Þetta er fyrsta greinin í tveimur þáttum.Þessi grein mun fyrst fjalla um sögu og hönnunaráskoranirhitastig byggt á hitastigimælikerfi, svo og samanburð þeirra við hitamælikerfi viðnámshitamælis (RTD).Það mun einnig lýsa vali á hitastýri, stillingum málamiðlunar og mikilvægi sigma-delta analog-to-digital breyta (ADC) á þessu notkunarsvæði.Í annarri greininni verður gerð grein fyrir því hvernig á að fínstilla og meta endanlegt mælikerfi sem byggir á hitastigum.
Eins og lýst er í fyrri greinaröðinni, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, er RTD viðnám sem er breytilegt eftir hitastigi.Hitastillar virka svipað og RTD.Ólíkt RTD, sem aðeins hafa jákvæðan hitastuðul, getur hitastuðull haft jákvæðan eða neikvæðan hitastuðul.Neikvæð hitastuðull (NTC) hitastillar lækka viðnám sitt þegar hitastigið hækkar, en jákvæð hitastuðull (PTC) hitastigar auka viðnám sitt þegar hitastigið hækkar.Á mynd.1 sýnir svörunareiginleika dæmigerðra NTC- og PTC-hitara og ber þá saman við RTD-ferla.
Hvað varðar hitastig er RTD ferillinn næstum línulegur og skynjarinn nær yfir miklu stærra hitastigssvið en hitastigar (venjulega -200°C til +850°C) vegna ólínulegs (veldisvísis) eðlis hitastigsins.RTDs eru venjulega veittar í vel þekktum stöðluðum ferlum, en hitastigsferlar eru mismunandi eftir framleiðanda.Við munum ræða þetta í smáatriðum í kaflanum um val á hitastýri í þessari grein.
Hitastórar eru gerðir úr samsettum efnum, venjulega keramik, fjölliðum eða hálfleiðurum (venjulega málmaoxíð) og hreinum málmum (platínu, nikkel eða kopar).Hitastillar geta greint hitabreytingar hraðar en RTD, sem gefur hraðari endurgjöf.Þess vegna eru hitamælir almennt notaðir af skynjurum í forritum sem krefjast lágs kostnaðar, lítillar stærðar, hraðari svörunar, hærra næmis og takmarkaðs hitastigssviðs, svo sem rafeindastýringu, heimilis- og byggingarstýringu, vísindarannsóknastofum eða kaldmótabætur fyrir hitaeiningar í atvinnuskyni. eða iðnaðarnotkun.tilgangi.Umsóknir.
Í flestum tilfellum eru NTC hitastillar notaðir fyrir nákvæmar hitamælingar, ekki PTC hitastillar.Sumir PTC hitastillar eru fáanlegir sem hægt er að nota í yfirstraumsverndarrásum eða sem endurstillanleg öryggi fyrir öryggisnotkun.Viðnám-hitaferill PTC-hitamælis sýnir mjög lítið NTC-svæði áður en komið er á skiptipunktinn (eða Curie-punktinn), fyrir ofan það hækkar viðnámið verulega um nokkrar stærðargráður á bilinu nokkrar gráður á Celsíus.Við yfirstraumsaðstæður mun PTC hitastigið mynda sterka sjálfhitun þegar farið er yfir rofshitastigið og viðnám hans mun hækka verulega, sem mun draga úr inntaksstraumi til kerfisins og koma þannig í veg fyrir skemmdir.Rofipunktur PTC hitastilla er venjulega á milli 60°C og 120°C og er ekki hentugur til að stjórna hitamælingum í fjölmörgum forritum.Þessi grein fjallar um NTC hitastýra, sem venjulega geta mælt eða fylgst með hitastigi á bilinu -80°C til +150°C.NTC hitastigar hafa viðnám á bilinu frá nokkrum ohmum til 10 MΩ við 25°C.Eins og sýnt er á mynd.1, breytingin á viðnám á gráðu á Celsíus fyrir hitastýra er meira áberandi en fyrir viðnámshitamæla.Í samanburði við hitastýra einfaldar há næmni hitastigsins og mikið viðnámsgildi inntaksrásir hans, þar sem hitastýrir þurfa enga sérstaka raflögn, eins og 3 víra eða 4 víra, til að vega upp á móti blýviðnám.Thermistor hönnunin notar aðeins einfalda tveggja víra uppsetningu.
Hánákvæmni hitastigsmæling sem byggir á hita krefst nákvæmrar merkjavinnslu, hliðræns-í-stafræna umbreytingu, línuröðunar og uppbótar, eins og sýnt er á mynd.2.
Þó að merkjakeðjan kann að virðast einföld, þá eru nokkrir margbreytileikar sem hafa áhrif á stærð, kostnað og afköst alls móðurborðsins.ADI nákvæmni ADC safn inniheldur nokkrar samþættar lausnir, svo sem AD7124-4/AD7124-8, sem veita fjölda kosta fyrir varmakerfishönnun þar sem flestar byggingareiningar sem þarf fyrir forrit eru innbyggðar.Hins vegar eru ýmsar áskoranir í því að hanna og fínstilla hitamælingarlausnir sem byggjast á hitastigi.
Þessi grein fjallar um hvert þessara atriða og gefur ráðleggingar til að leysa þau og einfalda hönnunarferlið fyrir slík kerfi enn frekar.
Það er mikið úrval afNTC hitastillará markaðnum í dag, þannig að það getur verið erfitt verkefni að velja rétta hitastillinn fyrir forritið þitt.Athugið að hitastigar eru skráðir eftir nafngildi þeirra, sem er nafnviðnám þeirra við 25°C.Þess vegna hefur 10 kΩ hitastillir nafnviðnám 10 kΩ við 25°C.Hitastórar hafa nafn- eða grunnviðnámsgildi á bilinu frá nokkrum ohm til 10 MΩ.Hitastórar með lágt viðnám (nafnviðnám 10 kΩ eða minna) styðja venjulega lægri hitastig, eins og -50°C til +70°C.Hitastórar með hærri viðnám geta staðist hitastig allt að 300°C.
Thermistor þátturinn er úr málmoxíði.Hitastillar eru fáanlegir í kúlu-, geislamynda- og SMD-formum.Thermistor perlur eru epoxýhúðaðar eða glerhúðaðar til að auka vernd.Epoxýhúðaðir kúluhitarar, radial- og yfirborðshitarar henta fyrir allt að 150°C hitastig.Glerperluhitara henta vel til að mæla háan hita.Allar gerðir af húðun/umbúðum vernda einnig gegn tæringu.Sumir hitastillar munu einnig hafa viðbótarhús til að auka vernd í erfiðu umhverfi.Perluhitarar hafa hraðari viðbragðstíma en radial/SMD hitastillar.Hins vegar eru þeir ekki eins endingargóðir.Þess vegna fer tegund hitastills sem notaður er eftir lokanotkuninni og umhverfinu sem hitastillirinn er staðsettur í.Langtímastöðugleiki hitamælis fer eftir efni hans, umbúðum og hönnun.Til dæmis getur epoxýhúðaður NTC hitastillir breyst um 0,2°C á ári, en lokaður hitastillir aðeins 0,02°C á ári.
Hitastillar koma með mismunandi nákvæmni.Hefðbundnir hitastigar hafa venjulega nákvæmni á bilinu 0,5°C til 1,5°C.Thermistor mótstöðu einkunn og beta gildi (hlutfall 25°C til 50°C/85°C) hafa vikmörk.Athugaðu að beta gildi hitastigsins er mismunandi eftir framleiðanda.Til dæmis munu 10 kΩ NTC hitastigar frá mismunandi framleiðendum hafa mismunandi beta gildi.Fyrir nákvæmari kerfi er hægt að nota hitastilla eins og Omega™ 44xxx röðina.Þeir hafa nákvæmni upp á 0,1°C eða 0,2°C á hitastigi á bilinu 0°C til 70°C.Þess vegna ákvarðar hitastigið sem hægt er að mæla og nákvæmni sem krafist er yfir það hitastig hvort hitastillar henti fyrir þetta forrit.Vinsamlegast athugaðu að því meiri nákvæmni sem Omega 44xxx röðin er, því meiri kostnaður.
Til að umbreyta viðnám í gráður á Celsíus er beta gildið venjulega notað.Beta gildið er ákvarðað með því að þekkja hitastigið tvo og samsvarandi viðnám á hverjum hitapunkti.
RT1 = Hitaþol 1 RT2 = Hitaþol 2 T1 = Hitastig 1 (K) T2 = Hitastig 2 (K)
Notandinn notar beta gildið næst hitabilinu sem notað er í verkefninu.Flest hitastigsgagnablöð eru með beta-gildi ásamt viðnámsþoli við 25°C og vikmörk fyrir beta-gildi.
Hitastillar með meiri nákvæmni og lúkningarlausnir með mikilli nákvæmni eins og Omega 44xxx röðin nota Steinhart-Hart jöfnuna til að breyta viðnáminu í gráður á Celsíus.Jafna 2 krefst þriggja fasta A, B og C, aftur gefið upp af framleiðanda skynjarans.Vegna þess að jöfnunarstuðlarnir eru búnir til með því að nota þrjá hitastigspunkta, lágmarkar jöfnan sem myndast villuna sem myndast við línugreiningu (venjulega 0,02 °C).
A, B og C eru fastar fengnir úr þremur hitastillingum.R = hitastigsviðnám í ohmum T = hitastig í K gráðum
Á mynd.3 sýnir núverandi örvun skynjarans.Drifstraumur er settur á hitastigið og sami straumur er beitt á nákvæmniviðnámið;nákvæmni viðnám er notað sem viðmiðun fyrir mælingar.Gildi viðmiðunarviðnáms verður að vera hærra en eða jafnt og hæsta gildi hitastigsviðnáms (fer eftir lægsta hitastigi sem mælst er í kerfinu).
Þegar örvunarstraumurinn er valinn verður aftur að taka tillit til hámarksviðnáms hitastýrisins.Þetta tryggir að spennan yfir skynjarann og viðmiðunarviðnámið sé alltaf á því stigi sem rafeindatæknin samþykkir.Sviðstraumgjafinn krefst nokkurs höfuðrýmis eða úttakssamsvörunar.Ef hitamælirinn hefur mikla viðnám við lægsta mælanlega hitastig mun það leiða til mjög lágs drifstraums.Þess vegna er spennan sem myndast yfir hitastigið við háan hita lítil.Hægt er að nota forritanleg ávinningsstig til að hámarka mælingu þessara lágstigsmerkja.Hins vegar verður að forrita styrkinn á kraftmikinn hátt vegna þess að merkjastigið frá hitastýri er mjög breytilegt eftir hitastigi.
Annar valkostur er að stilla ávinninginn en nota kraftmikinn drifstraum.Þar af leiðandi, þegar merkjastigið frá hitamælinum breytist, breytist drifstraumsgildið á breytilegan hátt þannig að spennan sem myndast yfir hitamælinum er innan tilgreinds inntakssviðs rafeindabúnaðarins.Notandinn verður að tryggja að spennan sem myndast yfir viðmiðunarviðnámið sé einnig á viðunandi stigi fyrir rafeindatæknina.Báðir valkostirnir krefjast mikils eftirlits, stöðugrar eftirlits með spennunni yfir hitastigann svo rafeindabúnaðurinn geti mælt merkið.Er auðveldari kostur?Íhugaðu spennuörvun.
Þegar DC spenna er sett á hitastigann, stækkar straumurinn í gegnum hitastórann sjálfkrafa þegar viðnám hitastýrunnar breytist.Nú, með því að nota nákvæmni mælingarviðnám í stað viðmiðunarviðnáms, er tilgangur þess að reikna út strauminn sem flæðir í gegnum hitastýrið og gera þannig kleift að reikna út hitastigsviðnám.Þar sem drifspennan er einnig notuð sem ADC viðmiðunarmerki er ekki þörf á ávinningsstigi.Örgjörvinn hefur ekki það hlutverk að fylgjast með hitaspennu, ákvarða hvort hægt sé að mæla merkisstigið með rafeindatækni og reikna út hvaða drifstyrk/straumgildi þarf að stilla.Þetta er aðferðin sem notuð er í þessari grein.
Ef hitamælirinn hefur lítið viðnám og viðnámssvið er hægt að nota spennu eða straumörvun.Í þessu tilviki er hægt að laga drifstrauminn og ávinninginn.Þannig verður hringrásin eins og sýnt er á mynd 3. Þessi aðferð er hentug að því leyti að hægt er að stjórna straumnum í gegnum skynjarann og viðmiðunarviðnámið, sem er dýrmætt í notkun með litlum afli.Að auki er sjálfhitun hitastigsins í lágmarki.
Einnig er hægt að nota spennuörvun fyrir hitastig með lágt viðnám.Hins vegar verður notandinn alltaf að tryggja að straumurinn í gegnum skynjarann sé ekki of hár fyrir skynjarann eða notkunina.
Spennuörvun einfaldar útfærslu þegar hitastýri er notaður með mikið viðnám og breitt hitastig.Stærra nafnviðnám veitir ásættanlegt magn af nafnstraumi.Hins vegar þurfa hönnuðir að tryggja að straumurinn sé á viðunandi stigi yfir allt hitastigið sem forritið styður.
Sigma-Delta ADCs bjóða upp á nokkra kosti við hönnun hitamæliskerfis.Í fyrsta lagi, vegna þess að sigma-delta ADC endursýnir hliðræna inntakið, er ytri síun haldið í lágmarki og eina krafan er einföld RC sía.Þeir veita sveigjanleika í síugerð og úttakshraða.Hægt er að nota innbyggða stafræna síun til að bæla niður hvers kyns truflun í tækjum sem eru með rafmagn.24-bita tæki eins og AD7124-4/AD7124-8 eru með allt að 21,7 bita upplausn í fullri upplausn, svo þau veita mikla upplausn.
Notkun sigma-delta ADC einfaldar mjög hitastýrahönnunina en dregur úr forskriftum, kerfiskostnaði, borðplássi og tíma til markaðssetningar.
Þessi grein notar AD7124-4/AD7124-8 sem ADC vegna þess að þeir eru með lágum hávaða, lágum straumi, nákvæmni ADC með innbyggðu PGA, innbyggðri tilvísun, hliðrænu inntaki og viðmiðunarbuffi.
Óháð því hvort þú notar drifstraum eða drifspennu er mælt með hlutfallsmælingu þar sem viðmiðunarspenna og skynjaraspenna koma frá sama drifgjafa.Þetta þýðir að allar breytingar á örvunaruppsprettu hafa ekki áhrif á nákvæmni mælingar.
Á mynd.5 sýnir stöðuga drifstrauminn fyrir hitastigann og nákvæmniviðnám RREF, spennan sem myndast yfir RREF er viðmiðunarspennan til að mæla hitastigann.
Sviðstraumurinn þarf ekki að vera nákvæmur og gæti verið minna stöðugur þar sem allar villur í sviðsstraumnum verða útrýmdar í þessari uppsetningu.Almennt er straumörvun ákjósanleg fram yfir spennuörvun vegna betri næmnistjórnunar og betri hávaðaónæmis þegar skynjarinn er staðsettur á afskekktum stöðum.Þessi tegund af hlutdrægniaðferð er venjulega notuð fyrir RTD eða hitastýra með lágt viðnámsgildi.Hins vegar, fyrir hitastýri með hærra viðnámsgildi og hærra næmi, mun merkistigið sem myndast við hverja hitabreytingu vera stærra, þannig að spennuörvun er notuð.Til dæmis hefur 10 kΩ hitastillir viðnám 10 kΩ við 25°C.Við -50°C er viðnám NTC hitastigsins 441,117 kΩ.Lágmarks drifstraumurinn 50 µA sem AD7124-4/AD7124-8 gefur frá sér myndar 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, sem er of hátt og utan rekstrarsviðs flestra fáanlegra ADC sem notaðir eru á þessu notkunarsvæði.Hitastillar eru einnig venjulega tengdir eða staðsettir nálægt rafeindatækjunum, þannig að ónæmi fyrir akstursstraumi er ekki krafist.
Að bæta við skynjunarviðnámi í röð sem spennuskilarás mun takmarka strauminn í gegnum hitastigið við lágmarksviðnámsgildi hans.Í þessari uppsetningu verður gildi skynjunarviðnáms RSENSE að vera jafnt gildi hitamótstöðu við viðmiðunarhitastig sem er 25°C, þannig að úttaksspennan verði jöfn miðpunkti viðmiðunarspennunnar við nafnhitastig hennar 25°CC Á sama hátt, ef 10 kΩ hitari með viðnám 10 kΩ við 25°C er notaður, ætti RSENSE að vera 10 kΩ.Þegar hitastigið breytist, breytist viðnám NTC hitastigsins einnig og hlutfall drifspennunnar yfir hitastórinn breytist einnig, sem leiðir til þess að útgangsspennan er í réttu hlutfalli við viðnám NTC hitastigsins.
Ef valin spennuviðmiðun sem notuð er til að knýja hitastigann og/eða RSENSE passar við ADC viðmiðunarspennuna sem notuð er við mælingu, er kerfið stillt á hlutfallsmælingu (Mynd 7) þannig að allar örvunartengdar villuspennugjafar verða hlutdrægar til að fjarlægja.
Athugaðu að annað hvort skynviðnám (spennuknúið) eða viðmiðunarviðnám (straumdrifið) ætti að hafa lágt upphafsþol og lítið rek, þar sem báðar breyturnar geta haft áhrif á nákvæmni alls kerfisins.
Þegar margir hitastillar eru notaðir er hægt að nota eina örvunarspennu.Hins vegar verður hver hitari að hafa sína eigin nákvæmni skynjunarviðnám, eins og sýnt er á mynd.8. Annar valkostur er að nota ytri multiplexer eða lágviðnámsrofa í kveiktu ástandi, sem gerir kleift að deila einni nákvæmni skynjunarviðnám.Með þessari uppsetningu þarf hver hitastillir ákveðinn uppgjörstíma þegar hann er mældur.
Í stuttu máli, þegar þú hannar hitastigsmiðað hitamælingarkerfi, þá eru margar spurningar sem þarf að hafa í huga: val skynjara, raflögn skynjara, skipti á íhlutum, ADC uppsetningu og hvernig þessar mismunandi breytur hafa áhrif á heildar nákvæmni kerfisins.Næsta grein í þessari röð útskýrir hvernig á að hámarka kerfishönnun þína og heildarkostnaðaráætlun kerfisvillu til að ná frammistöðu þinni.
Birtingartími: 30. september 2022