Þetta er fyrsta greinin í tveggja hluta seríu. Í þessari grein verður fyrst fjallað um sögu og hönnunaráskoranirhitastig byggt á hitamælimælikerfum, sem og samanburði þeirra við hitastigsmælingarkerfi með viðnámshitamælum (RTD). Einnig verður lýst vali á hitamæli, málamiðlun varðandi stillingar og mikilvægi sigma-delta hliðrænna-í-stafrænna breyta (ADC) á þessu notkunarsviði. Önnur greinin mun útskýra ítarlega hvernig á að hámarka og meta lokahitamælikerfið sem byggir á hitamæli.
Eins og lýst er í fyrri greinaflokknum, Að fínstilla hitastigsskynjarakerfi fyrir RTD, er RTD viðnám þar sem viðnámið breytist með hitastigi. Hitamælar virka á svipaðan hátt og RTD. Ólíkt RTD, sem aðeins hafa jákvæðan hitastuðul, getur hitamælur haft jákvæðan eða neikvæðan hitastuðul. Hitamælar með neikvæðum hitastuðli (NTC) minnka viðnám sitt þegar hitastigið hækkar, en hitamælar með jákvæðum hitastuðli (PTC) auka viðnám sitt þegar hitastigið hækkar. Á mynd 1 eru sýndir svörunareiginleikar dæmigerðra NTC og PTC hitamæla og þeir bornir saman við RTD ferla.
Hvað varðar hitastigsbil er RTD-kúrfan nánast línuleg og skynjarinn nær yfir mun breiðara hitastigsbil en hitastillar (venjulega -200°C til +850°C) vegna ólínulegs (veldisvísis) eðlis hitastillisins. RTD-ar eru venjulega gefnir út í vel þekktum stöðluðum kúrfum, en hitastillakúrfar eru mismunandi eftir framleiðendum. Við munum ræða þetta ítarlega í leiðbeiningum um val á hitastillum í þessari grein.
Hitamælar eru úr samsettum efnum, oftast keramik, fjölliðum eða hálfleiðurum (venjulega málmoxíðum) og hreinum málmum (platínu, nikkel eða kopar). Hitamælar geta greint hitabreytingar hraðar en RTD-mælar, sem veitir hraðari endurgjöf. Þess vegna eru hitamælar almennt notaðir af skynjurum í forritum sem krefjast lágs kostnaðar, lítillar stærðar, hraðari svörunar, meiri næmni og takmarkaðs hitastigsbils, svo sem rafeindastýringar, heimilis- og byggingarstýringar, vísindarannsóknarstofa eða kuldatengingar fyrir hitamæla í viðskipta- eða iðnaðartilgangi. Notkun.
Í flestum tilfellum eru NTC hitamælar notaðir til nákvæmrar hitamælingar, ekki PTC hitamælar. Sumir PTC hitamælar eru fáanlegir sem hægt er að nota í ofstraumsvörn eða sem endurstillanleg öryggi fyrir öryggisforrit. Viðnáms-hitastigskúrfa PTC hitamæla sýnir mjög lítið NTC svæði áður en rofapunkturinn (eða Curie punkturinn) nær, en fyrir ofan hann hækkar viðnámið skarpt um nokkrar stærðargráður á bilinu nokkrar gráður á Celsíus. Við ofstraumsaðstæður mun PTC hitamælinn mynda mikla sjálfhitnun þegar rofahitastigið er farið yfir og viðnám hans mun hækka skarpt, sem mun draga úr inntaksstraumnum í kerfið og þannig koma í veg fyrir skemmdir. Rofapunktur PTC hitamæla er venjulega á milli 60°C og 120°C og er ekki hentugur til að stjórna hitamælingum í fjölbreyttum forritum. Þessi grein fjallar um NTC hitamæla, sem geta venjulega mælt eða fylgst með hitastigi á bilinu -80°C til +150°C. NTC hitamælar hafa viðnámsgildi sem spanna frá nokkrum ohmum upp í 10 MΩ við 25°C. Eins og sést á mynd 1 er breytingin á viðnámi á Celsíus-gráðu fyrir hitamæla meiri en fyrir viðnámshitamæla. Í samanburði við hitamæla einfaldar mikil næmni og hátt viðnámsgildi hitamælanna inntaksrásina, þar sem hitamælar þurfa ekki neina sérstaka raflögn, svo sem 3- eða 4-víra, til að bæta upp fyrir leiðsluviðnám. Hitamælarinn notar aðeins einfalda 2-víra stillingu.
Nákvæmar hitamælingar með hitastýri krefjast nákvæmrar merkjavinnslu, umbreytingar úr hliðrænu í stafrænt form, línuleika og bætur, eins og sýnt er á mynd 2.
Þótt merkjakeðjan virðist einföld eru nokkrir flækjustigir sem hafa áhrif á stærð, kostnað og afköst alls móðurborðsins. Nákvæmar ADC-lausnir ADI innihalda nokkrar samþættar lausnir, eins og AD7124-4/AD7124-8, sem bjóða upp á fjölda kosta fyrir hönnun varmakerfa þar sem flestir byggingareiningar sem þarf fyrir forrit eru innbyggðir. Hins vegar eru ýmsar áskoranir við að hanna og hámarka hitamælingarlausnir sem byggja á hitastýringum.
Þessi grein fjallar um hvert þessara vandamála og veitir tillögur að lausnum á þeim og einföldun enn frekar á hönnunarferlinu fyrir slík kerfi.
Það er fjölbreytt úrval afNTC hitastillirá markaðnum í dag, þannig að það getur verið erfitt verkefni að velja rétta hitamælinn fyrir þína notkun. Athugið að hitamælar eru skráðir eftir nafngildi sínu, sem er nafnviðnám þeirra við 25°C. Þess vegna hefur 10 kΩ hitamælur nafnviðnám upp á 10 kΩ við 25°C. Hitamælar hafa nafn- eða grunnviðnámsgildi frá nokkrum ohmum upp í 10 MΩ. Hitamælar með lága viðnámsgildi (nafnviðnám 10 kΩ eða minna) styðja venjulega lægri hitastigsbil, svo sem -50°C til +70°C. Hitamælar með hærri viðnámsgildi þola hitastig allt að 300°C.
Hitamælingarþátturinn er úr málmoxíði. Hitamælingar eru fáanlegar í kúlu-, geisla- og SMD-lögun. Hitamælingarperlur eru epoxyhúðaðar eða glerhúðaðar fyrir aukna vörn. Epoxyhúðaðar kúluhitamælingar, geisla- og yfirborðshitamælingar henta fyrir hitastig allt að 150°C. Glerperluhitamælingar henta til að mæla hátt hitastig. Allar gerðir húðunar/umbúða vernda einnig gegn tæringu. Sumir hitamælingar eru einnig með viðbótarhúsum fyrir aukna vörn í erfiðu umhverfi. Glerperluhitamælingar hafa hraðari svörunartíma en geisla-/SMD-hitamælingar. Hins vegar eru þeir ekki eins endingargóðir. Þess vegna fer gerð hitamælingarinnar sem notuð er eftir notkun og umhverfinu sem hitamælingin er staðsett í. Langtímastöðugleiki hitamælingar fer eftir efni hans, umbúðum og hönnun. Til dæmis getur epoxyhúðaður NTC hitamælir breyst um 0,2°C á ári, en innsiglaður hitamælir breytist aðeins um 0,02°C á ári.
Hitamælar eru fáanlegir með mismunandi nákvæmni. Staðlaðir hitamælar hafa yfirleitt nákvæmni frá 0,5°C til 1,5°C. Viðnámsgildi hitamælanna og beta-gildi (hlutfallið 25°C til 50°C/85°C) hafa vikmörk. Athugið að beta-gildi hitamælanna er mismunandi eftir framleiðendum. Til dæmis munu 10 kΩ NTC hitamælar frá mismunandi framleiðendum hafa mismunandi beta-gildi. Fyrir nákvæmari kerfi er hægt að nota hitamæla eins og Omega™ 44xxx seríuna. Þeir hafa nákvæmni upp á 0,1°C eða 0,2°C yfir hitastigsbil frá 0°C til 70°C. Þess vegna ræður hitastigsbilið sem hægt er að mæla og nákvæmnin sem krafist er yfir það hitastigsbil hvort hitamælar henti fyrir þessa notkun. Vinsamlegast athugið að því meiri nákvæmni Omega 44xxx seríunnar er, því hærri er kostnaðurinn.
Til að umbreyta viðnámi í gráður á Celsíus er beta-gildið venjulega notað. Beta-gildið er ákvarðað með því að þekkja tvö hitastig og samsvarandi viðnám við hvert hitastig.
RT1 = Hitaþol 1 RT2 = Hitaþol 2 T1 = Hitastig 1 (K) T2 = Hitastig 2 (K)
Notandinn notar beta-gildið sem er næst hitastigsbilinu sem notað er í verkefninu. Flest gagnablöð fyrir hitastillara sýna beta-gildi ásamt viðnámsþoli við 25°C og þolmörkum fyrir beta-gildið.
Nákvæmari hitastillir og nákvæmar lokunarlausnir eins og Omega 44xxx serían nota Steinhart-Hart jöfnuna til að umbreyta viðnámi í gráður á Celsíus. Jafna 2 krefst þriggja fasta A, B og C, sem framleiðandi skynjarans gefur upp. Þar sem jöfnustuðlarnir eru búnir til með þremur hitapunktum, lágmarkar jafnan sem myndast villuna sem myndast við línuleika (venjulega 0,02 °C).
A, B og C eru fastar sem eru reiknaðir út frá þremur hitastigsstillingum. R = viðnám hitastillis í ómum T = hitastig í K gráðum
Á mynd 3 sést straumörvun skynjarans. Stýrisstraumur er lagður á hitamæliinn og sami straumur er lagður á nákvæmniviðnámið; nákvæmniviðnám er notað sem viðmiðun fyrir mælingar. Gildi viðmiðunarviðnámsins verður að vera hærra en eða jafnt hæsta gildi hitamæliviðnámsins (fer eftir lægsta hitastigi sem mælst hefur í kerfinu).
Þegar örvunarstraumurinn er valinn verður aftur að taka tillit til hámarksviðnáms hitamælisins. Þetta tryggir að spennan yfir skynjarann og viðmiðunarviðnámið sé alltaf á því stigi sem rafeindabúnaðurinn getur sætt sig við. Straumgjafinn þarfnast nokkurs svigrúms eða úttakssamræmingar. Ef hitamælirinn hefur hátt viðnám við lægsta mælanlega hitastigið mun það leiða til mjög lágs stýristraums. Þess vegna er spennan sem myndast yfir hitamæliinn við hátt hitastig lítil. Hægt er að nota forritanlegar styrkingarþrep til að hámarka mælingu á þessum lágstigsmerkjum. Hins vegar verður að forrita styrkinguna á kraftmikinn hátt þar sem merkisstigið frá hitamælinum er mjög breytilegt með hitastigi.
Annar möguleiki er að stilla magnið en nota breytilegan stýristraum. Þess vegna, þegar merkisstigið frá hitamælinum breytist, breytist gildi stýristraumsins breytilega þannig að spennan sem myndast yfir hitamælinum sé innan tilgreinds inntakssviðs rafeindabúnaðarins. Notandinn verður að tryggja að spennan sem myndast yfir viðmiðunarviðnámið sé einnig á stigi sem rafeindabúnaðurinn ásættanlegur. Báðir kostirnir krefjast mikillar stýringar og stöðugrar eftirlits með spennunni yfir hitamælinum svo að rafeindabúnaðurinn geti mælt merkið. Er til auðveldari kostur? Íhugaðu spennuörvun.
Þegar jafnspenna er sett á hitamælinn, þá breytist straumurinn í gegnum hann sjálfkrafa eftir því sem viðnám hitamælans breytist. Nú, með því að nota nákvæman mæliviðnám í stað viðmiðunarviðnáms, er tilgangur hans að reikna út strauminn sem fer í gegnum hitamælinn, og þannig gera það mögulegt að reikna út viðnám hitamælans. Þar sem drifspennan er einnig notuð sem viðmiðunarmerki fyrir ADC, er engin þörf á magnarastigi. Örgjörvinn hefur ekki það hlutverk að fylgjast með spennu hitamælans, ákvarða hvort rafeindabúnaðurinn geti mælt merkisstigið og reikna út hvaða magnarastig/straumgildi þarf að stilla. Þetta er aðferðin sem notuð er í þessari grein.
Ef hitastillirinn hefur lítið viðnám og viðnámssvið er hægt að nota spennu- eða straumörvun. Í þessu tilfelli er hægt að festa stýristrauminn og -magnið. Þannig verður hringrásin eins og sýnt er á mynd 3. Þessi aðferð er þægileg þar sem hægt er að stjórna straumnum í gegnum skynjarann og viðmiðunarviðnámið, sem er dýrmætt í lágaflsforritum. Að auki er sjálfhitnun hitastillisins lágmarkuð.
Spennuörvun er einnig hægt að nota fyrir hitastilla með lága viðnámsgildi. Hins vegar verður notandinn alltaf að tryggja að straumurinn í gegnum skynjarann sé ekki of mikill fyrir skynjarann eða notkunina.
Spennuörvun einföldar framkvæmd þegar notaður er hitamælir með stórri viðnámsgildi og breiðu hitastigsbili. Stærri nafnviðnám veitir ásættanlegt magn af nafnstraumi. Hins vegar þurfa hönnuðir að tryggja að straumurinn sé á ásættanlegu stigi yfir allt hitastigsbilið sem forritið styður.
Sigma-Delta ADC-ar bjóða upp á nokkra kosti við hönnun hitastýrikerfis. Í fyrsta lagi, þar sem sigma-delta ADC-inn endursýnir hliðræna inntakið, er ytri síun í lágmarki og eina krafan er einföld RC-sía. Þeir bjóða upp á sveigjanleika í gerð síu og baudhraða úttaks. Innbyggða stafræna síun er hægt að nota til að bæla niður truflanir í tækjum sem eru knúin af rafmagni. 24-bita tæki eins og AD7124-4/AD7124-8 hafa fulla upplausn allt að 21,7 bita, þannig að þau veita mikla upplausn.
Notkun sigma-delta ADC einfaldar hönnun hitastillisins til muna en dregur úr forskriftum, kerfiskostnaði, plássi á borðinu og tíma til markaðssetningar.
Þessi grein notar AD7124-4/AD7124-8 sem ADC því þeir eru nákvæmir ADC með lágum hávaða, lágum straumi, innbyggðum PGA, innbyggðum tilvísunar-, hliðrænum inntaki og tilvísunarbuffer.
Óháð því hvort þú notar drifstraum eða drifspennu, er mælt með hlutfallsmældri stillingu þar sem viðmiðunarspennan og skynjaraspennan koma frá sömu drifgjafanum. Þetta þýðir að breytingar á örvunargjafanum hafa ekki áhrif á nákvæmni mælingarinnar.
Á mynd 5 sést fasti rekstrarstraumurinn fyrir hitastillinn og nákvæmniviðnámið RREF, spennan sem myndast yfir RREF er viðmiðunarspennan fyrir mælingu á hitastillinum.
Straumurinn í reitnum þarf ekki að vera nákvæmur og getur verið minna stöðugur þar sem allar villur í straumnum verða útilokaðar í þessari stillingu. Almennt er straumörvun æskilegri en spennuörvun vegna betri næmnistýringar og betri hávaðaþols þegar skynjarinn er staðsettur á afskekktum stöðum. Þessi tegund af hlutdrægniaðferð er venjulega notuð fyrir RTD-a eða hitamæla með lágt viðnámsgildi. Hins vegar, fyrir hitamæla með hærra viðnámsgildi og meiri næmni, verður merkjastigið sem myndast við hverja hitabreytingu stærra, þannig að spennuörvun er notuð. Til dæmis hefur 10 kΩ hitamælir viðnám upp á 10 kΩ við 25°C. Við -50°C er viðnám NTC hitamælisins 441,117 kΩ. Lágmarksstýrisstraumurinn 50 µA sem AD7124-4/AD7124-8 veitir myndar 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, sem er of hátt og utan rekstrarsviðs flestra fáanlegra ADC-a sem notaðir eru á þessu notkunarsviði. Hitamælar eru einnig venjulega tengdir eða staðsettir nálægt rafeindabúnaðinum, þannig að ónæmi fyrir drifstraumi er ekki krafist.
Með því að bæta við skynjunarviðnámi í röð sem spennuskiptingarrás verður straumurinn í gegnum hitamælinn takmarkaður við lágmarksviðnámsgildi hans. Í þessari stillingu verður gildi skynjunarviðnámsins RSENSE að vera jafnt gildi viðnáms hitamælans við viðmiðunarhitastig upp á 25°C, þannig að útgangsspennan verði jöfn miðpunkti viðmiðunarspennunnar við nafnhitastig hennar upp á 25°CC. Á sama hátt, ef 10 kΩ hitamælir með viðnám upp á 10 kΩ við 25°C er notaður, ætti RSENSE að vera 10 kΩ. Þegar hitastigið breytist breytist viðnám NTC hitamælans einnig og hlutfall stýrispennunnar yfir hitamælinn breytist einnig, sem leiðir til þess að útgangsspennan er í réttu hlutfalli við viðnám NTC hitamælans.
Ef valin spennuviðmiðun sem notuð er til að knýja hitastillinn og/eða RSENSE passar við viðmiðunarspennuna fyrir ADC sem notuð er við mælingarnar, er kerfið stillt á hlutfallsmælingu (mynd 7) þannig að öll örvunartengd villuspennugjafi verður hlutdræg til að fjarlægja.
Athugið að annað hvort skynjunarviðnámið (spennuknúið) eða viðmiðunarviðnámið (straumknúið) ættu að hafa lágt upphafsþol og lágt rek, þar sem báðar breyturnar geta haft áhrif á nákvæmni alls kerfisins.
Þegar notaðir eru margir hitastillir er hægt að nota eina örvunarspennu. Hins vegar verður hver hitastillir að hafa sinn eigin nákvæmnisskynjunarviðnám, eins og sýnt er á mynd 8. Annar möguleiki er að nota utanaðkomandi fjölbreytileikara eða lágviðnámsrofa í kveikt ástandi, sem gerir kleift að deila einum nákvæmnisskynjunarviðnámi. Með þessari stillingu þarf hver hitastillir einhvern stillingartíma þegar hann er mældur.
Í stuttu máli, þegar hitamælingarkerfi er hannað með hitastýringu eru margar spurningar sem þarf að hafa í huga: val á skynjara, raflögn skynjara, val á íhlutum, stillingar á ADC og hvernig þessar ýmsu breytur hafa áhrif á heildar nákvæmni kerfisins. Næsta grein í þessari greinaröð útskýrir hvernig hægt er að hámarka kerfishönnun og heildarfjárhagsáætlun fyrir villur kerfisins til að ná markmiðum um afköst.
Birtingartími: 30. september 2022