Þetta er fyrsta greinin í tveggja hluta seríu. Þessi grein mun fyrst ræða sögu og hönnunaráskoranirhitastig hitastigsMælingarkerfi, sem og samanburður þeirra við hitamælingarkerfi viðnáms (RTD). Það mun einnig lýsa vali á hitameðferð, uppsetningarskiptum og mikilvægi Sigma-Delta hliðstæða-til-stafrænna breytir (ADCs) á þessu forritssvæði. Önnur greinin mun gera grein fyrir því hvernig hægt er að hámarka og meta lokamælikerfi sem byggir á hitameðferð.
Eins og lýst er í fyrri greinaröðinni og hámarkar RTD hitastigskynjakerfi, er RTD viðnám þar sem viðnám er mismunandi eftir hitastigi. Hitamyndir vinna svipað og RTD. Ólíkt RTDs, sem hefur aðeins jákvætt hitastigstuðul, getur hiti haft jákvæðan eða neikvæða hitastigstuðul. Neikvæður hitastigstuðull (NTC) hitastig dregur úr viðnám þeirra þegar hitastigið hækkar, en jákvæður hitastigstuðull (PTC) hitastig eykur viðnám þeirra þegar hitastigið hækkar. Á mynd. 1 sýnir svörunareinkenni dæmigerðra NTC og PTC hitamanna og ber þá saman við RTD ferla.
Hvað varðar hitastigssvið er RTD ferillinn næstum línulegur og skynjarinn nær yfir mun breiðara hitastigssvið en hitastig (venjulega -200 ° C til +850 ° C) vegna ólínulegs (veldisvísis) eðlis hitastigsins. RTD eru venjulega að finna í þekktum stöðluðum ferlum en hitaferlar eru mismunandi eftir framleiðanda. Við munum ræða þetta í smáatriðum í Thermistor Selection Guide hlutanum í þessari grein.
Hitar eru búnir til úr samsettum efnum, venjulega keramik, fjölliður eða hálfleiðara (venjulega málmoxíð) og hreinum málmum (platínu, nikkel eða kopar). Hitar geta greint hitastigsbreytingar hraðar en RTDS og veitt hraðari endurgjöf. Þess vegna eru hitameðferðir almennt notaðir af skynjara í forritum sem krefjast lítillar kostnaðar, smæðar, hraðari svörunar, hærra næmi og takmarkað hitastigssvið, svo sem rafeindatæknieftirlit, heimilis- og byggingareftirlit, vísindarannsóknarstofur eða bætur á köldu mótum fyrir hitauppstreymi í atvinnu- eða iðnaðarforritum. tilgangur. Forrit.
Í flestum tilvikum eru NTC hitastig notaðir til nákvæmrar hitamælingar, ekki PTC hitamynda. Sumir PTC hitamistorar eru fáanlegir sem hægt er að nota í yfirstraumverndarrásum eða sem endurnýjanlegar öryggi fyrir öryggisumsóknir. Viðnámshitaferill PTC hitamistors sýnir mjög lítið NTC svæði áður en hann nær rofpunktinum (eða curie punktinum), fyrir ofan viðnámið rís verulega með nokkrum stærðargráðum á bilinu nokkrum gráður á Celsíus. Við yfirstraumsskilyrði mun PTC hitamistorinn mynda sterka sjálfshitun þegar farið er yfir hitastigið og viðnám hans mun hækka mikið, sem mun draga úr inntakstraumnum í kerfið og koma þannig í veg fyrir skemmdir. Skiptapunktur PTC hitamanna er venjulega á milli 60 ° C og 120 ° C og hentar ekki til að stjórna hitamælingum í fjölmörgum notkunar. Þessi grein fjallar um NTC hitastig, sem venjulega geta mælt eða fylgst með hitastigi á bilinu -80 ° C til +150 ° C. NTC hitastig eru með viðnámsmat á bilinu nokkur ohm til 10 MΩ við 25 ° C. Eins og sýnt er á mynd. 1, breyting á viðnám á hverri gráðu á Celsíus fyrir hitamynda er meira áberandi en fyrir ónæmis hitamæla. Í samanburði við hitameðferð, einfalda háhyrnings hitameðferðar og mikið viðnámsgildi inntaksrásir þess, þar sem hitastjórar þurfa ekki neina sérstaka raflögn, svo sem 3 vír eða 4 vír, til að bæta upp blýþol. Hitahönnunin notar aðeins einfalda 2-víra stillingu.
Háþróunar hitamæling byggð á hitamælingu krefst nákvæmrar merkisvinnslu, hliðstæða til stafrænna umbreytingar, línuvæðingu og bætur, eins og sýnt er á mynd. 2.
Þrátt fyrir að merkjakeðjan kann að virðast einföld, þá eru nokkur flækjur sem hafa áhrif á stærð, kostnað og afköst alls móðurborðsins. Precision ADC eignasafn ADI inniheldur nokkrar samþættar lausnir, svo sem AD7124-4/AD7124-8, sem veita ýmsa kosti fyrir hitakerfishönnun þar sem flestar byggingareiningar sem þarf til notkunar eru innbyggðir. Hins vegar eru ýmsar áskoranir við að hanna og hámarka hitamælingarlausnir sem byggðar eru á hitameðferð.
Þessi grein fjallar um hvert þessara mála og veitir ráðleggingar til að leysa þau og einfalda hönnunarferlið fyrir slík kerfi enn frekar.
Það eru mikið úrval afNTC ThermistorsÁ markaðnum í dag getur það verið ógnvekjandi verkefni að velja réttan hitauppstreymi fyrir umsókn þína. Athugið að hitastjórar eru skráðir af nafngildi þeirra, sem er nafnviðnám þeirra við 25 ° C. Þess vegna hefur 10 kΩ hitameðferð 10 kΩ við 25 ° C. Hitamyndir hafa nafn- eða grunnviðnámsgildi á bilinu nokkur ohm til 10 MΩ. Hitamyndir með lága viðnámsmat (nafnviðnám 10 kΩ eða minna) styðja venjulega lægri hitastigssvið, svo sem -50 ° C til +70 ° C. Hitar með hærri viðnámsmat þolir hitastig allt að 300 ° C.
Hitameðferðin er úr málmoxíði. Hitar eru fáanlegir í bolta-, geislamyndunar- og SMD formum. Hitaperlur eru epoxýhúðaðar eða glerhúðaðar til að auka vernd. Epoxýhúðuð bolti í bolta, geislamyndun og yfirborðshitar henta fyrir hitastig allt að 150 ° C. Hitamyndir úr glerperlum henta til að mæla hátt hitastig. Allar tegundir af húðun/umbúðum vernda einnig gegn tæringu. Sumir hitarefni munu einnig hafa viðbótarhús fyrir aukna vernd í hörðu umhverfi. Perlu hitamyndir hafa hraðari viðbragðstíma en geislamyndun/SMD hitastjórar. Þeir eru þó ekki eins endingargóðir. Þess vegna fer gerð hitamistorsins sem notuð er eftir lokaforritinu og umhverfinu þar sem hitinn er staðsettur í. Langtíma stöðugleiki hitameðferðar fer eftir efni þess, umbúðum og hönnun. Sem dæmi má nefna að epoxýhúðaður NTC hitamistor getur breyst 0,2 ° C á ári, en innsiglaður hitastig breytist aðeins 0,02 ° C á ári.
Hitar koma í mismunandi nákvæmni. Hefðbundnir hitamistorar hafa venjulega 0,5 ° C nákvæmni til 1,5 ° C. Hitamyndunareinkunn og beta gildi (hlutfall 25 ° C til 50 ° C/85 ° C) hefur þol. Athugaðu að beta -gildi hitameistarans er mismunandi eftir framleiðanda. Til dæmis munu 10 kΩ NTC hitamistar frá mismunandi framleiðendum hafa mismunandi beta gildi. Fyrir nákvæmari kerfi er hægt að nota hitamyndir eins og Omega ™ 44XXX seríuna. Þeir hafa nákvæmni 0,1 ° C eða 0,2 ° C á hitastiginu 0 ° C til 70 ° C. Þess vegna ákvarðar hitastig svið sem hægt er að mæla og nákvæmni sem krafist er á því hitastigssvið ákvarðar hvort hitastig hentar fyrir þessa notkun. Vinsamlegast hafðu í huga að því hærri sem nákvæmni Omega 44XXX seríunnar er, því hærri kostnaður.
Til að umbreyta ónæmi fyrir gráður á Celsíus er beta -gildi venjulega notað. Betagildið er ákvarðað með því að þekkja hitastigspunktana tvo og samsvarandi viðnám við hvern hitastig.
Rt1 = hitastig viðnám 1 rt2 = hitastig viðnám 2 t1 = hitastig 1 (k) t2 = hitastig 2 (k)
Notandinn notar beta -gildi næst hitastigssviðinu sem notað er í verkefninu. Flest hitameðferð gagnablöð telja beta -gildi ásamt viðnámsþoli við 25 ° C og þol fyrir beta -gildi.
Hærri nákvæmni hitamyndir og háar nákvæmni uppsagnarlausnir eins og Omega 44XXX serían nota Steinhart-Hart jöfnuna til að umbreyta ónæmi fyrir gráður á Celsíus. Jafna 2 krefst þess að þrír fastar A, B og C, aftur gefnir af skynjaraframleiðandanum. Vegna þess að jöfnu stuðlarnir eru búnir til með því að nota þrjá hitastigspunkta lágmarkar jöfnan sem myndast við villuna sem kynnt er með línuvæðingu (venjulega 0,02 ° C).
A, B og C eru fastar sem eru fengnir úr þremur hitastigum. R = Thermistor viðnám í ohm t = hitastig í k gráður
Á mynd. 3 sýnir núverandi örvun skynjarans. Drifstraumur er beitt á hitastigið og sama straumi er beitt á nákvæmni viðnám; Nákvæmni viðnám er notað sem viðmiðun til mælinga. Gildi viðmiðunarviðnámsins verður að vera meira en eða jafnt og hæsta gildi hitamótaþolsins (fer eftir lægsta hitastigi sem mældur er í kerfinu).
Þegar örvunarstraumurinn er valinn verður aftur að taka tillit til hámarksviðnáms hitamistorsins. Þetta tryggir að spennan yfir skynjaranum og viðmiðunarviðnáminu er alltaf á stigi viðunandi fyrir rafeindatæknina. Uppruni reitsins þarfnast smá lofthæðar eða framleiðsla samsvörunar. Ef hitastigið er með mikla viðnám við lægsta mælanlegt hitastig mun það leiða til mjög lágs drifstraums. Þess vegna er spenna sem myndast yfir hitastigið við háan hita lítil. Hægt er að nota forritanleg ávinningstig til að hámarka mælingu á þessum lágu stigi merkjum. Hins vegar verður að forrita ávinninginn með því að vera merkisstig frá hitameðferðinni mjög mismunandi eftir hitastigi.
Annar valkostur er að stilla ávinninginn en nota kraftmikinn drifstraum. Þess vegna, þegar merkisstigið frá hitameðferðinni breytist, breytist drifstraumurinn virkan þannig að spennan sem þróuð er yfir hitastigið er innan tiltekins inntakssviðs rafeindatækisins. Notandinn verður að sjá til þess að spenna sem er þróuð yfir viðmiðunarviðnámið sé einnig á stigi viðunandi fyrir rafeindatæknina. Báðir valkostirnir krefjast mikillar stjórnunar, stöðugt eftirlit með spennunni yfir hitastjórnina þannig að rafeindatæknin geti mælt merkið. Er það auðveldari kostur? Hugleiddu spennu örvun.
Þegar DC spennu er beitt á hitastigið, þá mælist straumurinn í gegnum hitastigið sjálfkrafa eftir því sem mótspyrna hitamistorsins breytist. Nú, með því að nota nákvæmni mælingarviðnám í stað viðmiðunarviðnáms, er tilgangur þess að reikna strauminn sem flæðir í gegnum hitastigið og þannig að reikna hitastigþolið. Þar sem drifspennan er einnig notuð sem ADC viðmiðunarmerki er ekkert álagsstig krafist. Örgjörvinn hefur ekki það starf við að fylgjast með hitaspennunni, ákvarða hvort hægt sé að mæla merkisstigið með rafeindatækninni og reikna út hvaða drifkröfu/straumgildi þarf að aðlaga. Þetta er aðferðin sem notuð er í þessari grein.
Ef hitastigið er með lítið mótstöðueinkunn og viðnámssvið er hægt að nota spennu eða straum örvun. Í þessu tilfelli er hægt að laga drifstrauminn og ávinninginn. Þannig verður hringrásin eins og sýnt er á mynd 3. Þessi aðferð er þægileg að því leyti að það er mögulegt að stjórna straumnum í gegnum skynjarann og viðmiðunarviðnám, sem er dýrmætt í litlum krafti. Að auki er sjálfhitun hitastigsins lágmörkuð.
Einnig er hægt að nota spennuörvun fyrir hitameðferð með lágu viðnámseinkunn. Hins vegar verður notandinn alltaf að tryggja að straumurinn í gegnum skynjarann sé ekki of mikill fyrir skynjarann eða forritið.
Spenna örvun einfaldar útfærslu þegar hitastig er notað með stóru viðnámsmati og breitt hitastigssvið. Stærri nafnviðnám veitir viðunandi stig af metnum straumi. Hins vegar þurfa hönnuðir að tryggja að straumurinn sé á viðunandi stigi yfir allt hitastigssviðið studd af forritinu.
Sigma-Delta ADC býður upp á nokkra kosti þegar hannað er hitamælingarkerfi. Í fyrsta lagi, vegna þess að Sigma-Delta ADC endurspeglar hliðstæða inntakið, er ytri síun haldið í lágmarki og eina krafan er einföld RC sía. Þeir veita sveigjanleika í síu gerð og framleiðsla baudhraða. Hægt er að nota innbyggða stafræna síun til að bæla allar truflanir í rafknúnum tækjum. 24 bita tæki eins og AD7124-4/AD7124-8 eru með allt að 21,7 bita, svo þau veita mikla upplausn.
Notkun Sigma-Delta ADC einfaldar mjög hitameðferðina en dregur úr forskrift, kerfiskostnaði, borðrými og tíma til að markaðssetja.
Þessi grein notar AD7124-4/AD7124-8 sem ADC vegna þess að þeir eru lítill hávaði, lítill straumur, nákvæmni ADC með innbyggðum PGA, innbyggðum tilvísun, hliðstæðum inntaki og viðmiðunarjafnalausn.
Óháð því hvort þú ert að nota drifstraum eða drifspennu, er mælt með hlutfallsstillingu þar sem viðmiðunarspenna og skynjarspenna kemur frá sömu drifgjafa. Þetta þýðir að allar breytingar á örvunargjafanum munu ekki hafa áhrif á nákvæmni mælingarinnar.
Á mynd. 5 sýnir stöðugan drifstraum fyrir hitastig og nákvæmni viðnám RREF, spennan sem er þróuð yfir RREF er viðmiðunarspenna til að mæla hitastigið.
Reitstraumurinn þarf ekki að vera nákvæmur og getur verið minna stöðugur þar sem allar villur á reitstraumnum verða eytt í þessari stillingu. Almennt er núverandi örvun ákjósanleg yfir spennu örvun vegna yfirburða næmisstýringar og betri hávaða ónæmi þegar skynjarinn er staðsettur á afskekktum stöðum. Þessi tegund af hlutdrægni aðferð er venjulega notuð fyrir RTD eða hitastig með lágt viðnámsgildi. Hins vegar, fyrir hitamyndun með hærra viðnámsgildi og hærra næmi, verður merkisstigið sem myndast með hverri hitastigsbreytingu stærri, svo spennu örvun er notuð. Til dæmis hefur 10 kΩ hitastig viðnám 10 kΩ við 25 ° C. Við -50 ° C er viðnám NTC hitameistarans 441.117 kΩ. Lágmarks drifstraumur 50 µA sem gefinn er af AD7124-4/AD7124-8 býr til 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, sem er of hátt og utan rekstrarsviðs flestra tiltækra ADC sem notaðir eru á þessu notkunarsvæði. Hitar eru einnig venjulega tengdir eða staðsettir nálægt rafeindatækninni, svo ekki er krafist ónæmis til að keyra straum.
Með því að bæta við skynsemi í röð sem spennuskipta hringrás mun takmarka strauminn í gegnum hitameðferðina við lágmarksviðnámsgildi þess. Í þessari uppstillingu verður gildi skynjunarviðnámsins að vera jafnt og gildi hitamótaþolsins við viðmiðunarhita 25 ° C, þannig að framleiðsla spenna verður jöfn miðpunkti viðmiðunarspennunnar við nafnhitastigið 25 ° CC á svipaðan hátt, ef 10 kΩ thermistor með viðnám 10 kΩ við 25 ° C er notað, er RSAse að vera 10 kΩ. Þegar hitastigið breytist breytist viðnám NTC hitamistorsins og hlutfall drifspennunnar yfir hitastigið breytist einnig, sem leiðir til þess að framleiðsluspennan er í réttu hlutfalli við viðnám NTC hitamistans.
Ef valin spennuviðmiðun sem notuð er til að knýja hitameðferðina og/eða rsense passar við ADC viðmiðunarspennuna sem notuð er til mælinga, er kerfið stillt á hlutfallsmælingu (mynd 7) þannig að öll örvunarstengd villuspennu verður hlutdræg til að fjarlægja það.
Athugið að annað hvort skynsemi viðnám (spennudrifinn) eða viðmiðunarviðnám (straumdrifinn) ætti að hafa lítið upphafsþol og lítið svíf, þar sem báðar breytur geta haft áhrif á nákvæmni alls kerfisins.
Þegar þú notar marga hitamynda er hægt að nota eina örvunarspennu. Samt sem áður verður hver hitameðferð að hafa sína eigin nákvæmni skynjunarviðnám, eins og sýnt er á mynd. 8. Annar valkostur er að nota utanaðkomandi margfeldi eða lágnunarrofa í ON ástandinu, sem gerir kleift að deila einum nákvæmni skynsemi. Með þessari stillingu þarf hver hitameðferð nokkurn uppgjörstíma þegar hann er mældur.
Í stuttu máli, þegar hann er hannaður hitamælingarkerfi sem byggir á hitameðferð, eru margar spurningar sem þarf að hafa í huga: val á skynjara, skynjara raflögn, val á viðskiptum, ADC stillingum og hvernig þessar ýmsu breytur hafa áhrif á heildarnákvæmni kerfisins. Næsta grein í þessari röð útskýrir hvernig á að hámarka kerfishönnun þína og heildarskekkjuáætlun kerfisins til að ná frammistöðu þinni.
Post Time: SEP-30-2022