Kini ang unang artikulo sa duha ka bahin nga serye. Kini nga artikulo una nga maghisgot sa kasaysayan ug mga hagit sa disenyo satemperatura nga gibase sa thermistormga sistema sa pagsukod, ingon man ang ilang pagtandi sa mga sistema sa pagsukod sa temperatura sa resistensya (RTD). Kini usab maghulagway sa pagpili sa thermistor, configuration trade-offs, ug ang importansya sa sigma-delta analog-to-digital converters (ADCs) niining dapita sa aplikasyon. Ang ikaduhang artikulo magdetalye kon unsaon pag-optimize ug pagtimbang-timbang sa kataposang sistema sa pagsukod nga gibase sa thermistor.
Sama sa gihulagway sa miaging serye sa artikulo, Pag-optimize sa RTD Temperature Sensor Systems, usa ka RTD usa ka resistor kansang resistensya magkalainlain sa temperatura. Ang mga thermistor nagtrabaho parehas sa mga RTD. Dili sama sa mga RTD, nga adunay positibo nga koepisyent sa temperatura, ang usa ka thermistor mahimong adunay positibo o negatibo nga koepisyent sa temperatura. Ang negatibo nga temperatura nga coefficient (NTC) nga mga thermistor mokunhod sa ilang resistensya samtang ang temperatura motaas, samtang ang positibo nga temperatura coefficient (PTC) thermistors mopataas sa ilang resistensya samtang motaas ang temperatura. Sa fig. Gipakita sa 1 ang mga kinaiya sa pagtubag sa kasagaran nga mga thermistor sa NTC ug PTC ug gitandi kini sa mga kurba sa RTD.
Sa termino sa temperatura range, ang RTD curve hapit linear, ug ang sensor naglangkob sa usa ka mas lapad nga temperatura range kay sa thermistors (kasagaran -200°C ngadto sa +850°C) tungod sa non-linear (exponential) nga kinaiya sa thermistor. Ang mga RTD kasagarang gihatag sa ilado nga standardized curves, samtang ang thermistor curves magkalahi sa manufacturer. Atong hisgotan kini sa detalye sa seksyon sa giya sa pagpili sa thermistor niini nga artikulo.
Ang mga thermistor ginama gikan sa mga composite nga materyales, kasagaran mga seramiko, polimer, o semiconductors (kasagaran metal oxide) ug purong mga metal (platinum, nickel, o copper). Ang mga thermistor makamatikod sa mga pagbag-o sa temperatura nga mas paspas kay sa mga RTD, nga naghatag og mas paspas nga feedback. Busa, ang mga thermistor kasagarang gigamit sa mga sensor sa mga aplikasyon nga nanginahanglan og mubu nga gasto, gamay nga gidak-on, mas paspas nga pagtubag, mas taas nga pagkasensitibo, ug limitado nga sakup sa temperatura, sama sa pagkontrol sa elektroniko, pagkontrol sa balay ug bilding, mga laboratoryo sa siyensya, o bayad sa bugnaw nga junction alang sa mga thermocouples sa komersyal. o mga aplikasyon sa industriya. mga katuyoan. Mga aplikasyon.
Sa kadaghanan nga mga kaso, ang mga thermistor sa NTC gigamit alang sa tukma nga pagsukod sa temperatura, dili mga thermistor sa PTC. Ang ubang mga PTC thermistor anaa nga magamit sa overcurrent protection circuits o isip resettable fuse para sa safety applications. Ang resistensya-temperatura nga kurba sa usa ka PTC thermistor nagpakita sa usa ka gamay kaayo nga rehiyon sa NTC sa wala pa makaabot sa switch point (o Curie point), nga sa ibabaw niini ang resistensya mitaas pag-ayo pinaagi sa pipila ka mga order sa magnitude sa range sa pipila ka degrees Celsius. Ubos sa overcurrent nga mga kondisyon, ang PTC thermistor makamugna og kusog nga pagpainit sa kaugalingon kung ang temperatura sa pagbalhin milapas, ug ang pagsukol niini motaas pag-ayo, nga makapakunhod sa input nga kasamtangan sa sistema, sa ingon mapugngan ang kadaot. Ang switching point sa PTC thermistors kasagaran tali sa 60°C ug 120°C ug dili angay sa pagkontrolar sa mga pagsukod sa temperatura sa usa ka halapad nga mga aplikasyon. Kini nga artikulo nagpunting sa mga thermistor sa NTC, nga kasagarang makasukod o makamonitor sa temperatura gikan sa -80°C hangtod sa +150°C. Ang mga thermistor sa NTC adunay mga rating sa pagsukol gikan sa pipila ka ohms hangtod sa 10 MΩ sa 25 °C. Ingon sa gipakita sa fig. 1, ang pagbag-o sa resistensya kada degree Celsius alang sa mga thermistor mas klaro kaysa sa mga thermometer sa pagsukol. Kung itandi sa mga thermistor, ang taas nga pagkasensitibo ug taas nga resistensya sa thermistor nagpasimple sa input circuitry niini, tungod kay ang mga thermistor wala magkinahanglan bisan unsang espesyal nga pag-configure sa mga kable, sama sa 3-wire o 4-wire, aron mabayran ang resistensya sa tingga. Ang disenyo sa thermistor naggamit lamang sa usa ka yano nga 2-wire configuration.
Ang high-precision nga thermistor-based nga pagsukod sa temperatura nagkinahanglan ug tukma nga pagproseso sa signal, analog-to-digital nga pagkakabig, linearization, ug kompensasyon, sama sa gipakita sa fig. 2.
Bisan kung ang kadena sa signal ingon og yano, adunay daghang mga pagkakomplikado nga makaapekto sa gidak-on, gasto, ug pasundayag sa tibuuk nga motherboard. Ang katukma sa portfolio sa ADC sa ADI naglakip sa daghang mga integrated nga solusyon, sama sa AD7124-4/AD7124-8, nga naghatag daghang mga bentaha alang sa disenyo sa thermal system tungod kay kadaghanan sa mga bloke sa pagtukod nga gikinahanglan alang sa usa ka aplikasyon gitukod. Bisan pa, adunay lainlaing mga hagit sa pagdesinyo ug pag-optimize sa mga solusyon sa pagsukod sa temperatura nga nakabase sa thermistor.
Gihisgutan sa kini nga artikulo ang matag usa niini nga mga isyu ug naghatag mga rekomendasyon alang sa pagsulbad niini ug dugang nga pagpayano sa proseso sa pagdesinyo alang sa ingon nga mga sistema.
Adunay usa ka halapad nga matang saMga thermistor sa NTCsa merkado karon, mao nga ang pagpili sa husto nga thermistor alang sa imong aplikasyon mahimong usa ka makahahadlok nga buluhaton. Matikdi nga ang mga thermistor gilista sa ilang nominal nga kantidad, nga mao ang ilang nominal nga pagsukol sa 25°C. Busa, ang 10 kΩ thermistor adunay nominal nga pagsukol nga 10 kΩ sa 25°C. Ang mga thermistor adunay nominal o sukaranan nga mga kantidad sa pagsukol gikan sa pipila ka ohms hangtod sa 10 MΩ. Ang mga thermistor nga adunay ubos nga mga rating sa pagsukol (nominal nga pagsukol nga 10 kΩ o ubos pa) kasagarang nagsuporta sa mas ubos nga mga han-ay sa temperatura, sama sa -50°C ngadto sa +70°C. Ang mga thermistor nga adunay mas taas nga mga rating sa pagsukol makasugakod sa temperatura hangtod sa 300°C.
Ang elemento sa thermistor gihimo sa metal oxide. Ang mga thermistor anaa sa bola, radial ug SMD nga mga porma. Ang thermistor beads kay epoxy coated o glass encapsulated para sa dugang proteksyon. Ang epoxy coated ball thermistors, radial ug surface thermistors angay alang sa temperatura hangtod sa 150°C. Ang glass bead thermistors angay alang sa pagsukod sa taas nga temperatura. Ang tanang matang sa mga coating/packaging nanalipod usab batok sa corrosion. Ang ubang mga thermistor adunay dugang nga mga balay alang sa dugang nga panalipod sa mapintas nga mga palibot. Ang bead thermistors adunay mas paspas nga oras sa pagtubag kaysa radial/SMD thermistors. Apan, sila dili ingon ka lig-on. Busa, ang matang sa thermistor nga gigamit nagdepende sa katapusan nga aplikasyon ug sa palibot diin ang thermistor nahimutang. Ang dugay nga kalig-on sa usa ka thermistor nagdepende sa materyal, packaging, ug disenyo niini. Pananglitan, ang usa ka epoxy-coated NTC thermistor mahimong usbon ang 0.2°C kada tuig, samtang ang usa ka sealed thermistor mag-usab lamang og 0.02°C kada tuig.
Ang mga thermistor adunay lainlain nga katukma. Ang mga standard nga thermistor kasagaran adunay katukma nga 0.5°C hangtod 1.5°C. Ang thermistor resistance rating ug beta value (ratio sa 25°C ngadto sa 50°C/85°C) adunay tolerance. Timan-i nga ang beta nga kantidad sa thermistor magkalainlain sa tiggama. Pananglitan, ang 10 kΩ NTC thermistors gikan sa lainlaing mga tiggama adunay lainlaing mga kantidad sa beta. Para sa mas tukma nga mga sistema, ang mga thermistor sama sa Omega™ 44xxx series mahimong magamit. Adunay sila usa ka katukma nga 0.1 ° C o 0.2 ° C sa usa ka sakup sa temperatura nga 0 ° C hangtod 70 ° C. Busa, ang sakup sa mga temperatura nga mahimong masukod ug ang katukma nga gikinahanglan sa kana nga sakup sa temperatura nagtino kung ang mga thermistor angay ba alang niini nga aplikasyon. Palihug timan-i nga kung mas taas ang katukma sa serye sa Omega 44xxx, mas taas ang gasto.
Aron mabag-o ang resistensya sa mga degree Celsius, ang kantidad sa beta sagad gigamit. Ang kantidad sa beta gitino pinaagi sa pagkahibalo sa duha nga mga punto sa temperatura ug ang katugbang nga pagsukol sa matag punto sa temperatura.
RT1 = Temperatura pagsukol 1 RT2 = Temperatura pagsukol 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Gigamit sa tiggamit ang beta nga kantidad nga labing duol sa range sa temperatura nga gigamit sa proyekto. Kadaghanan sa mga datasheet sa thermistor naglista sa usa ka beta nga kantidad uban sa usa ka resistensya nga pagtugot sa 25°C ug usa ka pagtugot alang sa beta nga kantidad.
Ang mas taas nga katukma nga mga thermistor ug taas nga katukma nga mga solusyon sa pagtapos sama sa serye sa Omega 44xxx naggamit sa Steinhart-Hart equation aron mabag-o ang resistensya sa mga degree Celsius. Ang equation 2 nagkinahanglan sa tulo ka mga constants A, B, ug C, nga gihatag pag-usab sa tiggama sa sensor. Tungod kay ang mga coefficient sa equation namugna gamit ang tulo ka temperatura nga mga punto, ang resulta nga equation nagpamenos sa sayop nga gipaila pinaagi sa linearization (kasagaran 0.02 °C).
Ang A, B ug C mga constant nga nakuha gikan sa tulo ka setpoint sa temperatura. R = thermistor resistensya sa ohms T = temperatura sa K degrees
Sa fig. 3 nagpakita sa kasamtangan nga kahinam sa sensor. Ang kasamtangan nga pagmaneho gigamit sa thermistor ug ang parehas nga sulud gigamit sa katukma nga resistor; ang usa ka tukma nga resistor gigamit ingon usa ka pakisayran alang sa pagsukod. Ang bili sa reference resistor kinahanglang mas dako o katumbas sa kinatas-ang bili sa thermistor resistance (depende sa pinakaubos nga temperatura nga gisukod sa sistema).
Sa diha nga ang pagpili sa kasamtangan nga excitation, ang maximum nga pagsukol sa thermistor kinahanglan nga pagaisipon pag-usab. Gisiguro niini nga ang boltahe sa sensor ug ang reference resistor kanunay sa lebel nga madawat sa elektroniko. Ang kasamtangan nga tinubdan sa uma nanginahanglan pipila ka headroom o pagpares sa output. Kung ang thermistor adunay taas nga pagsukol sa labing ubos nga masukod nga temperatura, kini moresulta sa usa ka ubos kaayo nga kasamtangan nga pagmaneho. Busa, ang boltahe nga namugna tabok sa thermistor sa taas nga temperatura gamay ra. Mahimong magamit ang mga yugto sa pag-angkon nga ma-program aron ma-optimize ang pagsukod sa mga ubos nga lebel nga signal. Bisan pa, ang ganansya kinahanglan nga maprograma nga dinamiko tungod kay ang lebel sa signal gikan sa thermistor magkalainlain kaayo sa temperatura.
Ang laing kapilian mao ang pagtakda sa ganansya apan paggamit sa dynamic drive current. Busa, samtang ang lebel sa signal gikan sa thermistor nagbag-o, ang drive kasamtangan nga bili nagbag-o nga dinamiko aron ang boltahe nga naugmad sa thermistor anaa sa sulod sa gitakda nga input range sa electronic device. Kinahanglan nga sigurohon sa user nga ang boltahe nga naugmad sa reference resistor anaa usab sa lebel nga madawat sa electronics. Ang duha nga mga kapilian nanginahanglan usa ka taas nga lebel sa pagkontrol, kanunay nga pag-monitor sa boltahe sa thermistor aron ang mga elektroniko makasukod sa signal. Aduna bay mas sayon nga kapilian? Tagda ang boltahe nga excitation.
Sa diha nga ang DC boltahe gigamit sa thermistor, ang kasamtangan nga pinaagi sa thermistor awtomatikong timbangan samtang ang thermistor sa resistensya mausab. Karon, gamit ang usa ka tukma nga pagsukod nga resistor imbes nga usa ka reference resistor, ang katuyoan niini mao ang pagkalkulo sa kasamtangan nga nag-agos pinaagi sa thermistor, sa ingon gitugotan ang pagkalkula sa resistensya sa thermistor. Tungod kay ang boltahe sa drive gigamit usab ingon nga signal sa pakisayran sa ADC, wala’y kinahanglan nga yugto sa pag-angkon. Ang processor walay trabaho sa pagmonitor sa boltahe sa thermistor, pagtino kon ang lebel sa signal masukod sa electronics, ug pagkuwenta kon unsa ang ganansya sa drive/karon nga bili ang kinahanglang i-adjust. Kini ang pamaagi nga gigamit niini nga artikulo.
Kung ang thermistor adunay gamay nga rating sa resistensya ug sakup sa resistensya, mahimo’g magamit ang boltahe o kasamtangan nga pagpukaw. Sa kini nga kaso, ang drive kasamtangan ug ganansya mahimong ayo. Busa, ang sirkito mahimong sama sa gipakita sa Figure 3. Kini nga pamaagi kombenyente tungod kay posible nga makontrol ang kasamtangan pinaagi sa sensor ug ang reference resistor, nga bililhon sa ubos nga mga aplikasyon sa kuryente. Dugang pa, ang pagpainit sa kaugalingon sa thermistor gipamubu.
Ang boltahe nga excitation mahimo usab nga gamiton alang sa mga thermistor nga adunay ubos nga mga rating sa resistensya. Bisan pa, ang tiggamit kinahanglan kanunay nga magsiguro nga ang kasamtangan pinaagi sa sensor dili kaayo taas alang sa sensor o aplikasyon.
Gipasimple sa boltahe ang pagpatuman kung gigamit ang usa ka thermistor nga adunay dako nga rating sa resistensya ug usa ka halapad nga sakup sa temperatura. Ang mas dako nga nominal nga pagsukol naghatag og usa ka madawat nga lebel sa rated nga kasamtangan. Bisan pa, kinahanglan nga sigurohon sa mga tigdesinyo nga ang kasamtangan naa sa usa ka madawat nga lebel sa tibuuk nga sakup sa temperatura nga gisuportahan sa aplikasyon.
Ang Sigma-Delta ADCs nagtanyag daghang mga bentaha kung nagdesinyo sa usa ka sistema sa pagsukod sa thermistor. Una, tungod kay ang sigma-delta ADC nag-resample sa analog input, ang eksternal nga pagsala gitipigan sa usa ka minimum ug ang bugtong kinahanglanon mao ang usa ka yano nga RC filter. Naghatag sila og pagka-flexible sa tipo sa pagsala ug baud rate sa output. Ang built-in nga digital nga pagsala mahimong magamit sa pagsumpo sa bisan unsang interference sa mga mains powered device. Ang 24-bit nga mga himan sama sa AD7124-4/AD7124-8 adunay bug-os nga resolusyon nga hangtod sa 21.7 ka piraso, mao nga naghatag kini og taas nga resolusyon.
Ang paggamit sa usa ka sigma-delta ADC labi nga nagpasimple sa disenyo sa thermistor samtang gipamubu ang detalye, gasto sa sistema, wanang sa board, ug oras sa merkado.
Kini nga artikulo naggamit sa AD7124-4/AD7124-8 isip ADC tungod kay kini ubos nga kasaba, ubos nga kasamtangan, tukma nga mga ADC nga adunay built-in nga PGA, built-in nga reference, analog input, ug reference buffer.
Dili igsapayan kung naggamit ka karon sa drive o boltahe sa drive, girekomenda ang usa ka ratiometric configuration diin ang reference nga boltahe ug boltahe sa sensor gikan sa parehas nga gigikanan sa drive. Kini nagpasabut nga ang bisan unsang pagbag-o sa gigikanan sa pagpukaw dili makaapekto sa katukma sa pagsukod.
Sa fig. 5 nagpakita sa kanunay nga drive kasamtangan alang sa thermistor ug katukma resistor RREF, ang boltahe nga naugmad sa tibuok RREF mao ang reference boltahe alang sa pagsukod sa thermistor.
Ang field current dili kinahanglan nga tukma ug mahimong dili kaayo lig-on tungod kay ang bisan unsang mga sayup sa field current mawagtang niini nga configuration. Sa kinatibuk-an, ang kasamtangan nga paghinam-hinam gipalabi kay sa boltahe nga paghinam tungod sa labaw nga pagkontrol sa pagkasensitibo ug mas maayo nga resistensya sa kasaba kung ang sensor nahimutang sa hilit nga mga dapit. Kini nga matang sa bias nga pamaagi kasagarang gigamit alang sa mga RTD o thermistor nga adunay ubos nga mga kantidad sa pagsukol. Bisan pa, alang sa usa ka thermistor nga adunay mas taas nga kantidad sa pagsukol ug mas taas nga pagkasensitibo, ang lebel sa signal nga namugna sa matag pagbag-o sa temperatura mahimong mas dako, mao nga gigamit ang boltahe nga pagpukaw. Pananglitan, ang 10 kΩ thermistor adunay resistensya nga 10 kΩ sa 25°C. Sa -50°C, ang resistensya sa NTC thermistor kay 441.117 kΩ. Ang minimum nga drive current nga 50 µA nga gihatag sa AD7124-4/AD7124-8 makamugna og 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, nga taas kaayo ug gawas sa operating range sa kadaghanan nga magamit nga ADC nga gigamit niini nga lugar sa aplikasyon. Ang mga thermistor kasagaran usab nga konektado o nahimutang duol sa mga elektroniko, mao nga dili kinahanglan ang resistensya sa pagmaneho sa kasamtangan.
Ang pagdugang sa usa ka pagbati nga resistor sa serye isip usa ka circuit divider sa boltahe maglimite sa kasamtangan pinaagi sa thermistor sa minimum nga kantidad sa pagsukol niini. Niini nga pagsumpo, ang bili sa sense resistor RSENSE kinahanglang katumbas sa bili sa thermistor resistance sa reference temperature nga 25°C, aron ang output voltage mahimong katumbas sa midpoint sa reference voltage sa nominal nga temperatura niini nga 25°CC Sa susama, kung ang 10 kΩ thermistor nga adunay resistensya nga 10 kΩ sa 25°C ang gigamit, ang RSENSE kinahanglan nga 10 kΩ. Samtang nagbag-o ang temperatura, nagbag-o usab ang resistensya sa thermistor sa NTC, ug ang ratio sa boltahe sa drive tabok sa thermistor usab nagbag-o, nga nagresulta sa boltahe sa output nga proporsyonal sa resistensya sa thermistor sa NTC.
Kung ang gipili nga reference sa boltahe nga gigamit sa pagpaandar sa thermistor ug/o RSENSE motakdo sa ADC reference boltahe nga gigamit alang sa pagsukod, ang sistema gitakda sa ratiometric measurement (Figure 7) aron ang bisan unsang excitation-related nga error boltahe nga tinubdan mahimong mapihigon sa pagtangtang.
Timan-i nga ang sense resistor (boltahe nga gimaneho) o ang reperensiya nga resistor (kasamtangan nga gimaneho) kinahanglang adunay gamay nga inisyal nga tolerance ug ubos nga drift, tungod kay ang duha ka variables makaapekto sa katukma sa tibuok nga sistema.
Kung gigamit ang daghang mga thermistor, ang usa ka boltahe sa pagpukaw mahimong magamit. Bisan pa, ang matag thermistor kinahanglan adunay kaugalingon nga precision sense resistor, ingon sa gipakita sa fig. 8. Ang laing kapilian mao ang paggamit ug external multiplexer o low-resistance switch sa on state, nga nagtugot sa pagpaambit sa usa ka precision sense resistor. Uban niini nga pag-configure, ang matag thermistor nanginahanglan pipila ka oras sa paghusay kung gisukod.
Sa katingbanan, sa pagdesinyo sa usa ka sistema sa pagsukod sa temperatura nga gibase sa thermistor, adunay daghang mga pangutana nga tagdon: pagpili sa sensor, mga wiring sa sensor, mga trade-off sa pagpili sa sangkap, pagsumpo sa ADC, ug kung giunsa kini nga lainlaing mga variable makaapekto sa kinatibuk-ang katukma sa sistema. Ang sunod nga artikulo sa kini nga serye nagpatin-aw kung giunsa ang pag-optimize sa imong disenyo sa sistema ug ang kinatibuk-ang badyet sa sayup sa sistema aron makab-ot ang imong target nga pasundayag.
Oras sa pag-post: Sep-30-2022