kisaran suhu terbatas, seperti kontrol elektronik, kontrol rumah dan bangunan, laboratorium ilmiah, atau kompensasi persimpangan dingin untuk termokopel dalam aplikasi komersial atau industri. tujuan. Aplikasi.
Dalam kebanyakan kasus, termistor NTC digunakan untuk pengukuran suhu yang akurat, bukan termistor PTC. Beberapa termistor PTC tersedia yang dapat digunakan di sirkuit perlindungan arus berlebih atau sekering yang dapat disukainya untuk aplikasi keselamatan. Kurva suhu resistansi dari termistor PTC menunjukkan daerah NTC yang sangat kecil sebelum mencapai titik sakelar (atau titik curie), di atasnya resistansi naik tajam dengan beberapa pesanan besarnya dalam kisaran beberapa derajat Celcius. Dalam kondisi arus berlebih, termistor PTC akan menghasilkan pemanasan diri yang kuat ketika suhu switching terlampaui, dan resistance akan meningkat tajam, yang akan mengurangi arus input ke sistem, sehingga mencegah kerusakan. Titik switching termistor PTC biasanya antara 60 ° C dan 120 ° C dan tidak cocok untuk mengendalikan pengukuran suhu dalam berbagai aplikasi. Artikel ini berfokus pada termistor NTC, yang biasanya dapat mengukur atau memantau suhu mulai dari -80 ° C hingga +150 ° C. Termistor NTC memiliki peringkat resistansi mulai dari beberapa ohm hingga 10 mΩ pada 25 ° C. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, perubahan resistansi per derajat Celcius untuk termistor lebih jelas daripada untuk termometer resistansi. Dibandingkan dengan termistor, sensitivitas tinggi termistor dan nilai resistansi tinggi menyederhanakan sirkuit inputnya, karena termistor tidak memerlukan konfigurasi kabel khusus, seperti 3-kawat atau 4-kawat, untuk mengkompensasi resistensi timbal. Desain Thermistor hanya menggunakan konfigurasi 2-kawat sederhana.
Pengukuran suhu berbasis termistor presisi tinggi membutuhkan pemrosesan sinyal yang tepat, konversi analog-ke-digital, linierisasi, dan kompensasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.
Meskipun rantai sinyal mungkin tampak sederhana, ada beberapa kompleksitas yang mempengaruhi ukuran, biaya, dan kinerja seluruh motherboard. Portofolio ADC Precision ADI mencakup beberapa solusi terintegrasi, seperti AD7124-4/AD7124-8, yang memberikan sejumlah keunggulan untuk desain sistem termal karena sebagian besar blok bangunan yang diperlukan untuk aplikasi adalah built-in. Namun, ada berbagai tantangan dalam merancang dan mengoptimalkan solusi pengukuran suhu berbasis termistor.
Artikel ini membahas masing -masing masalah ini dan memberikan rekomendasi untuk menyelesaikannya dan semakin menyederhanakan proses desain untuk sistem tersebut.
Ada berbagai macamTermistor NTCDi pasaran saat ini, jadi memilih termistor yang tepat untuk aplikasi Anda bisa menjadi tugas yang menakutkan. Perhatikan bahwa termistor terdaftar berdasarkan nilai nominal, yang merupakan resistensi nominal pada 25 ° C. Oleh karena itu, termistor 10 kΩ memiliki resistansi nominal 10 kΩ pada 25 ° C. Termistor memiliki nilai resistansi nominal atau dasar mulai dari beberapa ohm hingga 10 MΩ. Termistor dengan peringkat resistansi rendah (resistansi nominal 10 kΩ atau kurang) biasanya mendukung rentang suhu yang lebih rendah, seperti -50 ° C hingga +70 ° C. Termistor dengan peringkat resistansi yang lebih tinggi dapat menahan suhu hingga 300 ° C.
Elemen termistor terbuat dari logam oksida. Termistor tersedia dalam bentuk bola, radial dan SMD. Manik -manik termistor dilapisi epoksi atau kaca yang dienkapsulasi untuk perlindungan tambahan. Termistor bola berlapis epoksi, termistor radial dan permukaan cocok untuk suhu hingga 150 ° C. Termistor manik kaca cocok untuk mengukur suhu tinggi. Semua jenis pelapis/kemasan juga melindungi terhadap korosi. Beberapa termistor juga akan memiliki rumah tambahan untuk perlindungan tambahan di lingkungan yang keras. Termistor manik memiliki waktu respons yang lebih cepat daripada termistor radial/SMD. Namun, mereka tidak tahan lama. Oleh karena itu, jenis termistor yang digunakan tergantung pada aplikasi akhir dan lingkungan di mana termistor berada. Stabilitas jangka panjang termistor tergantung pada bahan, pengemasan, dan desainnya. Misalnya, termistor NTC yang dilapisi epoksi dapat berubah 0,2 ° C per tahun, sedangkan termistor tertutup hanya berubah 0,02 ° C per tahun.
Termistor datang dalam akurasi yang berbeda. Termistor standar biasanya memiliki akurasi 0,5 ° C hingga 1,5 ° C. Peringkat resistansi termistor dan nilai beta (rasio 25 ° C hingga 50 ° C/85 ° C) memiliki toleransi. Perhatikan bahwa nilai beta termistor bervariasi berdasarkan produsen. Misalnya, termistor NTC 10 kΩ dari produsen yang berbeda akan memiliki nilai beta yang berbeda. Untuk sistem yang lebih akurat, termistor seperti seri Omega ™ 44XXX dapat digunakan. Mereka memiliki akurasi 0,1 ° C atau 0,2 ° C pada kisaran suhu 0 ° C hingga 70 ° C. Oleh karena itu, kisaran suhu yang dapat diukur dan keakuratan yang diperlukan selama kisaran suhu menentukan apakah termistor cocok untuk aplikasi ini. Harap dicatat bahwa semakin tinggi keakuratan seri Omega 44xxx, semakin tinggi biayanya.
Untuk mengonversi resistensi ke derajat Celcius, nilai beta biasanya digunakan. Nilai beta ditentukan dengan mengetahui dua titik suhu dan resistansi yang sesuai pada setiap titik suhu.
RT1 = Resistansi Suhu 1 RT2 = Resistansi Suhu 2 T1 = Suhu 1 (k) T2 = Suhu 2 (k)
Pengguna menggunakan nilai beta yang paling dekat dengan kisaran suhu yang digunakan dalam proyek. Sebagian besar lembar data termistor mencantumkan nilai beta bersama dengan toleransi resistensi pada 25 ° C dan toleransi untuk nilai beta.
Termistor presisi yang lebih tinggi dan solusi terminasi presisi tinggi seperti seri Omega 44xxx menggunakan persamaan Steinhart-Hart untuk mengubah resistansi menjadi derajat Celcius. Persamaan 2 membutuhkan tiga konstanta A, B, dan C, sekali lagi disediakan oleh produsen sensor. Karena koefisien persamaan dihasilkan menggunakan tiga titik suhu, persamaan yang dihasilkan meminimalkan kesalahan yang diperkenalkan oleh linierisasi (biasanya 0,02 ° C).
A, B dan C adalah konstanta yang berasal dari tiga setpoint suhu. R = resistansi termistor dalam ohm t = suhu dalam derajat k
Pada gbr. 3 menunjukkan eksitasi sensor saat ini. Arus penggerak diterapkan pada termistor dan arus yang sama diterapkan pada resistor presisi; Resistor presisi digunakan sebagai referensi untuk pengukuran. Nilai resistor referensi harus lebih besar dari atau sama dengan nilai tertinggi dari resistansi termistor (tergantung pada suhu terendah yang diukur dalam sistem).
Saat memilih arus eksitasi, resistansi maksimum termistor harus diperhitungkan kembali. Ini memastikan bahwa tegangan melintasi sensor dan resistor referensi selalu pada tingkat yang dapat diterima oleh elektronik. Sumber arus bidang membutuhkan beberapa ruang kepala atau pencocokan output. Jika termistor memiliki resistansi tinggi pada suhu terendah yang dapat diukur, ini akan menghasilkan arus penggerak yang sangat rendah. Oleh karena itu, tegangan yang dihasilkan melintasi termistor pada suhu tinggi adalah kecil. Tahap gain yang dapat diprogram dapat digunakan untuk mengoptimalkan pengukuran sinyal tingkat rendah ini. Namun, gain harus diprogram secara dinamis karena tingkat sinyal dari termistor sangat bervariasi dengan suhu.
Pilihan lain adalah mengatur gain tetapi menggunakan arus drive dinamis. Oleh karena itu, karena tingkat sinyal dari perubahan termistor, nilai arus drive berubah secara dinamis sehingga tegangan yang dikembangkan di seluruh termistor berada dalam kisaran input yang ditentukan dari perangkat elektronik. Pengguna harus memastikan bahwa tegangan yang dikembangkan di seluruh resistor referensi juga pada tingkat yang dapat diterima oleh elektronik. Kedua opsi membutuhkan tingkat kontrol yang tinggi, pemantauan konstan dari tegangan di seluruh termistor sehingga elektronik dapat mengukur sinyal. Apakah ada pilihan yang lebih mudah? Pertimbangkan eksitasi tegangan.
Ketika tegangan DC diterapkan pada termistor, arus melalui termistor secara otomatis menskala saat resistansi termistor berubah. Sekarang, menggunakan resistor pengukur presisi alih -alih resistor referensi, tujuannya adalah untuk menghitung arus yang mengalir melalui termistor, sehingga memungkinkan resistansi termistor dihitung. Karena tegangan drive juga digunakan sebagai sinyal referensi ADC, tidak diperlukan tahap gain. Prosesor tidak memiliki pekerjaan memantau tegangan termistor, menentukan apakah level sinyal dapat diukur dengan elektronik, dan menghitung nilai gain/arus apa yang perlu disesuaikan. Ini adalah metode yang digunakan dalam artikel ini.
Jika termistor memiliki peringkat resistansi kecil dan rentang resistansi, tegangan atau eksitasi arus dapat digunakan. Dalam hal ini, arus drive dan gain dapat diperbaiki. Dengan demikian, sirkuit akan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Metode ini nyaman karena dimungkinkan untuk mengontrol arus melalui sensor dan resistor referensi, yang berharga dalam aplikasi daya rendah. Selain itu, pemanasan diri termistor diminimalkan.
Eksitasi tegangan juga dapat digunakan untuk termistor dengan peringkat resistansi rendah. Namun, pengguna harus selalu memastikan bahwa arus melalui sensor tidak terlalu tinggi untuk sensor atau aplikasi.
Eksitasi tegangan menyederhanakan implementasi saat menggunakan termistor dengan peringkat resistansi yang besar dan kisaran suhu yang luas. Resistensi nominal yang lebih besar memberikan tingkat arus pengenal yang dapat diterima. Namun, desainer perlu memastikan bahwa arus berada pada level yang dapat diterima pada seluruh kisaran suhu yang didukung oleh aplikasi.
Sigma-Delta ADC menawarkan beberapa keuntungan saat merancang sistem pengukuran termistor. Pertama, karena Sigma-Delta ADC memutar ulang input analog, penyaringan eksternal dijaga seminimal mungkin dan satu-satunya persyaratan adalah filter RC sederhana. Mereka memberikan fleksibilitas dalam jenis filter dan laju baud output. Penyaringan digital bawaan dapat digunakan untuk menekan gangguan pada perangkat bertenaga listrik. Perangkat 24-bit seperti AD7124-4/AD7124-8 memiliki resolusi penuh hingga 21,7 bit, sehingga mereka memberikan resolusi tinggi.
Penggunaan Sigma-Delta ADC sangat menyederhanakan desain termistor sambil mengurangi spesifikasi, biaya sistem, ruang papan, dan waktu untuk memasarkan.
Artikel ini menggunakan AD7124-4/AD7124-8 sebagai ADC karena mereka rendah noise, arus rendah, ADC presisi dengan PGA bawaan, referensi bawaan, input analog, dan buffer referensi.
Terlepas dari apakah Anda menggunakan arus drive atau tegangan drive, konfigurasi rasiometrik direkomendasikan di mana tegangan referensi dan tegangan sensor berasal dari sumber drive yang sama. Ini berarti bahwa setiap perubahan dalam sumber eksitasi tidak akan mempengaruhi keakuratan pengukuran.
Pada gbr. 5 menunjukkan arus penggerak konstan untuk RREF termistor dan resistor presisi, tegangan yang dikembangkan di RREF adalah tegangan referensi untuk mengukur termistor.
Arus bidang tidak perlu akurat dan mungkin kurang stabil karena kesalahan dalam arus bidang akan dihilangkan dalam konfigurasi ini. Secara umum, eksitasi saat ini lebih disukai daripada eksitasi tegangan karena kontrol sensitivitas yang unggul dan kekebalan kebisingan yang lebih baik ketika sensor terletak di lokasi terpencil. Jenis metode bias ini biasanya digunakan untuk RTD atau termistor dengan nilai resistansi rendah. Namun, untuk termistor dengan nilai resistansi yang lebih tinggi dan sensitivitas yang lebih tinggi, level sinyal yang dihasilkan oleh setiap perubahan suhu akan lebih besar, sehingga eksitasi tegangan digunakan. Misalnya, termistor 10 kΩ memiliki resistansi 10 kΩ pada 25 ° C. Pada -50 ° C, resistansi termistor NTC adalah 441.117 kΩ. Arus penggerak minimum 50 µA yang disediakan oleh AD7124-4/AD7124-8 menghasilkan 441.117 kΩ × 50 μA = 22 V, yang terlalu tinggi dan di luar kisaran operasi dari sebagian besar ADC yang tersedia yang digunakan di area aplikasi ini. Termistor juga biasanya terhubung atau terletak di dekat elektronik, sehingga kekebalan untuk mendorong arus tidak diperlukan.
Menambahkan Sense Resistor secara seri sebagai sirkuit pembagi tegangan akan membatasi arus melalui termistor ke nilai resistansi minimumnya. Dalam konfigurasi ini, nilai rsense resistor indera harus sama dengan nilai resistansi termistor pada suhu referensi 25 ° C, sehingga tegangan output akan sama dengan titik tengah tegangan referensi pada suhu nominalnya 25 ° CC yang sama, jika termistor 10 kΩ. Ketika suhu berubah, resistansi termistor NTC juga berubah, dan rasio tegangan penggerak di seluruh termistor juga berubah, menghasilkan tegangan output yang sebanding dengan resistansi termistor NTC.
Jika referensi tegangan yang dipilih yang digunakan untuk memberi daya pada termistor dan/atau rsense cocok dengan tegangan referensi ADC yang digunakan untuk pengukuran, sistem diatur ke pengukuran rasiometrik (Gambar 7) sehingga setiap sumber tegangan kesalahan terkait eksitasi akan bias untuk dihapus.
Perhatikan bahwa resistor indera (digerakkan tegangan) atau resistor referensi (digerakkan arus) harus memiliki toleransi awal yang rendah dan penyimpangan rendah, karena kedua variabel dapat mempengaruhi akurasi seluruh sistem.
Saat menggunakan beberapa termistor, satu tegangan eksitasi dapat digunakan. Namun, masing -masing termistor harus memiliki resistor indra presisi sendiri, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8. Opsi lain adalah menggunakan multiplexer eksternal atau sakelar resistansi rendah dalam keadaan ON, yang memungkinkan berbagi satu resistor indra presisi. Dengan konfigurasi ini, masing -masing termistor membutuhkan waktu penyelesaian saat diukur.
Singkatnya, ketika merancang sistem pengukuran suhu berbasis termistor, ada banyak pertanyaan yang perlu dipertimbangkan: pemilihan sensor, kabel sensor, trade-off pemilihan komponen, konfigurasi ADC, dan bagaimana berbagai variabel ini mempengaruhi akurasi keseluruhan sistem. Artikel berikutnya dalam seri ini menjelaskan cara mengoptimalkan desain sistem Anda dan keseluruhan anggaran kesalahan sistem untuk mencapai kinerja target Anda.
Waktu pos: Sep-30-2022