Hic est primus articulus in serie bipartita. Hic articulus primum historiam et difficultates designandi ... tractabit.temperatura thermistore fundataSystemata mensurae, necnon comparatio eorum cum systematibus mensurae temperaturae thermometri resistentiae (RTD). Describet etiam electionem thermistoris, compromissa configurationis, et momentum convertorum analogico-digitalium (ADC) sigma-delta in hoc campo applicationis. Secundus articulus explicabit quomodo systema mensurae finale thermistore fundatum optimizare et aestimare.
Ut in serie articulorum prioris, "Optimizatio Systematum Sensorum Temperaturae RTD", descriptum est, RTD est resistor cuius resistentia cum temperatura variat. Thermistores similiter RTD operantur. Dissimiles RTD, quae tantum coefficientem temperaturae positivum habent, thermistor coefficientem temperaturae positivum vel negativum habere potest. Thermistores coefficiente temperaturae negativo (NTC) resistentiam suam minuunt cum temperatura crescit, dum thermistores coefficiente temperaturae positivo (PTC) resistentiam suam augent cum temperatura crescit. In figura 1 proprietates responsorum typicorum thermistorum NTC et PTC monstrantur et eas cum curvis RTD comparantur.
Quod ad ambitum temperaturae attinet, curva RTD fere linearis est, et sensor multo latius ambitum temperaturae quam thermistores tegit (plerumque -200°C ad +850°C) propter naturam non linearem (exponentialem) thermistoris. RTD plerumque in curvis normatis bene notis praebentur, dum curvae thermistoris variantur secundum fabricatorem. Hoc fusius tractabimus in sectione ducis selectionis thermistoris huius articuli.
Thermistores ex materiis compositis, plerumque ceramicis, polymeris, vel semiconductoribus (plerumque oxydis metallicis) et metallis puris (platino, niccolo, vel cupro), fiunt. Thermistores mutationes temperaturae celerius quam RTD detegere possunt, responsum celerius praebentes. Quapropter, thermistores vulgo a sensoribus in applicationibus adhibentur quae sumptum vile, magnitudinem parvam, responsum celeriorem, sensibilitatem maiorem, et ambitum temperaturae limitatum requirunt, ut in imperio electronico, imperio domorum et aedificiorum, laboratorium scientificum, vel compensatione iuncturae frigidae pro thermocouple in applicationibus commercialibus vel industrialibus.
Plerumque thermistores NTC ad accuratam temperaturae mensurationem adhibentur, non thermistores PTC. Nonnulli thermistores PTC praesto sunt qui in circuitibus tutelae contra supercurrentem vel ut fusibilia restituibilia ad usus securitatis adhiberi possunt. Curva resistentiae-temperaturae thermistoris PTC regionem NTC minimam ostendit antequam punctum commutationis (vel punctum Curie) attingatur, supra quod resistentia acriter aliquot magnitudinis ordinibus in spatio aliquot graduum Celsii crescit. Sub condicionibus supercurrentis, thermistor PTC fortem autocalefactionem generabit cum temperatura commutationis exceditur, et resistentia eius acriter crescet, quod currentem ingressum ad systema minuet, ita damnum prohibens. Punctum commutationis thermistorum PTC typice inter 60°C et 120°C est et non aptum est ad mensurationes temperaturae moderandas in ampla applicationum serie. Hic articulus in thermistoribus NTC versatur, qui typice temperaturas ab -80°C ad +150°C metiri vel monitorare possunt. Thermistores NTC resistentias habent a paucis ohmiis ad 10 MΩ ad 25°C. Ut in figura 1 demonstratur, mutatio resistentiae per gradum Celsii pro thermistoribus clarior est quam pro thermometris resistentiae. Comparatis cum thermistoribus, alta sensibilitas et altus valor resistentiae thermistoris circuitum input simplificant, cum thermistores nullam configurationem filorum specialem, ut trium vel quattuor filorum, requirant ad resistentiam plumbi compensandam. Designatio thermistoris tantum simplicem configurationem duorum filorum utitur.
Mensura temperaturae thermistore altae praecisionis requirit accuratam signalium elaborationem, conversionem analogico-digitalem, linearizationem, et compensationem, ut in figura 2 demonstratur.
Quamvis series signorum simplex videatur, nonnullae tamen difficultates sunt quae magnitudinem, sumptum, et efficaciam totius schedae matris afficiunt. Series ADC accuratae ADI nonnullas solutiones integratas includit, ut AD7124-4/AD7124-8, quae plurima commoda pro consilio systematis thermalis praebent, cum pleraque elementa fundamentalia necessaria applicationi intrinsecus inclusa sint. Tamen, variae difficultates in designandis et optimizandis solutionibus mensurae temperaturae thermistore fundatis oriuntur.
Hic articulus singulas has quaestiones tractat et commendationes praebet ad eas solvendas et processum designandi talium systematum ulterius simplificandum.
Lata varietas estThermistores NTCIn foro hodierno, ergo thermistor aptus pro applicatione tua eligere potest esse negotium arduum. Nota thermistores secundum valorem nominalem enumerari, qui est resistentia nominalis ad 25°C. Ergo, thermistor 10 kΩ resistentiam nominalem 10 kΩ ad 25°C habet. Thermistores habent valores resistentiae nominales vel basicos a paucis ohmiis ad 10 MΩ. Thermistores cum resistentia humili (resistentia nominalis 10 kΩ vel minus) typice tolerant temperaturas inferiores, ut -50°C ad +70°C. Thermistores cum resistentia altiore temperaturas usque ad 300°C tolerare possunt.
Elementum thermistoris ex oxydo metallico factum est. Thermistores in formis globosis, radialibus et SMD praesto sunt. Grana thermistoris epoxy obducta vel vitro inclusa sunt ad maiorem protectionem. Thermistores globosi epoxy obducti, thermistores radiales et superficiales apti sunt ad temperaturas usque ad 150°C. Thermistores granorum vitreorum apti sunt ad altas temperaturas metiendas. Omnia genera obductionum/involucrorum etiam contra corrosionem protegunt. Quidam thermistores etiam involucra addita habebunt ad maiorem protectionem in ambitus asperis. Thermistores granorum tempus responsionis velocius habent quam thermistores radiales/SMD. Attamen non tam durabiles sunt. Ergo, genus thermistoris adhibiti pendet ab applicatione finali et ambitu in quo thermistor situs est. Stabilitas diuturna thermistoris a materia, involucro et consilio eius pendet. Exempli gratia, thermistor NTC epoxy obductus 0.2°C per annum mutare potest, dum thermistor sigillatus tantum 0.02°C per annum mutat.
Thermistores varia praecisione veniunt. Thermistores ordinarii typice praecisionem 0.5°C ad 1.5°C habent. Aestimatio resistentiae thermistoris et valor beta (proportio 25°C ad 50°C/85°C) tolerantiam habent. Nota valorem beta thermistoris secundum fabricatorem variare. Exempli gratia, thermistores NTC 10 kΩ a diversis fabricatoribus valores beta diversos habebunt. Pro systematibus accuratioribus, thermistores ut Omega™ series 44xxx adhiberi possunt. Hae praecisionem 0.1°C vel 0.2°C per intervallum temperaturae 0°C ad 70°C habent. Ergo, intervallum temperaturarum quae metiri possunt et praecisionem requisitam per illud intervallum temperaturae determinat utrum thermistores huic applicationi apti sint. Nota quaeso quo maior praecisionem seriei Omega 44xxx, eo maiorem pretium.
Ad resistentiam in gradus Celsii convertendam, valor beta plerumque adhibetur. Valor beta determinatur cognitis duobus punctis temperaturae et resistentia correspondenti in unoquoque puncto temperaturae.
RT1 = Resistentia temperaturae 1 RT2 = Resistentia temperaturae 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Usor valorem beta proxime ad ambitum temperaturae in proiecto adhibitum adhibet. Pleraeque schedae thermistorum valorem beta una cum tolerantia resistentiae ad 25°C et tolerantia pro valore beta enumerant.
Thermistores altioris praecisionis et solutiones terminationis altae praecisionis, ut series Omega 44xxx, aequationem Steinhart-Hart utuntur ad resistentiam in gradus Celsii convertendam. Aequatio 2 tres constantes A, B, et C requirit, iterum a fabricante sensoris provisas. Quia coefficientes aequationis generantur tribus punctis temperaturae utens, aequatio resultans errorem a linearizatione inductum (plerumque 0.02°C) ad minimum redigit.
A, B et C sunt constantes ex tribus punctis temperaturae definitis derivatae. R = resistentia thermistor in ohmiis; T = temperatura in gradibus K.
In figura 3 excitatio currentis sensoris ostenditur. Current impulsor thermistori applicatur et idem current resistori praecisionis applicatur; resistor praecisionis ut referentia ad mensurationem adhibetur. Valor resistoris referentialis maior vel aequalis maximo valori resistentiae thermistoris esse debet (pro infima temperatura in systemate mensurata).
Cum excitationis fluxus eligitur, maxima resistentia thermistoris iterum in rationem ducenda est. Hoc efficit ut tensio trans sensorem et resistorem referentiae semper ad gradum electronicis acceptabilem sit. Fons fluxus campi aliquod spatium headroom vel adaptationem output requirit. Si thermistor resistentiam magnam ad infimam temperaturam mensurabilem habet, hoc fluxum impulsorium valde humilem efficiet. Ergo, tensio trans thermistorem ad altam temperaturam generata parva est. Gradus amplificationis programmabiles ad mensuram horum signorum humilis gradus optimizandam adhiberi possunt. Attamen, amplificatio dynamicaliter programmanda est quia gradus signi a thermistore magnopere cum temperatura variat.
Alia optio est lucrum constituere sed currentem impulsorium dynamicum uti. Ergo, cum gradus signi a thermistore mutatur, valor currentis impulsoris dynamiciter mutatur ut tensio trans thermistorem evoluta intra ambitum input specificatum instrumenti electronici sit. Usor curare debet ut tensio trans resistorem referentialem evoluta etiam ad gradum electronicis acceptabilem sit. Ambae optiones altum gradum moderationis, constantem observationem tensionis trans thermistorem requirunt ut electronica signum metiri possint. Estne optio facilior? Excitationem tensionis considera.
Cum tensio continua (DC) thermistori applicatur, fluxus electricus per thermistorem sponte crescit dum resistentia thermistoris mutatur. Nunc, resistore mensurae praecisionis loco resistoris referentialis utendo, propositum eius est fluxum electricum per thermistorem calculare, ita resistentia thermistoris calculari permittente. Quoniam tensio impulsoria etiam ut signum referentiale ADC adhibetur, nullum gradum amplificationis requiritur. Processorius non habet munus tensionem thermistoris monitorandi, determinandi utrum gradus signi ab electronicis metiri possit, et calculandi quem valorem amplificationis/fluxus impulsoris adaptandi sint. Haec est methodus in hoc articulo adhibita.
Si thermistor resistentiam et ambitum resistentiae parvum habet, excitatio tensionis vel currentis adhiberi potest. Hoc in casu, currentis impulsoris et amplificatio figi possunt. Ita circuitus erit ut in Figura 3 monstratur. Haec methodus commoda est quia fieri potest ut currentis per sensorem et resistorem referentiae moderetur, quod utile est in applicationibus parvae potentiae. Praeterea, calefactio thermistoris ad minimum redigitur.
Excitatio tensionis etiam adhiberi potest pro thermistoribus cum resistentia humili. Attamen, usor semper curare debet ne currentia per sensorem nimis alta sit pro sensore vel applicatione.
Excitatio tensionis implementationem simplificat cum thermistor cum magna resistentia aestimata et lato ambitu temperaturae adhibetur. Maior resistentia nominalis gradum acceptabilem currentis aestimati praebet. Attamen designatores curare debent ut currentis gradu acceptabili per totum ambitum temperaturae ab applicatione sustentatum sit.
ADC Sigma-Delta plura commoda offerunt cum systema mensurae thermistoris designatur. Primo, quia ADC sigma-delta ingressum analogicum resamplet, filtratio externa ad minimum redigitur et sola necessitas est simplex filtrum RC. Flexibilitatem in genere filtri et celeritate transmissionis exitus praebent. Filtratio digitalis inclusa adhiberi potest ad quamlibet interferentiam in instrumentis a rete potentia potentibus supprimendam. Instrumenta 24-bit, ut AD7124-4/AD7124-8, resolutionem plenam usque ad 21.7 bit habent, ita resolutionem magnam praebent.
Usus ADC sigma-delta designum thermistoris magnopere simplificat, dum specificationem, sumptum systematis, spatium tabulae, et tempus ad mercatum imminuit.
Hic articulus AD7124-4/AD7124-8 ut ADC utitur, quia sunt ADC parvi strepitus, parvae currentiae, praecisionis cum PGA integrato, referentia integrata, ingressu analogico, et memoria referentiali interna.
Sive currentem impulsoriam sive tensionem impulsoriam adhibeas, configuratio ratiometrica commendatur in qua tensio referentialis et tensio sensoris ex eadem fonte impulsoria veniunt. Hoc significat nullam mutationem in fonte excitationis accuratiam mensurae afficere.
In figura 5 ostenditur fluxus electricus constans impulsoris pro thermistore et resistore praecisionis RREF; tensio evoluta trans RREF est tensio referentialis ad thermistorem metiendum.
Non necesse est ut cursus campi accuratus sit et minus stabilis esse potest, cum quivis error in cursu campi in hac configuratione eliminabitur. Generaliter, excitatio cursus praefertur excitationi tensionis propter meliorem moderationem sensibilitatis et meliorem immunitatem a strepitu cum sensor in locis remotis collocatur. Hoc genus methodi polarisationis typice adhibetur pro RTD vel thermistoribus cum valoribus resistentiae humilis. Attamen, pro thermistore cum altiore valore resistentiae et altiore sensibilitate, gradus signi generatus ab unaquaque mutatione temperaturae maior erit, ita excitatio tensionis adhibetur. Exempli gratia, thermistor 10 kΩ resistentiam 10 kΩ habet ad 25°C. Ad -50°C, resistentia thermistoris NTC est 441.117 kΩ. Minimum cursum impulsorium 50 µA, quod ab AD7124-4/AD7124-8 praebitum est, 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V generat, quod nimis altum est et extra ambitum operationis plerorumque ADC praesto in hac area applicationis adhibitorum. Thermistores etiam plerumque connecti vel prope electronica collocantur, ita immunitas ad currentem impulsorium non requiritur.
Resistorem sensorium in serie, quasi divisorem tensionis, addendo currentem per thermistorem ad minimum valorem resistentiae limitabis. In hac configuratione, valor resistoris sensorii RSENSE aequalis esse debet valori resistentiae thermistoris ad temperaturam referentialem 25°C, ita ut tensio egressa aequalis sit puncto medio tensionis referentialis ad temperaturam nominalem 25°CC. Similiter, si thermistor 10 kΩ cum resistentia 10 kΩ ad 25°C adhibetur, RSENSE 10 kΩ esse debet. Cum temperatura mutatur, resistentia thermistoris NTC etiam mutatur, et proportio tensionis impulsivae trans thermistorem etiam mutatur, quod efficit ut tensio egressa proportionalis sit resistentiae thermistoris NTC.
Si tensio referentialis selecta ad thermistorem et/vel RSENSE potentiandum adhibita tensioni referentiali ADC ad mensurationem adhibitae congruit, systema ad mensurationem ratiometricam (Figura 7) constituitur, ita ut quaevis fons tensionis erroris excitationis conexus ad removendum polarizatur.
Nota bene resistorem sensorium (tensione actum) vel resistorem referentialem (currente actum) tolerantiam initialem humilem et fluctuationem humilem habere debere, cum ambae variabiles accuratiam totius systematis afficere possint.
Cum pluribus thermistoribus utimur, una tensio excitationis adhiberi potest. Attamen, quisque thermistor proprium resistorem sensus praecisionis habere debet, ut in figura 8 demonstratur. Alia optio est multiplexor externus vel interruptor resistentiae humilis in statu accenso uti, quod permittit ut unus resistor sensus praecisionis communicetur. Hac configuratione, quisque thermistor tempus stabilizationis requirit cum mensuratur.
Summa summarum, cum systema mensurae temperaturae thermistore utens designatur, multae sunt quaestiones considerandae: selectio sensoris, nexus sensoris, compromissa selectionis componentium, configuratio ADC, et quomodo hae variae variabiles accuratiam generalem systematis afficiunt. Articulus proximus in hac serie explicat quomodo designationem systematis tui et summam errorum systematis optimizare ad propositam efficaciam assequendam.
Tempus publicationis: XXX Septembris, MMXXII