Uzyskiwanie pozytywnych wyników z termistorów NTC przy użyciu prostego interfejsu pasywnego

Termistory NTC cieszą się popularnością ze względu na niski koszt, niewielkie rozmiary, solidną konstrukcję, wysoką dokładność, wszechstronność i wysoką czułość, ale ich funkcja odpowiedzi temperaturowej jest wysoce nieliniowa, co utrudnia wzbudzanie, digitalizację i przetwarzanie sygnału...

Biorąc pod uwagę ich ogólnie niski koszt, niewielkie rozmiary, solidną konstrukcję, dokładność, wszechstronność i czułość, nic dziwnego, że podstawowe termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) plasują się wśród najpopularniejszych dostępnych czujników temperatury. Jednak ich funkcja odpowiedzi temperaturowej jest wysoce nieliniowa (dosłownie wykładnicza), co sprawia, że ​​wzbudzanie, digitalizacja i przetwarzanie sygnału są interesującymi ćwiczeniami projektowymi.

Typowa karta katalogowa termistora NTC (np. Molex 2152723605) podsumowuje właściwości termoelektryczne za pomocą czterech parametrów (równania od 1 do 5), pokazanych na rysunku 1 (liczby zapożyczone z danych 2152723605):

To = temperatura znamionowa/kalibracyjna (25°C = 298.15 K) (1)

Ro = opór przy To (10k ±1%) (2)

b = beta (3892 K) (3)

Współczynnik rozproszenia (samonagrzewania) (1.5 mW/°C) (4)

Następnie rezystancję termistora (Rt) jako funkcję temperatury (T) w kelwinach przewiduje się na podstawie wzoru:

Rt = Ro exp(b(T(-1– Do(-1))) (5)

Stosując klasyczną zasadę KISS, na rysunku 1 widzimy kandydata na najprostszy możliwy obwód do pozyskiwania sygnału z termistora oraz podstawowe obliczenia matematyczne pozwalające na wyodrębnienie pomiaru temperatury z jego wyjścia i parametrów 1, 2 i 3 powyżej.

Rysunek 1 Podstawowy obwód pasywnego wzbudzenia termistora:

Cx = opcjonalna redukcja szumów, prawdopodobnie 100 nF

Rx = rezystor wzbudzenia

Rt = Rx(V/Vodniesienia)/(1 – V/Vodniesienia)

T= (Ln (Odbiornik/Odbiornik)/b + Nadajnik-1)-1

Oprócz (bardzo niekrytycznego) Cx i samego termistora, jedynym komponentem na Rysunku 1 jest Rx. Jak najlepiej wybrać jego wartość?

Intuicja podpowiada, a matematyka potwierdza, że ​​optymalnym (przynajmniej prawie) wyborem jest ustawienie Rx na poziomie termistora w środku zakresu pomiaru temperatury wymaganego przez aplikację. Wspomniana temperatura w punkcie środkowym (nazwijmy ją Tx) wyprowadzi V = Vref/2 i w ten sposób rozłoży rozdzielczość ADC symetrycznie w całym zakresie pomiaru. Równanie 5 mówi nam, jak to osiągnąć.

Załóżmy, że wybierzemy zakres pomiarowy od 0oC do 100oC, wówczas Tx = 50oC = 323.15 K, a arytmetyka równania 5 mówi nam (używając liczb 2152723605):

Rx = Ro exp(b(Tx-1- Do-1)) Odp = 10000 exp(3892 (323.15-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (najbliższa standardowa wartość 1% = 3650)

Teraz, jeśli wygodnie wybierzemy Vref = 5 V zarówno dla wejścia Rx, jak i dla wejścia odniesienia przetwornika ADC (ponieważ jest to pomiar ratiometryczny, wartość bezwzględna Vref jest stosunkowo nieistotna), możemy ustawić:

X = ADC/2N = V/Vref Wtedy T = (Ln(X/(1 – X))/b + Tx -1)-1

°C = (Ln(X/(1 – X))/3892 + 0.003095)-1- 273.15

I zadanie wykonane!

Czy tak jest? A co z tym współczynnikiem rozpraszania (samonagrzewania) (1.5 mW/°C)?

Oczywiście nie chcemy, aby samonagrzewanie się termistora znacząco zakłócało pomiar temperatury. Rozsądnym limitem błędu samonagrzewania może być pół stopnia, a w przypadku 2152723803 1.5 mW/°C oznaczałoby to ograniczenie maksymalnego rozpraszania do nie więcej niż:

Pmaks. = (1.5 mW)/2 = 0.75 mW

Rozpraszanie osiąga maksimum przy Vref(2)/4/Rx, gdy Rt = Rx, a w tym przypadku Vref

= 5V będzie zatem wynosić:

Pmax = V odniesienie2/4/Odp.

= 25 / 4 / 3650

= 1.7 mW

= 1.1°C

Ojej! To więcej niż dwa razy ustalony maksymalny błąd samonagrzewania. Co robić? Nie martw się, rozwiązanie sugeruje Rysunek 2.

Rysunek 2 Rvdd ogranicza maksymalne samonagrzewanie się termistora do Pmax:

Pmax = Vdd(2)/4/(Rx + Rvdd)

Rvdd = Vdd(2)/4/Pmax – Rx jeśli > zero, w przeciwnym razie Rvdd = 0

(Vdd Rx/(Rvdd + Rx)) < Vref < Vdd

Ponownie zanurzając się w liczbach 2152723605 i utrzymując Vdd = 5 V:

Rvdd = 25/4/(0.75 mW) – 3650

Rvdd = 8333 – 3650 = 4.7 tys.

Pmaks. = 0.749 mW

2.8 V < Vodniesienia < 5 V

Należy pamiętać, że jeśli obliczenia przedstawione na Rysunku 2 dają wartość zerową lub ujemną dla Rvdd, wówczas Rvdd nie jest wymagane i oryginalny obwód z Rysunku 1 będzie działał prawidłowo.

Mimo że Vref będzie się zmieniać w zależności od Rt, a zatem i temperatury, monolityczne przetworniki analogowo-cyfrowe stanowiące zewnętrzne odniesienie są zazwyczaj bardzo tolerancyjne na zmiany Vref w podanym zakresie i mimo to będą wykonywać dokładne konwersje ratiometryczne.