Dyma'r erthygl gyntaf mewn cyfres dwy ran.Bydd yr erthygl hon yn trafod heriau hanes a dylunio yn gyntaftymheredd sy'n seiliedig ar thermistorsystemau mesur, yn ogystal â'u cymhariaeth â systemau mesur tymheredd thermomedr gwrthiant (RTD).Bydd hefyd yn disgrifio'r dewis o thermistor, cyfnewidiadau cyfluniad, a phwysigrwydd trawsnewidwyr analog-i-ddigidol sigma-delta (ADCs) yn y maes cais hwn.Bydd yr ail erthygl yn manylu ar sut i optimeiddio a gwerthuso'r system fesur derfynol ar sail thermistor.
Fel y disgrifiwyd yn y gyfres erthygl flaenorol, Optimeiddio Systemau Synhwyrydd Tymheredd RTD, mae RTD yn wrthydd y mae ei wrthwynebiad yn amrywio gyda thymheredd.Mae thermistors yn gweithio'n debyg i RTDs.Yn wahanol i RTDs, sydd â chyfernod tymheredd positif yn unig, gall thermistor gael cyfernod tymheredd positif neu negyddol.Mae thermistorau cyfernod tymheredd negyddol (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.Mae 1 yn dangos nodweddion ymateb thermistors NTC a PTC nodweddiadol ac yn eu cymharu â chromliniau RTD.
O ran 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 aflinol (esbonyddol) y thermistor.Mae RTDs fel arfer yn cael eu darparu 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.
Mae thermistors yn cael eu gwneud o ddeunyddiau cyfansawdd, fel arfer cerameg, polymerau, neu lled-ddargludyddion (ocsidau metel fel arfer) a metelau pur (platinwm, nicel, neu gopr).Gall thermistors ganfod newidiadau tymheredd yn gyflymach na RTDs, gan ddarparu adborth cyflymach.Felly, mae thermistors yn cael eu defnyddio'n gyffredin gan synwyryddion mewn cymwysiadau sy'n gofyn am gost isel, maint bach, ymateb cyflymach, sensitifrwydd uwch, ac ystod tymheredd cyfyngedig, megis rheolaeth electroneg, rheolaeth cartref ac adeiladu, labordai gwyddonol, neu iawndal cyffordd oer ar gyfer thermocyplau mewn masnachol. neu gymwysiadau diwydiannol.dibenion.Ceisiadau.
Yn y rhan fwyaf o achosion, defnyddir thermistors NTC ar gyfer mesur tymheredd cywir, nid thermistors PTC.Mae rhai thermistorau PTC ar gael y gellir eu defnyddio mewn cylchedau amddiffyn gorlif neu fel ffiwsiau ailosodadwy ar gyfer cymwysiadau diogelwch.Mae cromlin gwrthiant-tymheredd thermistor PTC yn dangos rhanbarth NTC bach iawn cyn cyrraedd y pwynt switsh (neu bwynt Curie), ac uwchlaw hynny mae'r gwrthiant yn codi'n sydyn gan sawl gorchymyn maint yn yr ystod o sawl gradd Celsius.O dan amodau gorlifo, bydd y thermistor PTC yn cynhyrchu hunan-wresogi cryf pan eir y tu hwnt i'r tymheredd newid, a bydd ei wrthwynebiad yn codi'n sydyn, a fydd yn lleihau'r cerrynt mewnbwn i'r system, a thrwy hynny atal difrod.Mae pwynt newid thermistors 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 thermistors NTC, sydd fel arfer yn gallu mesur neu fonitro tymereddau sy'n amrywio o -80 ° C i +150 ° C.Mae gan thermistors NTC gyfraddau gwrthiant yn 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 thermistors, mae sensitifrwydd uchel a gwerth gwrthiant uchel y thermistor yn symleiddio ei gylchedwaith mewnbwn, gan nad oes angen unrhyw gyfluniad gwifrau arbennig, fel 3-wifren neu 4-wifren, ar thermistors i wneud iawn am ymwrthedd plwm.Mae dyluniad thermistor yn defnyddio cyfluniad 2-wifren syml yn unig.
Mae mesur tymheredd manwl gywir yn seiliedig ar thermistor yn gofyn am brosesu signal manwl gywir, trosi analog-i-ddigidol, llinoleiddio, ac iawndal, fel y dangosir yn ffig.2 .
Er y gall y gadwyn signal ymddangos yn syml, mae yna nifer o gymhlethdodau sy'n effeithio ar faint, cost a pherfformiad y famfwrdd cyfan.Mae portffolio ADC manwl ADI yn cynnwys sawl datrysiad integredig, megis AD7124-4 / AD7124-8, sy'n darparu nifer o fanteision ar gyfer dylunio system thermol gan fod y rhan fwyaf o'r blociau adeiladu sydd eu hangen ar gyfer cais wedi'u hymgorffori.Fodd bynnag, mae heriau amrywiol wrth ddylunio ac optimeiddio atebion 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 cais fod yn dasg frawychus.Sylwch fod thermistorau wedi'u rhestru yn ôl eu gwerth nominal, sef eu gwrthiant enwol ar 25°C.Felly, mae gan thermistor 10 kΩ wrthiant enwol o 10 kΩ ar 25 ° C.Mae gan thermistors 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, megis -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 fetel ocsid.Mae thermistorau ar gael mewn siapiau pêl, rheiddiol a SMD.Mae gleiniau thermistor wedi'u gorchuddio ag epocsi neu wydr wedi'u hamgáu i'w diogelu ymhellach.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 tymheredd uchel.Mae pob math o haenau / pecynnu hefyd yn amddiffyn rhag cyrydiad.Bydd gan rai thermistors hefyd amgaeadau ychwanegol ar gyfer amddiffyniad ychwanegol mewn amgylcheddau garw.Mae gan thermistors gleiniau amser ymateb cyflymach na thermistors rheiddiol/SMD.Fodd bynnag, nid ydynt mor wydn.Felly, mae'r math o thermistor a ddefnyddir yn dibynnu ar y cais 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 bod thermistor wedi'i selio yn newid 0.02°C y flwyddyn yn unig.
Daw thermistors mewn cywirdeb gwahanol.Mae gan thermistors safonol fel arfer gywirdeb o 0.5°C i 1.5°C.Mae gan y sgôr gwrthiant thermistor a gwerth beta (cymhareb o 25 ° C i 50 ° C / 85 ° C) oddefgarwch.Sylwch fod gwerth beta y thermistor yn amrywio yn ôl gwneuthurwr.Er enghraifft, bydd gan 10 kΩ thermistors NTC o wahanol wneuthurwyr werthoedd beta gwahanol.Ar gyfer systemau mwy cywir, gellir defnyddio thermistors 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 tymheredd y gellir ei fesur a'r cywirdeb sydd ei angen dros yr ystod tymheredd hwnnw yn pennu a yw thermistors yn addas ar gyfer y cais hwn.Sylwch, po uchaf yw cywirdeb y gyfres Omega 44xxx, yr uchaf yw'r gost.
I drosi ymwrthedd i raddau Celsius, defnyddir y gwerth beta fel arfer.Pennir y gwerth beta trwy wybod y ddau bwynt tymheredd a'r gwrthiant cyfatebol ar bob 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 goddefiant gwrthiant ar 25 ° C a goddefiant ar gyfer y gwerth beta.
Mae thermistors manylder uwch ac atebion terfynu manwl uchel megis y gyfres Omega 44xxx yn defnyddio hafaliad Steinhart-Hart i drosi ymwrthedd i raddau Celsius.Mae Hafaliad 2 yn gofyn am y tri chysonyn A, B, ac C, a ddarperir eto gan wneuthurwr y synhwyrydd.Oherwydd bod y cyfernodau hafaliad yn cael eu cynhyrchu gan ddefnyddio tri phwynt tymheredd, mae'r hafaliad canlyniadol yn lleihau'r gwall a gyflwynir gan linellu (0.02 ° C fel arfer).
Mae A, B ac C yn gysonion sy'n deillio o dri phwynt gosod tymheredd.R = gwrthiant thermistor mewn ohms T = tymheredd mewn graddau K
Ar ffig.Mae 3 yn dangos cyffro presennol y synhwyrydd.Rhoddir cerrynt gyriant ar y thermistor a rhoddir yr un cerrynt ar y gwrthydd manwl;defnyddir gwrthydd manwl gywir fel cyfeiriad ar gyfer mesur.Rhaid i werth y gwrthydd cyfeirio fod yn fwy neu'n hafal i werth uchaf gwrthiant y thermistor (yn dibynnu ar y tymheredd isaf a fesurir yn y system).
Wrth ddewis y cerrynt cyffroi, rhaid ystyried gwrthiant uchaf y thermistor 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 ffynhonnell gyfredol y maes angen rhywfaint o uchdwr neu gyfatebiad allbwn.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 wneud y gorau o fesur y signalau lefel isel hyn.Fodd bynnag, rhaid rhaglennu'r cynnydd yn ddeinamig oherwydd bod lefel y signal o'r thermistor yn amrywio'n fawr gyda thymheredd.
Opsiwn arall yw gosod y cynnydd ond defnyddio cerrynt gyriant deinamig.Felly, wrth i lefel y signal o'r thermistor newid, mae gwerth cerrynt y gyriant yn newid yn ddeinamig fel bod y foltedd a ddatblygir ar draws y thermistor o fewn ystod mewnbwn penodedig 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 yn gofyn am 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 excitation foltedd.
Pan fydd foltedd DC yn cael ei gymhwyso i'r thermistor, mae'r cerrynt trwy'r thermistor yn graddoli'n awtomatig wrth i wrthwynebiad y thermistor newid.Nawr, gan ddefnyddio gwrthydd mesur manwl gywir yn lle gwrthydd cyfeirio, ei ddiben 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 gwaith o fonitro foltedd thermistor, penderfynu a ellir mesur lefel y signal gan yr electroneg, a chyfrifo pa gynnydd gyriant / gwerth cyfredol sydd angen ei addasu.Dyma'r dull a ddefnyddir yn yr erthygl hon.
Os oes gan y thermistor raddfa ymwrthedd fechan ac ystod ymwrthedd, gellir defnyddio cyffro foltedd neu gyfredol.Yn yr achos hwn, gellir gosod cerrynt y gyriant a'r cynnydd.Felly, bydd y gylched fel y dangosir yn Ffigur 3. Mae'r dull hwn yn gyfleus gan ei bod yn 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.
Gellir defnyddio excitation foltedd hefyd ar gyfer thermistors gyda chyfraddau ymwrthedd isel.Fodd bynnag, rhaid i'r defnyddiwr bob amser sicrhau nad yw'r cerrynt trwy'r synhwyrydd yn rhy uchel ar gyfer y synhwyrydd neu'r cymhwysiad.
Mae excitation foltedd yn symleiddio gweithrediad wrth ddefnyddio thermistor gyda graddfa ymwrthedd 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 cyfan a gefnogir gan y cais.
Mae ADCs Sigma-Delta yn cynnig nifer o fanteision wrth ddylunio system mesur thermistor.Yn gyntaf, oherwydd bod yr ADC sigma-delta yn ailsamplu'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 o hidlydd a chyfradd baud allbwn.Gellir defnyddio hidlo digidol wedi'i gynnwys i atal unrhyw ymyrraeth mewn dyfeisiau sy'n cael eu pweru gan y prif gyflenwad.Mae gan ddyfeisiau 24-did fel yr AD7124-4/AD7124-8 gydraniad llawn o hyd at 21.7 did, felly maent yn darparu cydraniad uchel.
Mae defnyddio ADC sigma-delta yn symleiddio'r dyluniad thermistor yn fawr wrth leihau'r fanyleb, cost y system, gofod bwrdd, ac amser i'r farchnad.
Mae'r erthygl hon yn defnyddio'r AD7124-4 / AD7124-8 fel yr ADC oherwydd eu bod yn ADC sŵn isel, cerrynt isel, manwl gywir gyda PGA adeiledig, cyfeiriad adeiledig, mewnbwn analog, a byffer cyfeirio.
Ni waeth a ydych chi'n defnyddio cerrynt gyriant neu foltedd gyrru, argymhellir cyfluniad cymharebmetrig lle mae'r foltedd cyfeirio a'r foltedd synhwyrydd yn dod o'r un ffynhonnell gyriant.Mae hyn yn golygu na fydd unrhyw newid yn y ffynhonnell excitation yn effeithio ar gywirdeb y mesuriad.
Ar ffig.Mae 5 yn dangos y cerrynt gyriant cyson ar gyfer y thermistor a'r gwrthydd manwl RREF, y foltedd a ddatblygwyd 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 oherwydd bydd unrhyw wallau yn y cerrynt maes yn cael eu dileu yn y ffurfweddiad hwn.Yn gyffredinol, mae cyffro cyfredol yn cael ei ffafrio yn hytrach na chyffro foltedd oherwydd rheolaeth sensitifrwydd uwch a gwell imiwnedd sŵn pan fydd y synhwyrydd wedi'i leoli mewn lleoliadau anghysbell.Defnyddir y math hwn o ddull bias yn nodweddiadol ar gyfer RTDs neu thermistorau â gwerthoedd gwrthiant isel.Fodd bynnag, ar gyfer thermistor sydd â gwerth gwrthiant uwch a sensitifrwydd uwch, bydd lefel y signal a gynhyrchir gan bob newid tymheredd yn fwy, felly defnyddir excitation foltedd.Er enghraifft, mae gan thermistor 10 kΩ wrthiant o 10 kΩ ar 25°C.Ar -50 ° C, gwrthiant thermistor NTC yw 441.117 kΩ.Mae'r cerrynt gyrru lleiaf o 50 µA a ddarperir gan 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 ADC mwyaf sydd ar gael a ddefnyddir yn y maes cais hwn.Mae thermistors hefyd fel arfer wedi'u cysylltu neu wedi'u lleoli ger yr electroneg, felly nid oes angen imiwnedd i yrru cerrynt.
Bydd ychwanegu gwrthydd synnwyr mewn cyfres fel cylched rhannwr foltedd yn cyfyngu'r cerrynt trwy'r thermistor i'w werth gwrthiant lleiaf.Yn y cyfluniad 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 bwynt canol 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 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 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 cymharebmetrig (Ffigur 7) fel y bydd unrhyw ffynhonnell foltedd gwall sy'n gysylltiedig â chyffro yn dueddol o gael ei dileu.
Sylwch y dylai fod gan y gwrthydd synhwyrau (a yrrir gan foltedd) neu'r gwrthydd cyfeirio (a yrrir gan gyfredol) oddefgarwch cychwynnol isel a drifft isel, oherwydd gall y ddau newidyn effeithio ar gywirdeb y system gyfan.
Wrth ddefnyddio thermistors lluosog, gellir defnyddio un foltedd excitation.Fodd bynnag, rhaid bod gan bob thermistor ei wrthydd synhwyrau 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 synnwyr manwl.Gyda'r cyfluniad hwn, mae angen rhywfaint o amser setlo ar bob thermistor wrth ei fesur.
I grynhoi, wrth ddylunio system mesur tymheredd yn seiliedig ar thermistor, mae llawer o gwestiynau i'w hystyried: dewis synhwyrydd, gwifrau synhwyrydd, cyfaddawdau dewis cydrannau, cyfluniad ADC, a sut mae'r newidynnau amrywiol hyn yn effeithio ar gywirdeb cyffredinol y system.Mae'r erthygl nesaf yn y gyfres hon yn esbonio sut i wneud y gorau o'ch dyluniad system a'ch cyllideb gwall system gyffredinol i gyrraedd eich perfformiad targed.
Amser postio: Medi-30-2022