Kuboresha mifumo ya kipimo cha joto-msingi wa thermistor: Changamoto

Hii ndio nakala ya kwanza katika safu ya sehemu mbili. Nakala hii itajadili kwanza historia na changamoto za kubuni zaJoto la msingi wa thermistorMifumo ya kipimo, pamoja na kulinganisha kwao na mifumo ya kipimo cha joto (RTD). Pia itaelezea uchaguzi wa thermistor, biashara ya usanidi, na umuhimu wa Sigma-Delta analog-to-dijiti (ADCs) katika eneo hili la maombi. Nakala ya pili itaelezea jinsi ya kuongeza na kutathmini mfumo wa mwisho wa kipimo cha thermistor.
Kama ilivyoelezewa katika safu ya makala iliyopita, kuongeza mifumo ya sensor ya joto ya RTD, RTD ni mpinzani ambaye upinzani wake hutofautiana na joto. Thermistors hufanya kazi sawa na RTD. Tofauti na RTD, ambazo zina mgawo mzuri wa joto, thermistor inaweza kuwa na mgawo mzuri wa joto au hasi. Mchanganyiko mbaya wa joto (NTC) thermistors hupunguza upinzani wao wakati hali ya joto inapoongezeka, wakati joto la kutosha la joto (PTC) huongeza upinzani wao kadiri joto linapoongezeka. Kwenye mtini. 1 inaonyesha sifa za majibu ya thermistors za kawaida za NTC na PTC na kuzilinganisha na curve za RTD.
Kwa upande wa kiwango cha joto, Curve ya RTD iko karibu na mstari, na sensor inashughulikia kiwango cha joto pana kuliko thermistors (kawaida -200 ° C hadi +850 ° C) kwa sababu ya asili isiyo ya mstari (exponential) ya thermistor. RTDs kawaida hutolewa katika curve zinazojulikana sanifu, wakati thermistor curve hutofautiana na mtengenezaji. Tutajadili hii kwa undani katika sehemu ya mwongozo wa uteuzi wa thermistor ya kifungu hiki.
Thermistors hufanywa kutoka kwa vifaa vyenye mchanganyiko, kawaida kauri, polima, au semiconductors (kawaida oksidi za chuma) na metali safi (platinamu, nickel, au shaba). Thermistors inaweza kugundua mabadiliko ya joto haraka kuliko RTD, kutoa maoni haraka. Kwa hivyo, thermistors hutumiwa kawaida na sensorer katika matumizi ambayo yanahitaji gharama ya chini, ukubwa mdogo, majibu ya haraka, unyeti wa hali ya juu, na kiwango cha joto kidogo, kama udhibiti wa umeme, udhibiti wa nyumba na jengo, maabara ya kisayansi, au fidia ya makutano ya baridi kwa thermocouples katika matumizi ya kibiashara au ya viwandani. madhumuni. Maombi.
Katika hali nyingi, thermistors za NTC hutumiwa kwa kipimo sahihi cha joto, sio thermistors za PTC. Baadhi ya thermistors za PTC zinapatikana ambazo zinaweza kutumika katika mizunguko ya ulinzi wa kupita kiasi au kama fusi zinazopatikana kwa matumizi ya usalama. Curve ya kupinga-joto ya thermistor ya PTC inaonyesha mkoa mdogo sana wa NTC kabla ya kufikia mahali pa kubadili (au uhakika wa Curie), hapo juu ambayo upinzani huongezeka sana na maagizo kadhaa ya ukubwa katika safu ya digrii kadhaa Celsius. Chini ya hali ya kupita kiasi, thermistor ya PTC itatoa joto kali wakati joto la kubadili limezidi, na upinzani wake utaongezeka sana, ambayo itapunguza pembejeo ya sasa kwa mfumo, na hivyo kuzuia uharibifu. Sehemu ya kubadili ya thermistors ya PTC kawaida ni kati ya 60 ° C na 120 ° C na haifai kwa kudhibiti vipimo vya joto katika anuwai ya matumizi. Nakala hii inazingatia thermistors za NTC, ambazo kawaida zinaweza kupima au kuangalia joto kuanzia -80 ° C hadi +150 ° C. Thermistors za NTC zina viwango vya upinzani kuanzia ohms chache hadi 10 MΩ kwa 25 ° C. Kama inavyoonyeshwa kwenye mtini. 1, mabadiliko katika upinzani kwa kila kiwango Celsius kwa thermistors hutamkwa zaidi kuliko kwa thermometers za upinzani. Ikilinganishwa na thermistors, unyeti mkubwa wa thermistor na thamani kubwa ya upinzani hurahisisha mzunguko wake wa pembejeo, kwani thermistors haziitaji usanidi wowote wa wiring, kama waya 3 au waya 4, kulipia upinzani wa risasi. Ubunifu wa thermistor hutumia usanidi rahisi wa waya 2 tu.
Upimaji wa kiwango cha juu cha joto-msingi wa joto inahitaji usindikaji sahihi wa ishara, ubadilishaji wa analog-kwa-dijiti, mstari, na fidia, kama inavyoonyeshwa kwenye Mtini. 2.
Ingawa mnyororo wa ishara unaweza kuonekana kuwa rahisi, kuna ugumu kadhaa ambao unaathiri saizi, gharama, na utendaji wa ubao mzima wa mama. Kwingineko ya ADC ya usahihi wa ADI ni pamoja na suluhisho kadhaa zilizojumuishwa, kama vile AD7124-4/AD7124-8, ambayo hutoa faida kadhaa kwa muundo wa mfumo wa mafuta kwani sehemu nyingi za ujenzi zinahitajika kwa programu zinajengwa ndani. Walakini, kuna changamoto mbali mbali katika kubuni na kuongeza suluhisho za kipimo cha joto-msingi wa thermistor.
Nakala hii inajadili kila moja ya maswala haya na hutoa mapendekezo ya kuyatatua na kurahisisha mchakato wa muundo wa mifumo kama hiyo.
Kuna anuwai yaThermistors za NTCKwenye soko la leo, kwa hivyo kuchagua thermistor sahihi kwa programu yako inaweza kuwa kazi ya kuogofya. Kumbuka kuwa thermistors zimeorodheshwa na thamani yao ya kawaida, ambayo ni upinzani wao wa kawaida kwa 25 ° C. Kwa hivyo, thermistor 10 kΩ ina upinzani wa kawaida wa 10 kΩ kwa 25 ° C. Thermistors zina maadili ya kawaida au ya msingi ya upinzani kutoka ohms chache hadi 10 MΩ. Thermistors zilizo na viwango vya chini vya upinzani (upinzani wa kawaida wa 10 kΩ au chini) kawaida huunga mkono safu za joto za chini, kama vile -50 ° C hadi +70 ° C. Thermistors zilizo na viwango vya juu vya upinzani vinaweza kuhimili joto hadi 300 ° C.
Sehemu ya thermistor imetengenezwa na oksidi ya chuma. Thermistors zinapatikana katika maumbo ya mpira, radial na SMD. Shanga za thermistor ni epoxy iliyofunikwa au glasi iliyowekwa kwa ulinzi ulioongezwa. Thermistors za Mpira wa Epoxy, thermistors za radial na uso zinafaa kwa joto hadi 150 ° C. Thermistors za glasi za glasi zinafaa kwa kupima joto la juu. Aina zote za mipako/ufungaji pia hulinda dhidi ya kutu. Thermistors zingine pia zitakuwa na nyumba za ziada kwa ulinzi ulioongezwa katika mazingira magumu. Thermistors za bead zina wakati wa kujibu haraka kuliko thermistors za radial/SMD. Walakini, sio kama ya kudumu. Kwa hivyo, aina ya thermistor inayotumiwa inategemea matumizi ya mwisho na mazingira ambayo thermistor iko. Uimara wa muda mrefu wa thermistor inategemea nyenzo zake, ufungaji, na muundo. Kwa mfano, thermistor ya epoxy-coated ya NTC inaweza kubadilisha 0.2 ° C kwa mwaka, wakati thermistor iliyotiwa muhuri hubadilisha tu 0.02 ° C kwa mwaka.
Thermistors huja kwa usahihi tofauti. Thermistors za kawaida kawaida zina usahihi wa 0.5 ° C hadi 1.5 ° C. Ukadiriaji wa upinzani wa thermistor na thamani ya beta (uwiano wa 25 ° C hadi 50 ° C/85 ° C) zina uvumilivu. Kumbuka kuwa thamani ya beta ya thermistor inatofautiana na mtengenezaji. Kwa mfano, thermistors 10 kΩ NTC kutoka kwa wazalishaji tofauti watakuwa na maadili tofauti ya beta. Kwa mifumo sahihi zaidi, thermistors kama vile safu ya Omega ™ 44xxx inaweza kutumika. Wana usahihi wa 0.1 ° C au 0.2 ° C juu ya kiwango cha joto cha 0 ° C hadi 70 ° C. Kwa hivyo, anuwai ya joto ambayo inaweza kupimwa na usahihi unaohitajika juu ya kiwango cha joto huamua ikiwa thermistors zinafaa kwa programu hii. Tafadhali kumbuka kuwa usahihi wa juu wa safu ya Omega 44xxx, gharama kubwa zaidi.
Ili kubadilisha upinzani kwa digrii Celsius, thamani ya beta kawaida hutumiwa. Thamani ya beta imedhamiriwa kwa kujua vidokezo viwili vya joto na upinzani unaolingana katika kila hatua ya joto.
RT1 = Upinzani wa joto 1 RT2 = Upinzani wa joto 2 T1 = Joto 1 (K) T2 = Joto 2 (K)
Mtumiaji hutumia thamani ya beta karibu na kiwango cha joto kinachotumika katika mradi. Hifadhi nyingi za thermistor huorodhesha thamani ya beta pamoja na uvumilivu wa upinzani kwa 25 ° C na uvumilivu kwa thamani ya beta.
Thermistors za usahihi wa hali ya juu na suluhisho za kukomesha usahihi wa hali ya juu kama vile safu ya Omega 44xxx hutumia equation ya Steinhart-Hart kubadilisha upinzani kwa digrii Celsius. Equation 2 inahitaji constants tatu A, B, na C, tena iliyotolewa na mtengenezaji wa sensor. Kwa sababu coefficients ya equation hutolewa kwa kutumia alama tatu za joto, equation inayosababishwa hupunguza kosa lililoletwa na mstari (kawaida 0.02 ° C).
A, B na C ni viboreshaji kutoka kwa seti tatu za joto. R = upinzani wa thermistor katika ohms t = joto katika digrii k
Kwenye mtini. 3 inaonyesha uchochezi wa sasa wa sensor. Hifadhi ya sasa inatumika kwa thermistor na ile ile ya sasa inatumika kwa mpinzani wa usahihi; Resistor ya usahihi hutumiwa kama kumbukumbu ya kipimo. Thamani ya kontena ya kumbukumbu lazima iwe kubwa kuliko au sawa na bei ya juu zaidi ya upinzani wa thermistor (kulingana na joto la chini kabisa lililopimwa katika mfumo).
Wakati wa kuchagua uchochezi wa sasa, upinzani wa juu wa thermistor lazima uzingatiwe tena. Hii inahakikisha kwamba voltage kwenye sensor na rejista ya kumbukumbu daima iko katika kiwango kinachokubalika kwa umeme. Chanzo cha sasa cha uwanja kinahitaji vichwa vya kichwa au mazao. Ikiwa thermistor ina upinzani mkubwa kwa joto la chini linaloweza kupimika, hii itasababisha gari la chini sana. Kwa hivyo, voltage inayozalishwa kwenye thermistor kwa joto la juu ni ndogo. Hatua za faida zinazoweza kutumiwa zinaweza kutumika kuongeza kipimo cha ishara hizi za kiwango cha chini. Walakini, faida lazima iwekwe kwa nguvu kwa sababu kiwango cha ishara kutoka thermistor hutofautiana sana na joto.
Chaguo jingine ni kuweka faida lakini tumia nguvu ya sasa ya kuendesha. Kwa hivyo, kadiri kiwango cha ishara kutoka kwa thermistor kinabadilika, thamani ya sasa inabadilika kwa nguvu ili voltage iliyoandaliwa kwenye thermistor iko ndani ya safu maalum ya pembejeo ya kifaa cha elektroniki. Mtumiaji lazima ahakikishe kuwa voltage iliyoandaliwa kwenye kontena ya kumbukumbu pia iko katika kiwango kinachokubalika kwa umeme. Chaguzi zote mbili zinahitaji kiwango cha juu cha udhibiti, ufuatiliaji wa mara kwa mara wa voltage kwenye thermistor ili umeme uweze kupima ishara. Je! Kuna chaguo rahisi? Fikiria uchochezi wa voltage.
Wakati voltage ya DC inatumika kwa thermistor, ya sasa kupitia thermistor moja kwa moja mizani wakati upinzani wa thermistor unabadilika. Sasa, kwa kutumia kiboreshaji cha kupima usahihi badala ya kontena ya kumbukumbu, kusudi lake ni kuhesabu mtiririko wa sasa kupitia thermistor, na hivyo kuruhusu upinzani wa thermistor kuhesabiwa. Kwa kuwa voltage ya kuendesha pia hutumiwa kama ishara ya kumbukumbu ya ADC, hakuna hatua ya faida inahitajika. Processor haina kazi ya kuangalia voltage ya thermistor, kuamua ikiwa kiwango cha ishara kinaweza kupimwa na umeme, na kuhesabu ni faida gani ya gari/thamani ya sasa inahitaji kubadilishwa. Hii ndio njia inayotumika katika nakala hii.
Ikiwa thermistor ina kiwango kidogo cha upinzani na kiwango cha upinzani, voltage au uchochezi wa sasa unaweza kutumika. Katika kesi hii, gari la sasa na faida zinaweza kusanidiwa. Kwa hivyo, mzunguko utakuwa kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3. Njia hii ni rahisi kwa kuwa inawezekana kudhibiti ya sasa kupitia sensor na rejista ya kumbukumbu, ambayo ni muhimu katika matumizi ya nguvu ya chini. Kwa kuongezea, kupokanzwa kwa thermistor kunapunguzwa.
Uchochezi wa voltage pia unaweza kutumika kwa thermistors zilizo na viwango vya chini vya upinzani. Walakini, mtumiaji lazima kila wakati ahakikishe kuwa ya sasa kupitia sensor sio juu sana kwa sensor au programu.
Uchochezi wa voltage hurahisisha utekelezaji wakati wa kutumia thermistor na kiwango kikubwa cha upinzani na kiwango cha joto pana. Upinzani mkubwa wa nomino hutoa kiwango kinachokubalika cha kilichokadiriwa sasa. Walakini, wabuni wanahitaji kuhakikisha kuwa ya sasa iko katika kiwango kinachokubalika juu ya kiwango chote cha joto kinachoungwa mkono na programu.
Sigma-Delta ADCs hutoa faida kadhaa wakati wa kubuni mfumo wa kipimo cha thermistor. Kwanza, kwa sababu Sigma-Delta ADC inabadilisha tena pembejeo ya analog, vichujio vya nje huhifadhiwa kwa kiwango cha chini na hitaji pekee ni kichujio rahisi cha RC. Wanatoa kubadilika katika aina ya vichungi na kiwango cha baud. Uchujaji wa dijiti uliojengwa unaweza kutumika kukandamiza usumbufu wowote katika vifaa vya nguvu vya mains. Vifaa 24-bit kama vile AD7124-4/AD7124-8 vina azimio kamili la hadi bits 21.7, kwa hivyo hutoa azimio kubwa.
Matumizi ya Sigma-Delta ADC hurahisisha sana muundo wa thermistor wakati unapunguza vipimo, gharama ya mfumo, nafasi ya bodi, na wakati wa soko.
Nakala hii hutumia AD7124-4/AD7124-8 kama ADC kwa sababu ni kelele ya chini, ya chini ya sasa, Precision ADC na PGA iliyojengwa, kumbukumbu iliyojengwa, pembejeo ya analog, na buffer ya kumbukumbu.
Bila kujali ikiwa unatumia voltage ya sasa au ya kuendesha gari, usanidi wa uwiano unapendekezwa ambapo voltage ya kumbukumbu na voltage ya sensor hutoka kwenye chanzo sawa cha gari. Hii inamaanisha kuwa mabadiliko yoyote katika chanzo cha uchochezi hayataathiri usahihi wa kipimo.
Kwenye mtini. 5 inaonyesha gari la mara kwa mara la sasa kwa thermistor na RREF ya Precision, voltage iliyotengenezwa kwa RREF ni voltage ya kumbukumbu ya kupima thermistor.
Sehemu ya sasa haiitaji kuwa sahihi na inaweza kuwa thabiti kwani makosa yoyote kwenye uwanja wa sasa yataondolewa katika usanidi huu. Kwa ujumla, uchochezi wa sasa hupendelea juu ya uchochezi wa voltage kwa sababu ya udhibiti bora wa unyeti na kinga bora wakati sensor iko katika maeneo ya mbali. Njia hii ya upendeleo kawaida hutumiwa kwa RTD au thermistors zilizo na maadili ya chini ya upinzani. Walakini, kwa thermistor iliyo na thamani ya juu ya upinzani na unyeti wa juu, kiwango cha ishara kinachotokana na kila mabadiliko ya joto itakuwa kubwa, kwa hivyo uchochezi wa voltage hutumiwa. Kwa mfano, thermistor 10 kΩ ina upinzani wa 10 kΩ kwa 25 ° C. Saa -50 ° C, upinzani wa thermistor ya NTC ni 441.117 kΩ. Njia ya chini ya sasa ya 50 µA iliyotolewa na AD7124-4/AD7124-8 inazalisha 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, ambayo ni ya juu sana na nje ya safu ya uendeshaji ya ADCs zinazopatikana zaidi zinazotumika katika eneo hili la maombi. Thermistors pia kawaida huunganishwa au iko karibu na umeme, kwa hivyo kinga ya kuendesha sasa haihitajiki.
Kuongeza kiboreshaji cha hisia katika safu kama mzunguko wa mgawanyiko wa voltage utaweka kikomo cha sasa kupitia thermistor kwa thamani yake ya chini ya upinzani. Katika usanidi huu, thamani ya rsense ya resistor lazima iwe sawa na thamani ya upinzani wa thermistor kwa joto la kumbukumbu ya 25 ° C, ili voltage ya pato iwe sawa na katikati ya voltage ya kumbukumbu kwa joto lake la 25 ° CC vivyo hivyo, ikiwa 10 kΩ thermistor na upinzani wa 10 kΩ kwa 25 ° C hutumiwa, RSses, ikiwa rs 10 inapaswa kutumiwa, k. Wakati joto linabadilika, upinzani wa thermistor ya NTC pia hubadilika, na uwiano wa voltage ya gari kwenye thermistor pia hubadilika, na kusababisha voltage ya pato kuwa sawa na upinzani wa thermistor ya NTC.
Ikiwa kumbukumbu ya voltage iliyochaguliwa inayotumika kuwasha nguvu ya thermistor na/au rsense inalingana na voltage ya kumbukumbu ya ADC inayotumika kwa kipimo, mfumo umewekwa kwa kipimo cha kipimo (Mchoro 7) ili chanzo chochote cha udhuru kinachohusiana na udhuru kitakuwa na upendeleo ili kuondoa.
Kumbuka kuwa ama mtaalam wa akili (voltage inayoendeshwa) au kontena ya kumbukumbu (inayoendeshwa sasa) inapaswa kuwa na uvumilivu wa chini wa chini na kuteleza kwa chini, kwani vigezo vyote vinaweza kuathiri usahihi wa mfumo mzima.
Wakati wa kutumia thermistors nyingi, voltage moja ya uchochezi inaweza kutumika. Walakini, kila thermistor lazima iwe na upinzani wake mwenyewe wa akili, kama inavyoonyeshwa kwenye FIG. 8. Chaguo jingine ni kutumia kuzidisha kwa nje au swichi ya chini ya kupinga katika hali ya juu, ambayo inaruhusu kugawana kiboreshaji cha akili moja. Pamoja na usanidi huu, kila thermistor inahitaji wakati wa kutulia wakati inapimwa.
Kwa muhtasari, wakati wa kubuni mfumo wa kipimo cha joto-msingi wa joto, kuna maswali mengi ya kuzingatia: uteuzi wa sensor, wiring ya sensor, biashara ya uteuzi wa sehemu, usanidi wa ADC, na jinsi anuwai hizi zinavyoathiri usahihi wa mfumo. Nakala inayofuata katika safu hii inaelezea jinsi ya kuongeza muundo wako wa mfumo na bajeti ya makosa ya mfumo ili kufikia utendaji wako wa lengo.