Dyma'r erthygl gyntaf mewn cyfres ddwy ran. Bydd yr erthygl hon yn trafod hanes a heriau dylunio yn gyntaftymheredd yn seiliedig ar thermistorsystemau mesur, yn ogystal â'u cymhariaeth â systemau mesur tymheredd thermomedr gwrthiant (RTD). Bydd hefyd yn disgrifio'r dewis o thermistor, cyfaddawdau ffurfweddiad, a phwysigrwydd trawsnewidyddion analog-i-ddigidol (ADCs) sigma-delta yn y maes cymhwysiad hwn. Bydd yr ail erthygl yn manylu ar sut i optimeiddio a gwerthuso'r system fesur derfynol sy'n seiliedig ar thermistor.
Fel y disgrifiwyd yn y gyfres erthyglau flaenorol, Optimeiddio Systemau Synhwyrydd Tymheredd RTD, mae RTD yn wrthydd y mae ei wrthwynebiad yn amrywio gyda thymheredd. Mae thermistorau'n gweithio'n debyg i RTDau. Yn wahanol i RTDau, sydd â chyfernod tymheredd positif yn unig, gall thermistor gael cyfernod tymheredd positif neu negatif. Mae thermistorau cyfernod tymheredd negatif (NTC) yn lleihau eu gwrthiant wrth i'r tymheredd godi, tra bod thermistorau cyfernod tymheredd positif (PTC) yn cynyddu eu gwrthiant wrth i'r tymheredd godi. Ar ffig. 1 mae'n dangos nodweddion ymateb thermistorau NTC a PTC nodweddiadol ac yn eu cymharu â chromliniau RTD.
O ran yr ystod tymheredd, mae'r gromlin RTD bron yn llinol, ac mae'r synhwyrydd yn cwmpasu ystod tymheredd llawer ehangach na thermistorau (fel arfer -200°C i +850°C) oherwydd natur anlinellol (esbonyddol) y thermistor. Fel arfer darperir RTDau mewn cromliniau safonol adnabyddus, tra bod cromliniau thermistor yn amrywio yn ôl gwneuthurwr. Byddwn yn trafod hyn yn fanwl yn adran canllaw dewis thermistor yr erthygl hon.
Gwneir thermistorau o ddeunyddiau cyfansawdd, fel arfer cerameg, polymerau, neu led-ddargludyddion (fel arfer ocsidau metel) a metelau pur (platinwm, nicel, neu gopr). Gall thermistorau ganfod newidiadau tymheredd yn gyflymach na RTDs, gan ddarparu adborth cyflymach. Felly, defnyddir thermistorau'n gyffredin gan synwyryddion mewn cymwysiadau sydd angen cost isel, maint bach, ymateb cyflymach, sensitifrwydd uwch, ac ystod tymheredd gyfyngedig, megis rheolaeth electroneg, rheolaeth cartrefi ac adeiladau, labordai gwyddonol, neu iawndal cyffordd oer ar gyfer thermocyplau mewn cymwysiadau masnachol neu ddiwydiannol. Cymwysiadau.
Yn y rhan fwyaf o achosion, defnyddir thermistorau NTC ar gyfer mesur tymheredd cywir, nid thermistorau PTC. Mae rhai thermistorau PTC ar gael y gellir eu defnyddio mewn cylchedau amddiffyn gor-gerrynt neu fel ffiwsiau ailosodadwy ar gyfer cymwysiadau diogelwch. Mae cromlin gwrthiant-tymheredd thermistor PTC yn dangos rhanbarth NTC bach iawn cyn cyrraedd y pwynt newid (neu bwynt Curie), ac uwchlaw hynny mae'r gwrthiant yn codi'n sydyn sawl trefn maint yn yr ystod o sawl gradd Celsius. O dan amodau gor-gerrynt, bydd y thermistor PTC yn cynhyrchu hunan-wresogi cryf pan fydd y tymheredd newid yn cael ei ragori, a bydd ei wrthiant yn codi'n sydyn, a fydd yn lleihau'r cerrynt mewnbwn i'r system, a thrwy hynny'n atal difrod. Mae pwynt newid thermistorau PTC fel arfer rhwng 60°C a 120°C ac nid yw'n addas ar gyfer rheoli mesuriadau tymheredd mewn ystod eang o gymwysiadau. Mae'r erthygl hon yn canolbwyntio ar thermistorau NTC, a all fel arfer fesur neu fonitro tymereddau sy'n amrywio o -80°C i +150°C. Mae gan thermistorau NTC raddfeydd gwrthiant sy'n amrywio o ychydig ohms i 10 MΩ ar 25°C. Fel y dangosir yn ffig. 1, mae'r newid mewn gwrthiant fesul gradd Celsius ar gyfer thermistorau yn fwy amlwg nag ar gyfer thermomedrau gwrthiant. O'i gymharu â thermistorau, mae sensitifrwydd uchel a gwerth gwrthiant uchel y thermistor yn symleiddio ei gylchedwaith mewnbwn, gan nad oes angen unrhyw gyfluniad gwifrau arbennig ar thermistorau, fel 3-gwifren neu 4-gwifren, i wneud iawn am wrthiant plwm. Dim ond cyfluniad 2-wifren syml y mae dyluniad y thermistor yn ei ddefnyddio.
Mae mesur tymheredd manwl iawn yn seiliedig ar thermistor yn gofyn am brosesu signal manwl gywir, trosi analog-i-ddigidol, llinoli, ac iawndal, fel y dangosir yn ffig. 2.
Er y gall y gadwyn signal ymddangos yn syml, mae sawl cymhlethdod sy'n effeithio ar faint, cost a pherfformiad y famfwrdd cyfan. Mae portffolio ADC manwl gywir ADI yn cynnwys sawl datrysiad integredig, megis yr AD7124-4/AD7124-8, sy'n darparu nifer o fanteision ar gyfer dylunio systemau thermol gan fod y rhan fwyaf o'r blociau adeiladu sydd eu hangen ar gyfer cymhwysiad wedi'u hadeiladu i mewn. Fodd bynnag, mae amryw o heriau wrth ddylunio ac optimeiddio datrysiadau mesur tymheredd sy'n seiliedig ar thermistor.
Mae'r erthygl hon yn trafod pob un o'r materion hyn ac yn darparu argymhellion ar gyfer eu datrys a symleiddio'r broses ddylunio ar gyfer systemau o'r fath ymhellach.
Mae amrywiaeth eang oThermistorau NTCar y farchnad heddiw, felly gall dewis y thermistor cywir ar gyfer eich cymhwysiad fod yn dasg anodd. Sylwch fod thermistorau wedi'u rhestru yn ôl eu gwerth enwol, sef eu gwrthiant enwol ar 25°C. Felly, mae gan thermistor 10 kΩ wrthiant enwol o 10 kΩ ar 25°C. Mae gan thermistorau werthoedd gwrthiant enwol neu sylfaenol sy'n amrywio o ychydig ohms i 10 MΩ. Mae thermistorau â graddfeydd gwrthiant isel (gwrthiant enwol o 10 kΩ neu lai) fel arfer yn cefnogi ystodau tymheredd is, fel -50°C i +70°C. Gall thermistorau â graddfeydd gwrthiant uwch wrthsefyll tymereddau hyd at 300°C.
Mae'r elfen thermistor wedi'i gwneud o ocsid metel. Mae thermistorau ar gael mewn siapiau pêl, rheiddiol ac SMD. Mae gleiniau thermistor wedi'u gorchuddio ag epocsi neu wedi'u hamgapsiwleiddio â gwydr ar gyfer amddiffyniad ychwanegol. Mae thermistorau pêl wedi'u gorchuddio ag epocsi, thermistorau rheiddiol ac arwyneb yn addas ar gyfer tymereddau hyd at 150°C. Mae thermistorau gleiniau gwydr yn addas ar gyfer mesur tymereddau uchel. Mae pob math o orchuddion/deunydd pacio hefyd yn amddiffyn rhag cyrydiad. Bydd gan rai thermistorau dai ychwanegol hefyd ar gyfer amddiffyniad ychwanegol mewn amgylcheddau llym. Mae gan thermistorau gleiniau amser ymateb cyflymach na thermistorau rheiddiol/SMD. Fodd bynnag, nid ydynt mor wydn. Felly, mae'r math o thermistor a ddefnyddir yn dibynnu ar y cymhwysiad terfynol a'r amgylchedd y mae'r thermistor wedi'i leoli ynddo. Mae sefydlogrwydd hirdymor thermistor yn dibynnu ar ei ddeunydd, ei becynnu, a'i ddyluniad. Er enghraifft, gall thermistor NTC wedi'i orchuddio ag epocsi newid 0.2°C y flwyddyn, tra mai dim ond 0.02°C y flwyddyn y mae thermistor wedi'i selio yn newid.
Mae thermistorau ar gael mewn gwahanol fathau o gywirdeb. Mae gan thermistorau safonol gywirdeb fel arfer o 0.5°C i 1.5°C. Mae gan sgôr gwrthiant y thermistor a'r gwerth beta (cymhareb o 25°C i 50°C/85°C) oddefgarwch. Sylwch fod gwerth beta'r thermistor yn amrywio yn ôl y gwneuthurwr. Er enghraifft, bydd gan thermistorau NTC 10 kΩ gan wahanol wneuthurwyr werthoedd beta gwahanol. Ar gyfer systemau mwy cywir, gellir defnyddio thermistorau fel y gyfres Omega™ 44xxx. Mae ganddynt gywirdeb o 0.1°C neu 0.2°C dros ystod tymheredd o 0°C i 70°C. Felly, mae'r ystod o dymereddau y gellir eu mesur a'r cywirdeb sydd ei angen dros yr ystod tymheredd honno yn pennu a yw thermistorau yn addas ar gyfer y cymhwysiad hwn. Sylwch po uchaf yw cywirdeb y gyfres Omega 44xxx, yr uchaf yw'r gost.
I drosi gwrthiant i raddau Celsius, defnyddir y gwerth beta fel arfer. Pennir y gwerth beta trwy wybod y ddau bwynt tymheredd a'r gwrthiant cyfatebol ym mhob pwynt tymheredd.
RT1 = Gwrthiant tymheredd 1 RT2 = Gwrthiant tymheredd 2 T1 = Tymheredd 1 (K) T2 = Tymheredd 2 (K)
Mae'r defnyddiwr yn defnyddio'r gwerth beta sydd agosaf at yr ystod tymheredd a ddefnyddir yn y prosiect. Mae'r rhan fwyaf o daflenni data thermistor yn rhestru gwerth beta ynghyd â goddefgarwch gwrthiant ar 25°C a goddefgarwch ar gyfer y gwerth beta.
Mae thermistorau manwl gywirdeb uwch a datrysiadau terfynu manwl gywirdeb uchel fel y gyfres Omega 44xxx yn defnyddio hafaliad Steinhart-Hart i drosi gwrthiant i raddau Celsius. Mae Hafaliad 2 yn gofyn am y tri chysonyn A, B, a C, a ddarperir unwaith eto gan wneuthurwr y synhwyrydd. Gan fod cyfernodau'r hafaliad yn cael eu cynhyrchu gan ddefnyddio tri phwynt tymheredd, mae'r hafaliad sy'n deillio o hyn yn lleihau'r gwall a gyflwynir gan linoleiddio (fel arfer 0.02 °C).
Mae A, B a C yn gysonion sy'n deillio o dri phwynt gosod tymheredd. R = gwrthiant thermistor mewn ohmau T = tymheredd mewn graddau K
Mae ffig. 3 yn dangos cyffroad cerrynt y synhwyrydd. Mae cerrynt gyrru yn cael ei roi i'r thermistor a'r un cerrynt yn cael ei roi i'r gwrthydd manwl gywir; defnyddir gwrthydd manwl gywir fel cyfeirnod ar gyfer mesur. Rhaid i werth y gwrthydd cyfeirio fod yn fwy na neu'n hafal i werth uchaf gwrthiant y thermistor (yn dibynnu ar y tymheredd isaf a fesurwyd yn y system).
Wrth ddewis y cerrynt cyffroi, rhaid ystyried gwrthiant mwyaf y thermistor unwaith eto. Mae hyn yn sicrhau bod y foltedd ar draws y synhwyrydd a'r gwrthydd cyfeirio bob amser ar lefel sy'n dderbyniol i'r electroneg. Mae angen rhywfaint o le uwchben neu gyfatebiaeth allbwn ar y ffynhonnell cerrynt maes. Os oes gan y thermistor wrthiant uchel ar y tymheredd mesuradwy isaf, bydd hyn yn arwain at gerrynt gyrru isel iawn. Felly, mae'r foltedd a gynhyrchir ar draws y thermistor ar dymheredd uchel yn fach. Gellir defnyddio camau ennill rhaglenadwy i optimeiddio mesur y signalau lefel isel hyn. Fodd bynnag, rhaid rhaglennu'r ennill yn ddeinamig oherwydd bod lefel y signal o'r thermistor yn amrywio'n fawr gyda thymheredd.
Dewis arall yw gosod yr enillion ond defnyddio cerrynt gyrru deinamig. Felly, wrth i lefel y signal o'r thermistor newid, mae gwerth y cerrynt gyrru yn newid yn ddeinamig fel bod y foltedd a ddatblygir ar draws y thermistor o fewn yr ystod fewnbwn benodol ar gyfer y ddyfais electronig. Rhaid i'r defnyddiwr sicrhau bod y foltedd a ddatblygir ar draws y gwrthydd cyfeirio hefyd ar lefel sy'n dderbyniol i'r electroneg. Mae'r ddau opsiwn angen lefel uchel o reolaeth, monitro cyson o'r foltedd ar draws y thermistor fel y gall yr electroneg fesur y signal. A oes opsiwn haws? Ystyriwch gyffroi foltedd.
Pan roddir foltedd DC ar y thermistor, mae'r cerrynt trwy'r thermistor yn graddio'n awtomatig wrth i wrthiant y thermistor newid. Nawr, gan ddefnyddio gwrthydd mesur manwl gywir yn lle gwrthydd cyfeirio, ei bwrpas yw cyfrifo'r cerrynt sy'n llifo trwy'r thermistor, gan ganiatáu i wrthiant y thermistor gael ei gyfrifo. Gan fod y foltedd gyrru hefyd yn cael ei ddefnyddio fel y signal cyfeirio ADC, nid oes angen cam ennill. Nid oes gan y prosesydd y swydd o fonitro foltedd y thermistor, penderfynu a ellir mesur lefel y signal gan yr electroneg, a chyfrifo pa werth ennill/cerrynt gyrru sydd angen ei addasu. Dyma'r dull a ddefnyddir yn yr erthygl hon.
Os oes gan y thermistor sgôr gwrthiant ac ystod gwrthiant fach, gellir defnyddio cyffroi foltedd neu gerrynt. Yn yr achos hwn, gellir gosod y cerrynt gyrru a'r enillion. Felly, bydd y gylched fel y dangosir yn Ffigur 3. Mae'r dull hwn yn gyfleus gan ei bod hi'n bosibl rheoli'r cerrynt trwy'r synhwyrydd a'r gwrthydd cyfeirio, sy'n werthfawr mewn cymwysiadau pŵer isel. Yn ogystal, mae hunan-gynhesu'r thermistor yn cael ei leihau i'r lleiafswm.
Gellir defnyddio cyffroi foltedd hefyd ar gyfer thermistorau â graddfeydd gwrthiant isel. Fodd bynnag, rhaid i'r defnyddiwr sicrhau bob amser nad yw'r cerrynt trwy'r synhwyrydd yn rhy uchel ar gyfer y synhwyrydd na'r cymhwysiad.
Mae cyffroi foltedd yn symleiddio'r gweithrediad wrth ddefnyddio thermistor gyda sgôr gwrthiant mawr ac ystod tymheredd eang. Mae gwrthiant enwol mwy yn darparu lefel dderbyniol o gerrynt graddedig. Fodd bynnag, mae angen i ddylunwyr sicrhau bod y cerrynt ar lefel dderbyniol dros yr ystod tymheredd gyfan a gefnogir gan y cymhwysiad.
Mae ADCs Sigma-Delta yn cynnig sawl mantais wrth ddylunio system fesur thermistor. Yn gyntaf, oherwydd bod yr ADC sigma-delta yn ail-samplu'r mewnbwn analog, mae hidlo allanol yn cael ei gadw i'r lleiafswm a'r unig ofyniad yw hidlydd RC syml. Maent yn darparu hyblygrwydd o ran math yr hidlydd a chyfradd baud allbwn. Gellir defnyddio hidlo digidol adeiledig i atal unrhyw ymyrraeth mewn dyfeisiau sy'n cael eu pweru gan y prif gyflenwad. Mae gan ddyfeisiau 24-bit fel yr AD7124-4/AD7124-8 benderfyniad llawn o hyd at 21.7 bit, felly maent yn darparu datrysiad uchel.
Mae defnyddio ADC sigma-delta yn symleiddio dyluniad y thermistor yn fawr wrth leihau'r fanyleb, cost y system, gofod ar y bwrdd, ac amser i'r farchnad.
Mae'r erthygl hon yn defnyddio'r AD7124-4/AD7124-8 fel yr ADC oherwydd eu bod yn ADCs sŵn isel, cerrynt isel, manwl gywir gyda PGA adeiledig, cyfeirnod adeiledig, mewnbwn analog, a byffer cyfeirio.
Waeth a ydych chi'n defnyddio cerrynt gyrru neu foltedd gyrru, argymhellir cyfluniad ratiometrig lle mae'r foltedd cyfeirio a'r foltedd synhwyrydd yn dod o'r un ffynhonnell gyrru. Mae hyn yn golygu na fydd unrhyw newid yn y ffynhonnell gyffroi yn effeithio ar gywirdeb y mesuriad.
Ar ffig. 5 dangosir y cerrynt gyrru cyson ar gyfer y thermistor a'r gwrthydd manwl RREF, y foltedd a ddatblygir ar draws RREF yw'r foltedd cyfeirio ar gyfer mesur y thermistor.
Nid oes angen i'r cerrynt maes fod yn gywir a gall fod yn llai sefydlog gan y bydd unrhyw wallau yn y cerrynt maes yn cael eu dileu yn y cyfluniad hwn. Yn gyffredinol, mae cyffroi cerrynt yn cael ei ffafrio dros gyffroi foltedd oherwydd rheolaeth sensitifrwydd uwch ac imiwnedd sŵn gwell pan fydd y synhwyrydd wedi'i leoli mewn lleoliadau anghysbell. Defnyddir y math hwn o ddull rhagfarn fel arfer ar gyfer RTDs neu thermistorau â gwerthoedd gwrthiant isel. Fodd bynnag, ar gyfer thermistor â gwerth gwrthiant uwch a sensitifrwydd uwch, bydd lefel y signal a gynhyrchir gan bob newid tymheredd yn fwy, felly defnyddir cyffroi foltedd. Er enghraifft, mae gan thermistor 10 kΩ wrthiant o 10 kΩ ar 25°C. Ar -50°C, gwrthiant y thermistor NTC yw 441.117 kΩ. Mae'r cerrynt gyrru lleiaf o 50 µA a ddarperir gan yr AD7124-4/AD7124-8 yn cynhyrchu 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, sy'n rhy uchel ac y tu allan i ystod weithredu'r rhan fwyaf o ADCs sydd ar gael a ddefnyddir yn y maes cymhwysiad hwn. Mae thermistorau fel arfer hefyd wedi'u cysylltu neu wedi'u lleoli ger yr electroneg, felly nid oes angen imiwnedd i gerrynt gyrru.
Bydd ychwanegu gwrthydd synhwyro mewn cyfres fel cylched rhannwr foltedd yn cyfyngu'r cerrynt trwy'r thermistor i'w werth gwrthiant lleiaf. Yn y ffurfweddiad hwn, rhaid i werth y gwrthydd synhwyro RSENSE fod yn hafal i werth gwrthiant y thermistor ar dymheredd cyfeirio o 25°C, fel y bydd y foltedd allbwn yn hafal i ganolbwynt y foltedd cyfeirio ar ei dymheredd enwol o 25°CC. Yn yr un modd, os defnyddir thermistor 10 kΩ gyda gwrthiant o 10 kΩ ar 25°C, dylai RSENSE fod yn 10 kΩ. Wrth i'r tymheredd newid, mae gwrthiant y thermistor NTC hefyd yn newid, ac mae cymhareb y foltedd gyrru ar draws y thermistor hefyd yn newid, gan arwain at y foltedd allbwn yn gymesur â gwrthiant y thermistor NTC.
Os yw'r cyfeirnod foltedd a ddewiswyd a ddefnyddir i bweru'r thermistor a/neu RSENSE yn cyfateb i'r foltedd cyfeirio ADC a ddefnyddir ar gyfer mesur, mae'r system wedi'i gosod i fesuriad ratiometrig (Ffigur 7) fel y bydd unrhyw ffynhonnell foltedd gwall sy'n gysylltiedig â chyffroi yn cael ei rhagfarnu i'w ddileu.
Sylwch y dylai naill ai'r gwrthydd synhwyro (wedi'i yrru gan foltedd) neu'r gwrthydd cyfeirio (wedi'i yrru gan gerrynt) fod â goddefgarwch cychwynnol isel a drifft isel, gan y gall y ddau newidyn effeithio ar gywirdeb y system gyfan.
Wrth ddefnyddio thermistorau lluosog, gellir defnyddio un foltedd cyffroi. Fodd bynnag, rhaid i bob thermistor gael ei wrthydd synhwyro manwl ei hun, fel y dangosir yn ffig. 8. Opsiwn arall yw defnyddio amlblecsydd allanol neu switsh gwrthiant isel yn y cyflwr ymlaen, sy'n caniatáu rhannu un gwrthydd synhwyro manwl. Gyda'r cyfluniad hwn, mae angen rhywfaint o amser setlo ar bob thermistor pan gaiff ei fesur.
I grynhoi, wrth ddylunio system mesur tymheredd sy'n seiliedig ar thermistor, mae llawer o gwestiynau i'w hystyried: dewis synwyryddion, gwifrau synwyryddion, cyfaddawdau dewis cydrannau, ffurfweddiad ADC, a sut mae'r amrywiol newidynnau hyn yn effeithio ar gywirdeb cyffredinol y system. Mae'r erthygl nesaf yn y gyfres hon yn esbonio sut i optimeiddio dyluniad eich system a chyllideb gwallau system gyffredinol i gyflawni eich perfformiad targed.
Amser postio: Medi-30-2022