|基于热敏电阻的温度传感系统(以前)设计挑战和电路配置

简介

文章系列分为上下两篇。上一篇文章首先介绍了基于热敏电阻的温度测量系统的历史和设计挑战,以及与基于电阻温度传感器(RTD)的温度测量系统的比较。此外,本文还简要介绍了-模数转换器(ADC)在热敏电阻选择、配置权衡和本应用中的重要作用。以下部分详细介绍了如何优化和评估基于热敏电阻的最终测量系统。

热敏电阻与RTD

文章《如何选择和设计理想的RTD温度检测系统》中所述,RTD是随温度变化的电阻器。热敏电阻的工作方式与RTD相似。RTD只有正温度系数,热敏电阻不同。可能同时存在正温度系数和负温度系数。负温度系数(NTC)热敏电阻随温度的升高而降低,而正温度系数(PTC)热敏电阻随温度的升高而增加。图1显示了典型NTC和PTC热敏电阻的响应特性及其与RTD曲线的比较。

1669175852160334.png

图1。热敏电阻和RTD响应特性的比较

对于温度范围,RTD曲线接近线性,热敏电阻具有非线性(指数)特性,因此前者覆盖的温度范围(通常为-200至850)比后者宽得多。RTD通常提供众所周知的标准化曲线,而热敏曲线因制造商而异。ADI在本文的“热敏电阻选择指南”部分详细说明了这一点。

热敏电阻复合材料——通常由陶瓷、聚合物或半导体(通常是金属氧化物)——制成,与纯金属(铂、镍或铜)制成的RTD相比,其体积小得多,成本低得多,但不如后者坚固。热敏电阻比RTD检测温度变化更快,提供更快的反馈。因此,热敏传感器经常用于低成本、小、快速响应速度、高灵敏度和温度范围有限的应用,例如电子设备监控、家庭和建筑物控制、科学实验室、商业或工业应用的热电偶中使用的冷端补偿。

大多数情况下,精密测温应用程序使用NTC热敏电阻代替PTC热敏电阻。有些PTC热敏电阻用作过电流输入保护电路或安全应用程序的可重置保险丝。PTC热敏电阻-温度曲线在到达切换点(或居里点)之前有非常小的NTC区域。如果超过转换点,在摄氏几度的范围内,电阻会急剧增加几个等级。因此,在过电流状态下,PTC热敏电阻(PTC热敏电阻)在超过转换温度时会产生大量的自热。其电阻急剧增加,输入系统的电流减少,防止系统损坏。PTC热敏电阻切换点通常在60C到120C之间,因此不适合在大范围的温度范围应用程序中监控温度测量结果。ADI在本文中重点介绍了能够测量或监控-80C至150C温度范围的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的标称电阻从25到几欧姆到10毫不等。如图1所示,热敏电阻每摄氏度的电阻变化比RTD更明显。由于热敏电阻的高灵敏度和高电阻,前端电路比RTD简单得多。因为热敏电阻不需要特殊的布线配置,例如3线或4线来补偿引线电阻。热敏电阻设计只使用简单的二线配置。

表1显示了RTD、NTC和PTC热敏电阻的优缺点。

表1。徐先生和RTD

1669175886443171.png

基于热敏电阻的温度测量挑战

高精度热敏电阻温度测量需要精确的信号调节、模块转换、线性化和补偿,如图2所示。信号链看起来很简单,但相关的一些复杂因素会影响整个系统的主板大小、成本和性能。ADI精密ADC产品组合中有多种集成解决方案(如AD7124-4/AD7124-8),为温度系统设计提供了多种优势,并内置了应用程序所需的大多数建筑模块。但是,在设计和优化基于热敏电阻的温度测量解决方案时存在很多问题。

image.png

图2。典型NTC热敏电阻测量信号链模块

挑战包括:

u市场上有各种各样的热敏电阻。

如何选择适合特定应用程序的热敏电阻?

u和RTD一样,徐先生(徐先生)是被动部件,本身不产生电输出。使用激励电流或电压测量传感器的电阻。也就是说,小电流通过传感器产生电压。

如何选择电流/电压?

徐先生信号该怎么调节?

如何调整上述变量以在规范范围内使用转换器或其他建筑模块?

将多个热敏电阻连接到一个系统:传感器是如何连接的?传感器之间可以共享一些模块吗?对整体系统性能有何影响?

u热敏电阻的主要问题之一是非线性响应和系统精度。

设计的预计误差是多少?

使用什么线性化和校正技术来实现目标性能?

本文讨论了所有这些挑战,并就如何解决这些问题和进一步简化这些系统的设计过程提出了建议。

热敏电阻选择指南

目前市场上有很多NTC热敏电阻(NTC热敏电阻)可供选择,可能很难为特定应用选择特定的热敏电阻。热敏电阻被列为标称值,即25的标称电阻。因此,25到10K热敏电阻的标称电阻为10K。热敏电阻标称或基本电阻值从几欧姆到10毫不等。标称电阻低(10k以下)热敏电阻,支持的温度范围通常较低,如-50~ 70。标称电阻高的热敏电阻最多可支持300的温度。

热敏元件由金属氧化物构成。热敏电阻有珠子、放射状、SMD等。珠状热敏电阻使用环氧涂层或玻璃封装提供额外保护。环氧涂层珠热敏电阻、径向和SMD热敏电阻适用于最高150温度。玻璃涂层珠热敏电阻适用于高温测量。所有类型的热敏电阻涂层/包装均可防止腐蚀。一些热敏电阻也有额外的外壳,以便在恶劣的环境下提供更多的保护。与径向/SMD热敏电阻相比,珠子热敏电阻响应时间更快。但是后者不如前者坚固。因此,使用的热敏电阻取决于最终应用程序和热敏电阻所在的环境。热敏电阻的长期稳定性取决于制造材料及其包装和结构。例如,环氧涂层的NTC热敏电阻每年可以变化0.2,而密封的热敏电阻每年只能变化0.02。

不同的热敏电阻有不同的准确度。标准热敏电阻精度一般为0.5~ 1.5。热敏电阻的标称电阻值和值(25~ 50/85关系)存在容差。热敏电阻贝塔值因制造商而异。例如,根据制造商的不同,10kNTC热敏电阻的值可能会有所不同。对于精度较高的系统,可以使用热敏电阻,如Omega 44 XXX系列。在0至70的温度范围内,精度为0.1或0.2。因此,测量的温度范围和该温度范围内所需的精度决定了热敏电阻是否适合特定应用程序。请注意,Omega 44xxx系列的准确度越高,成本越高。

因此,使用的热敏电阻取决于:

u测量的温度范围

u精度要求

u热敏电阻使用环境

u长期稳定性

线性化:与Steinhart-Hart方程

为了将电阻转换为摄氏温度,通常使用beta值。如果知道两个温度点和每个温度点对应的电阻,就可以确定钚值。

1669175993257108.png

其中:

RT1=温度1下的电阻

RT2=温度2下的电阻

T1=温度1 (K) T2=温度2 (K)

热敏电阻数据手册通常列出以下两种情况的beta值:

u两个温度分别为25和50

u两个温度分别为25和85

用户使用接近设计中使用的温度范围的beta值。大多数热敏电阻数据手册除了beta值外,还列出了25的电阻容差和beta值的容差。

高精度热敏电阻和高精度最终解决方案(如Omega 44xxx系列)使用Steinhart-Hart方程将电阻转换为摄氏温度。公式2需要传感器制造商提供的三个常数A、B和C。公式中的系数是使用三个温度点生成的,因此生成的公式最大限度地减少了线性化引起的误差(线性化引起的误差通常为0.02)。

1669176038501739.png

其中:

a、b、c是从三个温度测试点得到的常数。

R=单位的热敏电阻

T=温度(以k为单位)

电流/电压激励

图3显示传感器的电流激励。刺激电流作用于热敏电阻,同样的电流作用于精密电阻。精密电阻用作测量参考。参考电阻值必须大于或等于热敏电阻最大电阻值,具体取决于系统测量的最低温度。在选择激励电流的大小时,也要考虑热敏电阻的最大电阻值,确保传感器和基准电阻两端产生的电压始终处于电子设备允许的水平。刺激电流源需要一定的余量或输出服从性。如果热敏电阻在测量的最低温度下有很大阻力,则激励电流值会非常低。因此,高温下热敏电阻两端产生的电压很小。为了优化这种低水平信号的测量,可以使用可编程增益水平。但是增益需要动态编程。因为热敏电阻的信号电平随温度变化很大。

1669176066619138.png

图3。热敏电阻的电流激励

另一种方案是设置增益,但使用动态激励电流。当热敏电阻的信号电平发生变化时,激发电流值也会动态变化,从而使热敏电阻两端产生的电压在电子设备的额定输入范围内。用户必须确保参考电阻两端产生的电压也达到电子设备允许的水平。两种方案都需要持续监测热敏电阻两端电压的高水平控制,以便信号能够由电子设备测量。有更简单的方案吗?让我们来看看电压激励。

1669176082713881.png

图4。热敏电阻的电压激励

当热敏电阻以一定电压激发时,通过热敏电阻的电流会在热敏电阻值变化时自动放大/缩小。现在使用精密感应电阻代替参考电阻。其目的是通过计算通过热敏电阻流动的电流来计算热敏电阻的电阻。激励电压也用作ADC基准电压,因此不需要增益水平。处理器不需要监测热敏电阻两端的电压,也不需要计算信号电平是否可以由电子设备测量,增益/激励电流调整到什么值。这是本文使用的方法。

热敏电阻阻值范围/激励

热敏电阻的标称电阻和电阻范围较小时,电压或电流激励均可使用。在这种情况下,激励电流和增益可能是固定值。电路如图3所示。这种方法很有用,因为通过传感器和参考电阻流动的电流得到了控制。这在低功耗应用程序中非常有价值。另外,热敏电阻本身也很小。

标称电阻低的热敏电阻也可以使用电压激励。但是,用户必须确保通过传感器的电流不能对传感器本身或应用程序太大。电压激励使系统在使用标称电阻和温度范围较大的热敏电阻时易于实现。更大的标称电阻确保标称电流处于合理水平。但是,设计师必须确保电流在应用程序支持的总温度范围内处于可接受的水平。

– ADC在基于热敏电阻的应用中的重要作用

在设计热敏电阻测量系统时,- ADC具有多种优点。首先-型ADC通过对模拟输入进行采样,最大限度地减少外部滤波器,只需要简单的RC滤波器。此外,还可以灵活地选择过滤器类型和输出数据速率。在使用市电电源的设计中,使用内置数字滤波器可以抑制交流电源的干扰。24位设备(如AD7124-4/AD7124-8)的最大分辨率为21.7位(最大值),可提供高分辨率。

其他好处包括:

u宽度公共模式范围的模拟输入

输入u宽度公共模式范围的基准

u可以支持基于比率的配置

一些- ADC集成了许多功能,包括:

U PGA

u内部基准电压源

u基准电压源/模拟输入缓冲区

u校准功能

-ADC可以大大简化热敏电阻设计,减少物料清单,降低系统成本,减少主板空间,缩短产品上市时间。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作为集成PGA、内置基准电压源、模拟输入和基准电压缓冲区的低噪声低电流精密ADC。

热敏电阻电路配置——比率式配置

无论是否使用激励电流或激励电压,建议采用比率配置。其中基准电压和传感器电压来自同一激励源。也就是说,激励源的变化不会影响测量的准确度。

1669176119464067.png

图5。恒流源配置

图5示出了向热敏电阻和精密电阻RREF供电的恒定激励电流,RREF产生的电压是热敏电阻测量的基准电压。激励电流不必非常准确,稳定性不必太高。因为在这个配置中,激励电流的所有误差都会被抵消。激励电流通常比电压激励更受欢迎。因为它能很好地控制灵敏度,传感器处于远程位置时,耐受性更好。这种类型的偏移技术经常用于电阻值较低的RTD或热敏电阻。但是,对于电阻值大、灵敏度高的热敏电阻,由于温度变化,信号电平会增大,因此必须使用电压激励。例如,对于10K热电阻,25为10K,50为441.117k。AD7124-4/AD7124-8提供的50A最小激励电流会产生441.117k50A=22V的电压,这个电压太高,超出了应用领域使用的大多数ADC的工作范围。热敏电阻通常连接在电子设备或电子设备附近,因此不需要鼓励电流的抗噪声优势。

1669176138504539.png

图6。分压电路配置

图6示出了用于在NTC热敏电阻两端产生电压的恒定激励电压。通过以分压器电路的形式添加串行感应电阻,可以限制热敏电阻在最小电阻值下流动的电流。在此配置中,在25的基本温度下,感应电阻RSENSE的值必须等于热敏电阻的电阻值,以便在25标称温度下输出电压设置为基准电压的中间值。同样,使用25时,如果使用电阻为10K 的10K 热敏电阻,则RSENSE必须等于10K 。随着温度的变化,NTC热敏电阻也发生了变化,热敏电阻两端激励电压的一小部分也发生了变化,从而产生了与NTC热敏电阻电阻值成比例的输出电压。

image.png

图7。热敏电阻比率构成测量

如果选择为热敏电阻和/或RSENSE供电的基准电压与用于测量的ADC基准电压相同,则系统为比率测量配置(图7),并且消除了与激励电压源相关的所有错误。

感应电阻(电压激励)或基准电阻(电流激励)的初始容差和移动都将影响系统的整体精度,因此必须非常低。

使用多个热敏电阻时,可以使用单激发电压。但是,每个热敏电阻都必须有自己的精密检测电阻,如图8所示。另一种方案是使用使用低传导电阻的外部多路复用器或开关来支持单个精密检测电阻共享。使用此配置,每个热敏电阻在测量时需要一定的设置时间。

image.png

图8。多热敏电阻的模拟输入配置测量

总之,在设计基于热敏电阻的温度系统时,需要关注传感器选择、传感器连接、部件选择的平衡、ADC配置、这些不同的变量对系统整体精度的影响等多个方面。本系列接下来的文章部分将讨论如何优化系统设计和整体系统错误预算以达到目标性能。

# # #

关于ADI公司

analog devices,Inc. (Nasdaq: ADI)在现代数字经济的中心发挥着重要作用,通过多种模拟和混合信号、电源管理、RF、数字和检测技术,ADI将实际现象转化为行动的有意义洞察,面向世界各地12.5万名客户。ADI的总部设在马萨诸塞州威明顿。

关于作者

Jellenie Rodriguez是ADI精密转换器技术部的应用工程师。她主要关注用于直流测量的精密-型ADC。她于2012年加入ADI,2011年毕业于San sebastian学院-reco letos de cavite,获得电子工程学士学位。

玛丽麦卡锡是ADI的应用工程师。她于1991年加入ADI,在爱尔兰科克市的线性和精密技术应用部工作,主要关注精密-转换器。她1991年毕业于科克大学,获得了电子和电气工程学士学位。

|基于热敏电阻的温度传感系统(以前)设计挑战和电路配置