Anwendung und Prinzip des Temperatursensors (Thermistor, Thermoelement)
Temperaturmess Anwendungen sind sehr umfangreich. Produktionsprozesse erfordern nicht nur eine Temperaturregelung, sondern einige elektronische Produkte müssen auch ihre eigene Temperatur messen. Zum Beispiel, wenn der Computer die Temperatur der CPU überwachen möchte, sollte die Motorsteuerung die Temperatur des Leistungstreiber-IC wissen, usw. Im Folgenden werden einige häufig verwendete Temperatursensorprodukte beschrieben.
Die Temperatur ist ein Parameter, der häufig in praktischen Anwendungen getestet wird. Von der Stahlherstellung bis zur Halbleiterproduktion hängen viele Prozesse von der Temperatur ab, und Temperatursensorprodukte sind die Brücke zwischen dem Anwendungssystem und der realen Welt. Dieser Artikel bietet einen kurzen Überblick über die verschiedenen Temperatursensorprodukte und beschreibt die Schnittstelle zum Schaltungssystem.
Thermistor
Es gibt viele Arten von Sensorprodukten zur Temperaturmessung, und Thermistoren sind eine davon. Viele Thermistoren haben einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC), was bedeutet, dass ihr Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Bei allen passiven Temperatursensorprodukten ist die Empfindlichkeit des Thermistors (dh die Widerstandsänderung für jeden Grad der Temperaturänderung) am höchsten, aber die Widerstands- / Temperaturkurve des Thermistors ist nicht linear.
Tabelle 1 ist ein typischer NTC-Thermistor-Leistungsparameter.
Hier bezieht sich T auf die absolute Temperatur von Kelvin, und A, B, C und D sind Konstanten, die gemäß den Eigenschaften des Thermistors variieren. Diese Parameter werden vom Hersteller des Thermistors bereitgestellt.
Thermistoren haben im Allgemeinen einen Fehlerbereich, mit dem die Konsistenz zwischen den Proben festgelegt wird. Der Fehlerwert liegt je nach verwendetem Material normalerweise zwischen 1% und 10%. Einige Thermistoren sind für Anwendungen austauschbar, bei denen eine Feldanpassung nicht möglich ist. Beispielsweise kann ein Instrument, Benutzer oder Außendiensttechniker nur den Thermistor ersetzen und kann nicht kalibriert werden. Dieser Thermistor ist viel höher als der gewöhnliche und viel teurer.
Fig. 2 ist eine typische Schaltung zum Messen der Temperatur unter Verwendung eines Thermistors. Der Widerstand R1 zieht die Spannung des Thermistors auf die Referenzspannung hoch, die im Allgemeinen mit der Referenzspannung des ADC übereinstimmt. Wenn also die Referenzspannung des ADC 5 V beträgt, beträgt Vref ebenfalls 5 V. Der Thermistor und der Widerstand sind in Reihe geschaltet, um eine Teilspannung zu erzeugen, und die Widerstandsänderung bewirkt, dass sich auch die Spannung am Knoten ändert. Die Genauigkeit der Schaltung hängt vom Fehler des Thermistors und des Widerstands sowie von der Genauigkeit der Referenzspannung ab.
Problem der Selbstheizung
Da der Thermistor ein Widerstand ist, wird eine bestimmte Wärmemenge erzeugt, wenn Strom durch ihn fließt. Daher sollte der Schaltungsentwickler sicherstellen, dass der Pull-up-Widerstand groß genug ist, um zu verhindern, dass sich der Thermistor selbst erwärmt. Andernfalls misst das System die vom Thermistor erzeugte Wärme und nicht die Umgebungstemperatur.
Die Auswirkung der vom Thermistor verbrauchten Energie auf die Temperatur wird als Verlustleistungskonstante ausgedrückt, die die Anzahl der Milliwatt darstellt, die erforderlich sind, um die Thermistortemperatur um 1 ° C über die Umgebungstemperatur zu erhöhen. Die Verlustkonstante ist je nach Thermistorgehäuse, Pin-Spezifikationen, Einkapselungsmaterial und anderen Faktoren unterschiedlich.
Die vom System zugelassene Menge an Selbsterwärmung und Strombegrenzungswiderstand wird durch die Messgenauigkeit bestimmt. Das Messsystem mit einer Messgenauigkeit von ± 5 ° C ist größer als die Eigenerwärmung des Thermistors, der das Messsystem mit einer Genauigkeit von ± 1 ° C standhalten kann.
Es ist zu beachten, dass der Widerstand des Pull-up-Widerstands berechnet werden muss, um den selbstheizenden Stromverbrauch im gesamten Messtemperaturbereich zu begrenzen. Wenn der Widerstandswert angegeben wird, ändert sich die Verlustleistung bei verschiedenen Temperaturen aufgrund der Änderung des Widerstandswerts des Thermistors.
Manchmal muss der Eingang des Thermistors kalibriert werden, um die richtige Temperaturauflösung zu erhalten. 3 ist eine Schaltung, die den Temperaturbereich von 10 bis 40 ° C auf den gesamten Eingangsbereich von 0 bis 5 V des ADC erweitert.
Die Ausgangsformel des Operationsverstärkers lautet wie folgt:
Sobald der Eingang des Thermistors kalibriert ist, kann der tatsächliche Temperaturwiderstand grafisch dargestellt werden. Da der Thermistor nicht linear ist, muss er grafisch dargestellt werden. Das System muss wissen, wie hoch der Wert des ADC für jede Temperatur ist. Die Genauigkeit der Tabelle wird je nach Anwendung in bestimmten Schritten von 1 ° C oder 5 ° C bestimmt.
Kumulativer Fehler
Wenn Sie die Temperatur mit einem Thermistor messen, wählen Sie den Sensor und andere Komponenten im Eingangsstromkreis so aus, dass sie der erforderlichen Genauigkeit entsprechen. In einigen Fällen ist ein Widerstand mit einer Genauigkeit von 1% erforderlich, und in einigen Fällen ist möglicherweise ein Widerstand mit einer Genauigkeit von 0,1% erforderlich. In jedem Fall wird eine Tabelle verwendet, um die Auswirkung des kumulativen Fehlers aller Komponenten auf die Messgenauigkeit zu berechnen, einschließlich des Widerstands, der Referenzspannung und des Thermistors selbst.
Wenn Sie hohe Präzision wünschen und weniger ausgeben möchten, müssen Sie das System nach dem Bau kalibrieren. Da die Platine und der Thermistor vor Ort ausgetauscht werden müssen, wird dies im Allgemeinen nicht empfohlen. Wenn das Gerät vor Ort nicht ausgetauscht werden kann oder der Techniker über andere Methoden zur Überwachung der Temperatur verfügt, kann die Software auch zum Erstellen einer Tabelle mit temperaturabhängigen ADC-Änderungen verwendet werden. In diesem Fall muss der tatsächliche Temperaturwert mit anderen Tools gemessen werden, und die Software kann die entsprechende Tabelle erstellen. Bei Systemen, bei denen der Thermistor vor Ort ausgetauscht werden muss, kann die auszutauschende Komponente (Sensor oder das gesamte analoge Frontend) werkseitig kalibriert und die Kalibrierungsergebnisse auf einer Festplatte oder einem anderen Speichermedium gespeichert werden. Natürlich muss die Software nach dem Austausch der Komponenten in der Lage sein, die Verwendung der kalibrierten Daten zu kennen.
Im Allgemeinen sind Thermistoren eine kostengünstige Methode zur Temperaturmessung und einfach zu verwenden. Im Folgenden stellen wir den Widerstandstemperaturdetektor und den Thermoelement-Temperatursensor vor.
Widerstand Temperatur Detektor
Ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD) ist eigentlich ein Spezialdraht, dessen Widerstand mit der Temperatur variiert. Üblicherweise umfassen RTD-Materialien Kupfer-, Platin-, Nickel- und Nickel / Eisen-Legierungen. Das RTD-Element kann ein Draht oder ein dünner Film sein, der durch Galvanisieren oder Sputtern auf ein Keramiksubstrat aufgetragen wird.
Der Widerstandswert des Widerstandsthermometers ist ein Nennwert von 0 ° C. 0 ° C 100 Ω Der Platin-Widerstandsthermometer-Widerstand beträgt typischerweise 100,39 Ω bei 1 ° C und 119,4 Ω bei 50 ° C.
Fig. 4 ist ein Vergleich der RTD-Widerstands- / Temperaturkurve mit der Thermistorwiderstands- / Temperaturkurve. Der Fehler des Widerstandsthermometers ist kleiner als der des Thermistors. Für Platin beträgt der Fehler im Allgemeinen 0,01% und das Nickel beträgt im Allgemeinen 0,5%. Zusätzlich zu dem kleinen Fehler und Widerstand ist die Schnittstellenschaltung des Widerstandsthermometers und des Thermistors grundsätzlich gleich.
Thermoelement
Thermoelemente bestehen aus zwei verschiedenen Metallen, die beim Erhitzen eine kleine Spannung erzeugen. Die Größe der Spannung hängt von den beiden metallischen Materialien ab, aus denen das Thermoelement besteht. Eisen-Konstantan (J-Typ), Kupfer-Konstantan (T-Typ) und Chrom-Aluminium (K-Typ) sind die drei am häufigsten verwendeten.
Thermoelemente erzeugen sehr kleine Spannungen, normalerweise nur wenige Millivolt. Die Spannungsänderung der Thermoelementtemperatur vom K-Typ beträgt nur etwa 40 μV, wenn sich die Temperatur um 1 ° C ändert. Daher sollte das Messsystem in der Lage sein, die Messgenauigkeit der Spannungsänderung von 4 μV zu messen, um 0,1 ° C zu erreichen.
Da die beiden verschiedenen Metallarten zusammen eine Potentialdifferenz erzeugen, erzeugt der Anschluss des Thermoelements an das Messsystem auch eine Spannung. Der Verbindungspunkt wird normalerweise auf dem Isolierblock platziert, um diesen Effekt zu verringern, so dass die beiden Knoten die gleiche Temperatur haben, wodurch der Fehler verringert wird. Manchmal wird auch die Temperatur des Isolierblocks gemessen, um die Auswirkungen der Temperatur auszugleichen (Abbildung 5).
Die Temperatur ist ein Parameter, der häufig in praktischen Anwendungen getestet wird. Von der Stahlherstellung bis zur Halbleiterproduktion hängen viele Prozesse von der Temperatur ab, und Temperatursensorprodukte sind die Brücke zwischen dem Anwendungssystem und der realen Welt. Dieser Artikel bietet einen kurzen Überblick über die verschiedenen Temperatursensorprodukte und beschreibt die Schnittstelle zum Schaltungssystem.
Thermistor
Es gibt viele Arten von Sensorprodukten zur Temperaturmessung, und Thermistoren sind eine davon. Viele Thermistoren haben einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC), was bedeutet, dass ihr Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Bei allen passiven Temperatursensorprodukten ist die Empfindlichkeit des Thermistors (dh die Widerstandsänderung für jeden Grad der Temperaturänderung) am höchsten, aber die Widerstands- / Temperaturkurve des Thermistors ist nicht linear.
Tabelle 1 ist ein typischer NTC-Thermistor-Leistungsparameter.
Diese Daten werden an einem Vishay-Dale-Thermistor gemessen, sie repräsentieren jedoch auch den Gesamtzustand des NTC-Thermistors. Der Widerstandswert wird als Verhältnis (R / R25) angegeben, das das Verhältnis des Widerstands bei der aktuellen Temperatur zum Widerstand bei 25 ° C darstellt. Normalerweise haben die gleichen Thermistorserien ähnliche Eigenschaften und die gleiche Widerstands- / Temperaturkurve. Nehmen Sie als Beispiel die Thermistorserie in Tabelle 1. Der Widerstand bei 10 ° C beträgt 10 kΩ. Der Widerstand beträgt 28,1 kΩ bei 0 ° C. Der Widerstand bei 4,0 ° C beträgt 4,086 KΩ; In ähnlicher Weise hat ein 5 kΩ-Thermistor bei 25 ° C einen Widerstand von 14,050 KΩ bei 0 ° C.
Fig. 1 zeigt die Temperaturkurve des Thermistors. Es ist ersichtlich, dass die Widerstands- / Temperaturkurve nicht linear ist. Obwohl die Thermistordaten hier in Schritten von 10 ° C angegeben sind, können einige Thermistoren in Schritten von 5 ° C oder sogar 1 ° C vorliegen. Wenn Sie den Widerstandswert bei einer bestimmten Temperatur zwischen zwei Punkten wissen möchten, können Sie diese Kurve zur Schätzung verwenden oder den Widerstandswert direkt berechnen. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:
Thermistoren haben im Allgemeinen einen Fehlerbereich, mit dem die Konsistenz zwischen den Proben festgelegt wird. Der Fehlerwert liegt je nach verwendetem Material normalerweise zwischen 1% und 10%. Einige Thermistoren sind für Anwendungen austauschbar, bei denen eine Feldanpassung nicht möglich ist. Beispielsweise kann ein Instrument, Benutzer oder Außendiensttechniker nur den Thermistor ersetzen und kann nicht kalibriert werden. Dieser Thermistor ist viel höher als der gewöhnliche und viel teurer.
Fig. 2 ist eine typische Schaltung zum Messen der Temperatur unter Verwendung eines Thermistors. Der Widerstand R1 zieht die Spannung des Thermistors auf die Referenzspannung hoch, die im Allgemeinen mit der Referenzspannung des ADC übereinstimmt. Wenn also die Referenzspannung des ADC 5 V beträgt, beträgt Vref ebenfalls 5 V. Der Thermistor und der Widerstand sind in Reihe geschaltet, um eine Teilspannung zu erzeugen, und die Widerstandsänderung bewirkt, dass sich auch die Spannung am Knoten ändert. Die Genauigkeit der Schaltung hängt vom Fehler des Thermistors und des Widerstands sowie von der Genauigkeit der Referenzspannung ab.
Problem der Selbstheizung
Da der Thermistor ein Widerstand ist, wird eine bestimmte Wärmemenge erzeugt, wenn Strom durch ihn fließt. Daher sollte der Schaltungsentwickler sicherstellen, dass der Pull-up-Widerstand groß genug ist, um zu verhindern, dass sich der Thermistor selbst erwärmt. Andernfalls misst das System die vom Thermistor erzeugte Wärme und nicht die Umgebungstemperatur.
Die Auswirkung der vom Thermistor verbrauchten Energie auf die Temperatur wird als Verlustleistungskonstante ausgedrückt, die die Anzahl der Milliwatt darstellt, die erforderlich sind, um die Thermistortemperatur um 1 ° C über die Umgebungstemperatur zu erhöhen. Die Verlustkonstante ist je nach Thermistorgehäuse, Pin-Spezifikationen, Einkapselungsmaterial und anderen Faktoren unterschiedlich.
Die vom System zugelassene Menge an Selbsterwärmung und Strombegrenzungswiderstand wird durch die Messgenauigkeit bestimmt. Das Messsystem mit einer Messgenauigkeit von ± 5 ° C ist größer als die Eigenerwärmung des Thermistors, der das Messsystem mit einer Genauigkeit von ± 1 ° C standhalten kann.
Es ist zu beachten, dass der Widerstand des Pull-up-Widerstands berechnet werden muss, um den selbstheizenden Stromverbrauch im gesamten Messtemperaturbereich zu begrenzen. Wenn der Widerstandswert angegeben wird, ändert sich die Verlustleistung bei verschiedenen Temperaturen aufgrund der Änderung des Widerstandswerts des Thermistors.
Manchmal muss der Eingang des Thermistors kalibriert werden, um die richtige Temperaturauflösung zu erhalten. 3 ist eine Schaltung, die den Temperaturbereich von 10 bis 40 ° C auf den gesamten Eingangsbereich von 0 bis 5 V des ADC erweitert.
Die Ausgangsformel des Operationsverstärkers lautet wie folgt:
Sobald der Eingang des Thermistors kalibriert ist, kann der tatsächliche Temperaturwiderstand grafisch dargestellt werden. Da der Thermistor nicht linear ist, muss er grafisch dargestellt werden. Das System muss wissen, wie hoch der Wert des ADC für jede Temperatur ist. Die Genauigkeit der Tabelle wird je nach Anwendung in bestimmten Schritten von 1 ° C oder 5 ° C bestimmt.
Kumulativer Fehler
Wenn Sie die Temperatur mit einem Thermistor messen, wählen Sie den Sensor und andere Komponenten im Eingangsstromkreis so aus, dass sie der erforderlichen Genauigkeit entsprechen. In einigen Fällen ist ein Widerstand mit einer Genauigkeit von 1% erforderlich, und in einigen Fällen ist möglicherweise ein Widerstand mit einer Genauigkeit von 0,1% erforderlich. In jedem Fall wird eine Tabelle verwendet, um die Auswirkung des kumulativen Fehlers aller Komponenten auf die Messgenauigkeit zu berechnen, einschließlich des Widerstands, der Referenzspannung und des Thermistors selbst.
Wenn Sie hohe Präzision wünschen und weniger ausgeben möchten, müssen Sie das System nach dem Bau kalibrieren. Da die Platine und der Thermistor vor Ort ausgetauscht werden müssen, wird dies im Allgemeinen nicht empfohlen. Wenn das Gerät vor Ort nicht ausgetauscht werden kann oder der Techniker über andere Methoden zur Überwachung der Temperatur verfügt, kann die Software auch zum Erstellen einer Tabelle mit temperaturabhängigen ADC-Änderungen verwendet werden. In diesem Fall muss der tatsächliche Temperaturwert mit anderen Tools gemessen werden, und die Software kann die entsprechende Tabelle erstellen. Bei Systemen, bei denen der Thermistor vor Ort ausgetauscht werden muss, kann die auszutauschende Komponente (Sensor oder das gesamte analoge Frontend) werkseitig kalibriert und die Kalibrierungsergebnisse auf einer Festplatte oder einem anderen Speichermedium gespeichert werden. Natürlich muss die Software nach dem Austausch der Komponenten in der Lage sein, die Verwendung der kalibrierten Daten zu kennen.
Im Allgemeinen sind Thermistoren eine kostengünstige Methode zur Temperaturmessung und einfach zu verwenden. Im Folgenden stellen wir den Widerstandstemperaturdetektor und den Thermoelement-Temperatursensor vor.
Widerstand Temperatur Detektor
Ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD) ist eigentlich ein Spezialdraht, dessen Widerstand mit der Temperatur variiert. Üblicherweise umfassen RTD-Materialien Kupfer-, Platin-, Nickel- und Nickel / Eisen-Legierungen. Das RTD-Element kann ein Draht oder ein dünner Film sein, der durch Galvanisieren oder Sputtern auf ein Keramiksubstrat aufgetragen wird.
Der Widerstandswert des Widerstandsthermometers ist ein Nennwert von 0 ° C. 0 ° C 100 Ω Der Platin-Widerstandsthermometer-Widerstand beträgt typischerweise 100,39 Ω bei 1 ° C und 119,4 Ω bei 50 ° C.
Fig. 4 ist ein Vergleich der RTD-Widerstands- / Temperaturkurve mit der Thermistorwiderstands- / Temperaturkurve. Der Fehler des Widerstandsthermometers ist kleiner als der des Thermistors. Für Platin beträgt der Fehler im Allgemeinen 0,01% und das Nickel beträgt im Allgemeinen 0,5%. Zusätzlich zu dem kleinen Fehler und Widerstand ist die Schnittstellenschaltung des Widerstandsthermometers und des Thermistors grundsätzlich gleich.
Thermoelement
Thermoelemente bestehen aus zwei verschiedenen Metallen, die beim Erhitzen eine kleine Spannung erzeugen. Die Größe der Spannung hängt von den beiden metallischen Materialien ab, aus denen das Thermoelement besteht. Eisen-Konstantan (J-Typ), Kupfer-Konstantan (T-Typ) und Chrom-Aluminium (K-Typ) sind die drei am häufigsten verwendeten.
Thermoelemente erzeugen sehr kleine Spannungen, normalerweise nur wenige Millivolt. Die Spannungsänderung der Thermoelementtemperatur vom K-Typ beträgt nur etwa 40 μV, wenn sich die Temperatur um 1 ° C ändert. Daher sollte das Messsystem in der Lage sein, die Messgenauigkeit der Spannungsänderung von 4 μV zu messen, um 0,1 ° C zu erreichen.
Da die beiden verschiedenen Metallarten zusammen eine Potentialdifferenz erzeugen, erzeugt der Anschluss des Thermoelements an das Messsystem auch eine Spannung. Der Verbindungspunkt wird normalerweise auf dem Isolierblock platziert, um diesen Effekt zu verringern, so dass die beiden Knoten die gleiche Temperatur haben, wodurch der Fehler verringert wird. Manchmal wird auch die Temperatur des Isolierblocks gemessen, um die Auswirkungen der Temperatur auszugleichen (Abbildung 5).
Die zur Messung der Thermoelementspannung erforderliche Verstärkung beträgt typischerweise 100 bis 300, und das vom Thermoelement aufgenommene Rauschen wird um denselben Faktor verstärkt. Ein Messverstärker wird typischerweise verwendet, um das Signal zu verstärken, da er Gleichtaktrauschen von den Thermoelementdrähten entfernt. Thermoelement-Signalaufbereiter wie AD594 / 595 von Analog Devices sind auf dem Markt erhältlich, um Hardwareschnittstellen zu vereinfachen.
Festkörper-Wärmesensor
Der einfachste Halbleitertemperatursensor ist ein PN-Übergang, beispielsweise ein PN-Übergang zwischen einer Diode oder einem Transistor-Basisemitter. Wenn ein konstanter Strom durch den in Vorwärtsrichtung vorgespannten Silizium-PN-Übergang fließt, wird der Vorwärtsspannungsabfall bei jeder Temperaturänderung von 1 ° C um 1,8 mV verringert. Viele ICs verwenden diese Eigenschaft von Halbleitern, um die Temperatur zu messen, einschließlich Maxim's MAX1617, LM335 und LM74 des Landes. Halbleitersensoren sind in verschiedenen Schnittstellen erhältlich, vom Spannungsausgang bis zu seriellen SPI / Mikrodraht-Schnittstellen.
Es gibt viele Arten von Temperatursensoren. Durch die richtige Auswahl von Software und Hardware finden Sie den richtigen Sensor für Ihre Anwendung.
Festkörper-Wärmesensor
Der einfachste Halbleitertemperatursensor ist ein PN-Übergang, beispielsweise ein PN-Übergang zwischen einer Diode oder einem Transistor-Basisemitter. Wenn ein konstanter Strom durch den in Vorwärtsrichtung vorgespannten Silizium-PN-Übergang fließt, wird der Vorwärtsspannungsabfall bei jeder Temperaturänderung von 1 ° C um 1,8 mV verringert. Viele ICs verwenden diese Eigenschaft von Halbleitern, um die Temperatur zu messen, einschließlich Maxim's MAX1617, LM335 und LM74 des Landes. Halbleitersensoren sind in verschiedenen Schnittstellen erhältlich, vom Spannungsausgang bis zu seriellen SPI / Mikrodraht-Schnittstellen.
Es gibt viele Arten von Temperatursensoren. Durch die richtige Auswahl von Software und Hardware finden Sie den richtigen Sensor für Ihre Anwendung.
