Bu, iki hissədən ibarət seriyanın ilk məqaləsidir.Bu məqalədə əvvəlcə onun tarixi və dizayn problemləri müzakirə olunacaqtermistor əsaslı temperaturölçmə sistemləri, habelə onların müqavimət termometri (RTD) temperatur ölçmə sistemləri ilə müqayisəsi.O, həmçinin termistorun seçimini, konfiqurasiyanın uyğunlaşmasını və bu tətbiq sahəsində sigma-delta analoqdan rəqəmsal çeviricilərin (ADC) əhəmiyyətini təsvir edəcəkdir.İkinci məqalədə son termistor əsaslı ölçmə sisteminin necə optimallaşdırılması və qiymətləndirilməsi ətraflı izah ediləcək.
Əvvəlki məqalə seriyasında təsvir edildiyi kimi, RTD Temperatur Sensor Sistemlərinin Optimizasiyası, RTD müqaviməti temperaturla dəyişən bir rezistordur.Termistorlar RTD-lərə bənzər şəkildə işləyir.Yalnız müsbət temperatur əmsalı olan RTD-lərdən fərqli olaraq, bir termistor müsbət və ya mənfi temperatur əmsalı ola bilər.Mənfi temperatur əmsalı (NTC) termistorlar temperatur yüksəldikcə müqavimətlərini azaldır, müsbət temperatur əmsalı (PTC) isə temperatur yüksəldikcə müqavimətini artırır.Əncirdə.Şəkil 1 tipik NTC və PTC termistorlarının cavab xüsusiyyətlərini göstərir və onları RTD əyriləri ilə müqayisə edir.
Temperatur diapazonu baxımından RTD əyrisi demək olar ki, xəttidir və termistorun qeyri-xətti (eksponensial) təbiətinə görə sensor termistorlardan (adətən -200°C-dən +850°C-ə qədər) daha geniş temperatur diapazonunu əhatə edir.RTD-lər adətən tanınmış standartlaşdırılmış əyrilərdə verilir, termistor əyriləri isə istehsalçıya görə dəyişir.Bunu bu məqalənin termistor seçim təlimatı bölməsində ətraflı müzakirə edəcəyik.
Termistorlar kompozit materiallardan, adətən keramikadan, polimerlərdən və ya yarımkeçiricilərdən (adətən metal oksidləri) və təmiz metallardan (platin, nikel və ya mis) hazırlanır.Termistorlar temperatur dəyişikliklərini RTD-lərə nisbətən daha sürətli aşkarlaya bilir və daha sürətli rəy təmin edir.Buna görə də, termistorlar adətən elektronika nəzarəti, ev və bina nəzarəti, elmi laboratoriyalar və ya ticarətdə termocütlər üçün soyuq keçid kompensasiyası kimi aşağı qiymət, kiçik ölçü, daha sürətli reaksiya, yüksək həssaslıq və məhdud temperatur diapazonu tələb edən tətbiqlərdə sensorlar tərəfindən istifadə olunur. və ya sənaye tətbiqləri.məqsədləri.Tətbiqlər.
Əksər hallarda, PTC termistorları deyil, dəqiq temperaturun ölçülməsi üçün NTC termistorları istifadə olunur.Həddindən artıq cərəyandan qorunma sxemlərində və ya təhlükəsizlik tətbiqləri üçün yenidən qurulan qoruyucu kimi istifadə edilə bilən bəzi PTC termistorları mövcuddur.PTC termistorunun müqavimət-temperatur əyrisi keçid nöqtəsinə (və ya Küri nöqtəsinə) çatmazdan əvvəl çox kiçik bir NTC bölgəsini göstərir, bunun üstündə müqavimət bir neçə dərəcə Selsi diapazonunda bir neçə böyüklük dərəcəsi ilə kəskin şəkildə yüksəlir.Həddindən artıq cərəyan şəraitində, keçid temperaturu keçdikdə PTC termistoru güclü özünü qızdıracaq və müqaviməti kəskin şəkildə yüksələcək, bu da sistemə daxil olan cərəyanı azaldacaq və bununla da zədələnmənin qarşısını alacaqdır.PTC termistorlarının keçid nöqtəsi adətən 60°C ilə 120°C arasındadır və geniş tətbiqlərdə temperatur ölçmələrinə nəzarət etmək üçün uyğun deyil.Bu məqalə adətən -80°C ilə +150°C arasında dəyişən temperaturları ölçə və ya nəzarət edə bilən NTC termistorlarına diqqət yetirir.NTC termistorları 25°C-də bir neçə ohmdan 10 MΩ-a qədər müqavimət dərəcələrinə malikdir.Şəkildə göstərildiyi kimi.Şəkil 1, termistorlar üçün dərəcə Selsi üzrə müqavimətin dəyişməsi müqavimət termometrlərinə nisbətən daha aydındır.Termistorlarla müqayisədə termistorun yüksək həssaslığı və yüksək müqavimət dəyəri onun giriş dövrəsini sadələşdirir, çünki termistorlar qurğuşun müqavimətini kompensasiya etmək üçün 3 telli və ya 4 naqilli kimi xüsusi naqillərin konfiqurasiyasına ehtiyac duymur.Termistor dizaynı yalnız sadə 2 telli konfiqurasiyadan istifadə edir.
Yüksək dəqiqlikli termistor əsaslı temperaturun ölçülməsi Şəkil 1-də göstərildiyi kimi siqnalın dəqiq işlənməsini, analoqdan rəqəmə çevrilməsini, xəttiləşdirməni və kompensasiyanı tələb edir.2.
Siqnal zənciri sadə görünsə də, bütün anakartın ölçüsünə, dəyərinə və performansına təsir edən bir neçə mürəkkəblik var.ADI-nin dəqiq ADC portfelinə AD7124-4/AD7124-8 kimi bir neçə inteqrasiya olunmuş həllər daxildir ki, bu da istilik sisteminin dizaynı üçün bir sıra üstünlüklər təmin edir, çünki proqram üçün lazım olan tikinti bloklarının əksəriyyəti quraşdırılmışdır.Bununla belə, termistor əsasında temperatur ölçmə həllərinin layihələndirilməsi və optimallaşdırılmasında müxtəlif problemlər mövcuddur.
Bu məqalədə bu məsələlərin hər biri müzakirə edilir və onların həlli və bu cür sistemlərin dizayn prosesinin daha da sadələşdirilməsi üçün tövsiyələr verilir.
Geniş çeşidi varNTC termistorlarıbu gün bazarda, ona görə də tətbiqiniz üçün düzgün termistor seçmək çətin bir iş ola bilər.Qeyd edək ki, termistorlar 25 ° C-də nominal müqaviməti olan nominal dəyəri ilə siyahıya alınır.Buna görə, 10 kΩ termistorun 25 ° C-də 10 kΩ nominal müqaviməti var.Termistorlar bir neçə ohmdan 10 MΩ-a qədər dəyişən nominal və ya əsas müqavimət dəyərlərinə malikdir.Aşağı müqavimət dərəcələrinə malik termistorlar (nominal müqavimət 10 kΩ və ya daha az) adətən -50°C ilə +70°C kimi aşağı temperatur diapazonlarını dəstəkləyir.Müqaviməti daha yüksək olan termistorlar 300°C-ə qədər olan temperaturlara davam edə bilər.
Termistor elementi metal oksiddən hazırlanmışdır.Termistorlar top, radial və SMD formalarında mövcuddur.Termistor muncuqları əlavə qorunma üçün epoksi örtüklü və ya şüşə ilə örtülmüşdür.Epoksi örtüklü top termistorlar, radial və səth termistorları 150°C-ə qədər olan temperaturlara uyğundur.Şüşə boncuklu termistorlar yüksək temperaturun ölçülməsi üçün uygundur.Bütün növ örtüklər/qablaşdırmalar həmçinin korroziyadan qoruyur.Bəzi termistorlarda sərt mühitlərdə əlavə qorunma üçün əlavə korpuslar da olacaq.Muncuqlu termistorlar radial/SMD termistorlarına nisbətən daha sürətli cavab verir.Bununla belə, onlar o qədər də davamlı deyillər.Buna görə də, istifadə olunan termistorun növü son tətbiqdən və termistorun yerləşdiyi mühitdən asılıdır.Termistorun uzunmüddətli dayanıqlığı onun materialından, qablaşdırmasından və dizaynından asılıdır.Məsələn, epoksi örtüklü NTC termistoru ildə 0,2°C dəyişə bilər, möhürlənmiş termistor isə ildə yalnız 0,02°C dəyişir.
Termistorlar fərqli dəqiqliklə gəlir.Standart termistorlar adətən 0,5°C ilə 1,5°C arasında dəqiqliyə malikdir.Termistorun müqavimət reytinqi və beta dəyəri (25°C ilə 50°C/85°C nisbəti) tolerantlığa malikdir.Qeyd edək ki, termistorun beta dəyəri istehsalçıya görə dəyişir.Məsələn, müxtəlif istehsalçıların 10 kΩ NTC termistorları fərqli beta dəyərlərinə malik olacaqlar.Daha dəqiq sistemlər üçün Omega™ 44xxx seriyası kimi termistorlar istifadə edilə bilər.Onlar 0°C-dən 70°C-ə qədər olan temperatur intervalında 0.1°C və ya 0.2°C dəqiqliyə malikdirlər.Buna görə də, ölçülə bilən temperatur diapazonu və bu temperatur diapazonunda tələb olunan dəqiqlik termistorların bu tətbiq üçün uyğun olub olmadığını müəyyən edir.Nəzərə alın ki, Omega 44xxx seriyasının dəqiqliyi nə qədər yüksəkdirsə, qiymət də bir o qədər yüksəkdir.
Müqaviməti Selsi dərəcəsinə çevirmək üçün adətən beta dəyərindən istifadə olunur.Beta dəyəri iki temperatur nöqtəsini və hər bir temperatur nöqtəsində müvafiq müqaviməti bilməklə müəyyən edilir.
RT1 = Temperatur müqaviməti 1 RT2 = Temperatur müqaviməti 2 T1 = Temperatur 1 (K) T2 = Temperatur 2 (K)
İstifadəçi layihədə istifadə olunan temperatur diapazonuna ən yaxın beta dəyərindən istifadə edir.Əksər termistor məlumat vərəqlərində 25°C-də müqavimət tolerantlığı və beta dəyəri üçün tolerantlıq ilə birlikdə beta dəyəri göstərilir.
Daha yüksək dəqiqlikli termistorlar və Omega 44xxx seriyası kimi yüksək dəqiqlikli sonlandırma həlləri müqaviməti Selsi dərəcəsinə çevirmək üçün Steinhart-Hart tənliyindən istifadə edir.Tənlik 2 yenidən sensor istehsalçısı tərəfindən təmin edilən üç sabit A, B və C tələb edir.Tənlik əmsalları üç temperatur nöqtəsindən istifadə etməklə yaradıldığından, nəticədə yaranan tənlik xəttiləşdirmə (adətən 0,02 °C) tərəfindən verilən xətanı minimuma endirir.
A, B və C üç temperatur təyin nöqtəsindən əldə edilən sabitlərdir.R = ohm-da termistorun müqaviməti T = K dərəcədə temperatur
Əncirdə.3 sensorun cari həyəcanını göstərir.Sürücü cərəyanı termistora tətbiq edilir və eyni cərəyan dəqiq rezistora tətbiq olunur;Ölçmə üçün istinad kimi dəqiq rezistor istifadə olunur.İstinad rezistorunun dəyəri termistor müqavimətinin ən yüksək dəyərindən çox və ya ona bərabər olmalıdır (sistemdə ölçülən ən aşağı temperaturdan asılı olaraq).
Həyəcan cərəyanını seçərkən, termistorun maksimum müqaviməti yenidən nəzərə alınmalıdır.Bu, sensor və istinad rezistoru üzərindəki gərginliyin həmişə elektronika üçün məqbul səviyyədə olmasını təmin edir.Sahə cərəyanı mənbəyi müəyyən boşluq və ya çıxış uyğunluğu tələb edir.Termistorun ölçülə bilən ən aşağı temperaturda yüksək müqaviməti varsa, bu, çox aşağı sürücü cərəyanına səbəb olacaqdır.Buna görə də, yüksək temperaturda termistorda yaranan gərginlik kiçikdir.Proqramlaşdırıla bilən qazanc mərhələləri bu aşağı səviyyəli siqnalların ölçülməsini optimallaşdırmaq üçün istifadə edilə bilər.Bununla belə, qazanc dinamik olaraq proqramlaşdırılmalıdır, çünki termistordan gələn siqnal səviyyəsi temperaturla çox dəyişir.
Başqa bir seçim qazancı təyin etmək, lakin dinamik sürücü cərəyanından istifadə etməkdir.Buna görə də, termistordan gələn siqnal səviyyəsi dəyişdikcə, sürücü cərəyanının dəyəri dinamik olaraq dəyişir ki, termistorda yaranan gərginlik elektron cihazın müəyyən edilmiş giriş diapazonunda olsun.İstifadəçi istinad rezistorunda yaranan gərginliyin də elektronika üçün məqbul səviyyədə olmasını təmin etməlidir.Hər iki variant yüksək səviyyəli nəzarət, elektronikanın siqnalı ölçə bilməsi üçün termistorda gərginliyin daimi monitorinqini tələb edir.Daha asan variant varmı?Gərginlik həyəcanını nəzərdən keçirin.
Termistora DC gərginliyi tətbiq edildikdə, termistorun müqaviməti dəyişdikcə termistordan keçən cərəyan avtomatik olaraq miqyaslanır.İndi, istinad rezistoru əvəzinə dəqiq ölçmə rezistorundan istifadə edərək, onun məqsədi termistordan keçən cərəyanı hesablamaqdır və beləliklə, termistor müqavimətini hesablamağa imkan verir.Sürücü gərginliyi həm də ADC istinad siqnalı kimi istifadə edildiyi üçün qazanc mərhələsi tələb olunmur.Prosessorun termistorun gərginliyini izləmək, siqnal səviyyəsinin elektronika tərəfindən ölçülə biləcəyini müəyyən etmək və hansı sürücü qazancının/cari dəyərinin tənzimlənməsi lazım olduğunu hesablamaq işi yoxdur.Bu məqalədə istifadə olunan üsul budur.
Termistorun kiçik bir müqavimət dərəcəsi və müqavimət diapazonu varsa, gərginlik və ya cərəyan həyəcanlandırması istifadə edilə bilər.Bu halda, sürücü cərəyanı və qazanc sabitlənə bilər.Beləliklə, dövrə Şəkil 3-də göstərildiyi kimi olacaq. Bu üsul rahatdır ki, aşağı güc tətbiqlərində qiymətli olan sensor və istinad rezistoru vasitəsilə cərəyanı idarə etmək mümkündür.Bundan əlavə, termistorun özünü qızdırması minimuma endirilir.
Gərginlik həyəcanlandırması aşağı müqavimət dərəcələri olan termistorlar üçün də istifadə edilə bilər.Bununla belə, istifadəçi həmişə sensordan keçən cərəyanın sensor və ya tətbiq üçün çox yüksək olmadığını təmin etməlidir.
Gərginlik həyəcanı, böyük müqavimət dərəcəsi və geniş temperatur diapazonu olan bir termistordan istifadə edərkən həyata keçirilməsini asanlaşdırır.Daha böyük nominal müqavimət, nominal cərəyanın məqbul səviyyəsini təmin edir.Bununla belə, dizaynerlər cərəyanın tətbiq tərəfindən dəstəklənən bütün temperatur aralığında məqbul səviyyədə olmasını təmin etməlidirlər.
Sigma-Delta ADC-lər termistor ölçmə sistemini tərtib edərkən bir sıra üstünlüklər təklif edir.Birincisi, sigma-delta ADC analoq girişi yenidən nümunələşdirdiyi üçün xarici filtrləmə minimuma endirilir və yeganə tələb sadə RC filtridir.Onlar filtr tipində və çıxış ötürmə sürətində çeviklik təmin edir.Daxili rəqəmsal filtrləmə elektrik enerjisi ilə işləyən cihazlarda hər hansı bir müdaxilənin qarşısını almaq üçün istifadə edilə bilər.AD7124-4/AD7124-8 kimi 24 bitlik qurğular 21,7 bitə qədər tam ayırdetmə qabiliyyətinə malikdir, buna görə də yüksək ayırdetmə təmin edir.
Siqma-delta ADC-nin istifadəsi spesifikasiyanı, sistemin qiymətini, lövhənin yerini və bazara çıxma vaxtını azaldaraq, termistor dizaynını xeyli asanlaşdırır.
Bu məqalədə AD7124-4/AD7124-8-dən ADC kimi istifadə olunur, çünki onlar aşağı səs-küy, aşağı cərəyan, daxili PGA, daxili istinad, analoq giriş və istinad buferi olan dəqiq ADC-lərdir.
Sürücü cərəyanından və ya sürücü gərginliyindən istifadə etməyinizdən asılı olmayaraq, istinad gərginliyi və sensor gərginliyinin eyni sürücü mənbəyindən gəldiyi nisbətli konfiqurasiya tövsiyə olunur.Bu o deməkdir ki, həyəcan mənbəyində hər hansı bir dəyişiklik ölçmənin düzgünlüyünə təsir göstərməyəcəkdir.
Əncirdə.Şəkil 5 termistor və dəqiq rezistor RREF üçün sabit sürücü cərəyanını göstərir, RREF üzərində işlənmiş gərginlik termistorun ölçülməsi üçün istinad gərginliyidir.
Sahə cərəyanının dəqiq olmasına ehtiyac yoxdur və daha az sabit ola bilər, çünki bu konfiqurasiyada sahə cərəyanındakı hər hansı səhvlər aradan qaldırılacaqdır.Ümumiyyətlə, sensor uzaq yerlərdə yerləşdiyi zaman üstün həssaslıq nəzarəti və daha yaxşı səs-küy toxunulmazlığı səbəbindən cərəyan həyəcanlandırması gərginlik həyəcanına üstünlük verilir.Bu tip bias metodu adətən aşağı müqavimət dəyərləri olan RTD və ya termistorlar üçün istifadə olunur.Bununla belə, daha yüksək müqavimət dəyəri və daha yüksək həssaslıq olan bir termistor üçün hər bir temperatur dəyişikliyi ilə yaranan siqnal səviyyəsi daha böyük olacaq, buna görə də gərginlik həyəcanlandırması istifadə olunur.Məsələn, 10 kΩ termistorun 25 ° C-də 10 kΩ müqaviməti var.-50 ° C-də NTC termistorunun müqaviməti 441,117 kΩ təşkil edir.AD7124-4/AD7124-8 tərəfindən təmin edilən 50 µA minimum sürücü cərəyanı 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V yaradır ki, bu da çox yüksəkdir və bu tətbiq sahəsində istifadə olunan əksər mövcud ADC-lərin işləmə diapazonundan kənardadır.Termistorlar da adətən bağlıdır və ya elektronikanın yaxınlığında yerləşir, buna görə də cərəyanı idarə etmək üçün toxunulmazlıq tələb olunmur.
Gərginlik bölücü dövrə kimi ardıcıl olaraq hiss rezistorunun əlavə edilməsi termistordan keçən cərəyanı minimum müqavimət dəyərinə qədər məhdudlaşdıracaq.Bu konfiqurasiyada RSENSE həssas rezistorunun dəyəri 25°C istinad temperaturunda termistor müqavimətinin dəyərinə bərabər olmalıdır ki, çıxış gərginliyi onun nominal temperaturunda istinad gərginliyinin orta nöqtəsinə bərabər olsun. 25°CC Eynilə, 25°C-də müqaviməti 10 kΩ olan 10 kΩ termistor istifadə edilərsə, RSENSE 10 kΩ olmalıdır.Temperatur dəyişdikcə NTC termistorunun müqaviməti də dəyişir və termistorda ötürücü gərginliyin nisbəti də dəyişir, nəticədə çıxış gərginliyi NTC termistorunun müqaviməti ilə mütənasib olur.
Termistoru və/və ya RSENSE-i gücləndirmək üçün istifadə edilən seçilmiş gərginlik arayışı ölçmə üçün istifadə olunan ADC istinad gərginliyinə uyğun gəlirsə, sistem ratsional ölçmə rejiminə (Şəkil 7) qoyulur ki, hər hansı həyəcanlanma ilə bağlı xəta gərginliyi mənbəyi silinəcək.
Nəzərə alın ki, ya hiss rezistoru (gərginliklə idarə olunan) və ya istinad rezistoru (cari idarə olunan) aşağı ilkin tolerantlığa və aşağı sürüşməyə malik olmalıdır, çünki hər iki dəyişən bütün sistemin düzgünlüyünə təsir göstərə bilər.
Birdən çox termistordan istifadə edərkən bir həyəcan gərginliyi istifadə edilə bilər.Bununla belə, hər bir termistorun Şəkildə göstərildiyi kimi öz dəqiq hiss rezistoru olmalıdır.8. Başqa bir seçim açıq vəziyyətdə xarici multipleksordan və ya aşağı müqavimətli açardan istifadə etməkdir ki, bu da bir dəqiq hiss rezistorunu paylaşmağa imkan verir.Bu konfiqurasiya ilə hər bir termistor ölçüldükdə müəyyən vaxta ehtiyac duyur.
Xülasə, termistora əsaslanan temperatur ölçmə sistemini tərtib edərkən nəzərə alınmalı olan bir çox sual var: sensor seçimi, sensor naqilləri, komponentlərin seçilməsi mübadilələri, ADC konfiqurasiyası və bu müxtəlif dəyişənlərin sistemin ümumi dəqiqliyinə necə təsir etməsi.Bu seriyanın növbəti məqaləsi hədəf performansınıza nail olmaq üçün sistem dizaynınızı və ümumi sistem xətası büdcənizi necə optimallaşdıracağınızı izah edir.
Göndərmə vaxtı: 30 sentyabr 2022-ci il