これは、2部構成のシリーズの最初の記事です。この記事では、最初に歴史とデザインの課題について説明しますサーミスタベースの温度測定システム、および抵抗温度計（RTD）温度測定システムとの比較。また、このアプリケーションエリアでのサーミスタの選択、構成トレードオフ、およびSigma-Deltaアナログからデジタルコンバーター（ADC）の重要性についても説明します。 2番目の記事では、最終的なサーミスタベースの測定システムを最適化および評価する方法について説明します。
前の記事シリーズであるRTD温度センサーシステムの最適化で説明したように、RTDは抵抗が温度によって異なる抵抗です。サーミスタはRTDと同様に機能します。正の温度係数のみを持つRTDとは異なり、サーミスタは正または負の温度係数を持つことができます。負の温度係数（NTC）サーミスタは、温度が上昇するにつれて抵抗を減らし、温度係数（PTC）サーミスタは温度上昇するにつれて抵抗を増加させます。図1は、典型的なNTCおよびPTCサーミスタの応答特性を示し、それらをRTD曲線と比較します。
温度範囲に関しては、RTD曲線はほぼ線形であり、センサーはサーミスタの非線形（指数関数的）性質のため、サーミスタ（通常-200°C〜 +850°C）よりもはるかに広い温度範囲を覆っています。 RTDは通常、よく知られている標準化された曲線で提供されますが、サーミスタ曲線はメーカーによって異なります。これについては、この記事のサーミスタ選択ガイドセクションで詳しく説明します。
サーミスタは、複合材料、通常はセラミック、ポリマー、または半導体（通常は金属酸化物）と純粋な金属（プラチナ、ニッケル、または銅）から作られています。サーミスタは、RTDよりも速く温度変化を検出でき、フィードバックを高速化することができます。したがって、サーミスタは、一般的に、低コスト、少量、より速い応答、より高い感度、電子機器制御、家庭および建物制御、科学研究所、または商業用または産業用途の熱電対のコールドジャンクション補償などの温度範囲が限られているアプリケーションで使用されます。目的。アプリケーション。
ほとんどの場合、NTCサーミスタは、PTCサーミスタではなく、正確な温度測定に使用されます。過電流保護回路で使用できる、または安全用途向けの再入力可能な融合として使用できる一部のPTCサーミスタが利用可能です。 PTCサーミスタの抵抗温度曲線は、スイッチポイント（またはキュリーポイント）に到達する前に非常に小さなNTC領域を示します。過電流条件下では、PTCサーミスタは、スイッチング温度を超えて強力な自己投資を生成し、その抵抗が急激に上昇し、システムへの入力電流が減少し、それによって損傷を防ぎます。 PTCサーミスタのスイッチングポイントは通常、60°Cから120°Cの間で、広範囲の用途での温度測定の制御には適していません。この記事では、通常、-80°Cから +150°Cまでの温度を測定または監視できるNTCサーミスタに焦点を当てています。 NTCサーミスタには、25°Cで数オームから10MΩの範囲の抵抗評価があります。図に示すように。 1、サーミスタの摂氏1度あたりの抵抗の変化は、抵抗温度計の方が顕著です。サーミスタのサーミスタの高感度と高い抵抗値は、サーミスタが鉛抵抗を補うために3線や4線などの特別な配線構成を必要としないため、入力回路を簡素化します。サーミスタデザインは、シンプルな2線構成のみを使用します。
高精度サーミスタベースの温度測定には、図に示すように、正確な信号処理、アナログからデジタルへの変換、線形化、および補償が必要です。 2。
信号チェーンは単純に見えるかもしれませんが、マザーボード全体のサイズ、コスト、パフォーマンスに影響を与える複雑さがいくつかあります。 ADIの精密ADCポートフォリオには、AD7124-4/AD7124-8などのいくつかの統合ソリューションが含まれています。これは、アプリケーションに必要なビルディングブロックのほとんどが組み込まれているため、熱システム設計に多くの利点を提供します。ただし、サーミスタベースの温度測定ソリューションの設計と最適化には、さまざまな課題があります。
この記事では、これらの各問題について説明し、それらを解決し、そのようなシステムの設計プロセスをさらに簡素化するための推奨事項を提供します。
多種多様ですNTCサーミスタ今日の市場では、アプリケーションに適したサーミスタを選択することは困難な作業になる可能性があります。サーミスタは、25°Cでの公称抵抗である名目値によってリストされていることに注意してください。したがって、10kΩサーミスタは、25°Cで10kΩの公称抵抗があります。サーミスタには、数オームから10MΩの範囲の公称または基本的な抵抗値があります。低抵抗定格（10kΩ以下の公称抵抗）のサーミスタは、通常、-50°C〜 +70°Cなどの低い温度範囲をサポートします。抵抗定格が高いサーミスタは、最大300°Cまでの温度に耐えることができます。
サーミスタ要素は金属酸化物でできています。サーミスタは、ボール、ラジアル、SMDの形状で利用できます。サーミスタビーズは、エポキシコーティングまたはガラスがカプセル化されているため、保護を追加します。エポキシコーティングされたボールサーミスタ、ラジアル、表面サーミスタは、最大150°Cまでの温度に適しています。ガラスビーズサーミスタは、高温の測定に適しています。あらゆる種類のコーティング/パッケージも腐食から保護します。一部のサーミスタには、過酷な環境で追加の保護のために追加のハウジングがあります。ビーズサーミスタは、ラジアル/SMDサーミスタよりも速い応答時間を持っています。ただし、耐久性はありません。したがって、使用されるサーミスタのタイプは、エンドアプリケーションとサーミスタが配置されている環境に依存します。サーミスタの長期的な安定性は、その材料、包装、および設計に依存します。たとえば、エポキシコーティングされたNTCサーミスタは年間0.2°Cを変化させる可能性がありますが、密閉されたサーミスタは年間0.02°Cしか変化しません。
サーミスタには異なる精度があります。標準のサーミスタは通常、0.5°Cから1.5°Cの精度を持っています。サーミスタ抵抗定格とベータ値（25°C〜50°C/85°Cの比率）には耐性があります。サーミスタのベータ値はメーカーによって異なることに注意してください。たとえば、さまざまなメーカーの10kΩNTCサーミスタには、ベータ値が異なります。より正確なシステムには、Omega™44xxxシリーズなどのサーミスタを使用できます。彼らは、0°Cから70°Cの温度範囲にわたって0.1°Cまたは0.2°Cの精度を持っています。したがって、測定できる温度の範囲とその温度範囲で必要な精度により、サーミスタがこのアプリケーションに適しているかどうかが決まります。 Omega 44xxxシリーズの精度が高いほど、コストが高くなることに注意してください。
抵抗を摂氏度に変換するために、通常、ベータ値が使用されます。ベータ値は、2つの温度ポイントと各温度ポイントでの対応する抵抗を知ることにより決定されます。
RT1 =温度抵抗1 RT2 =温度抵抗2 T1 =温度1（k）T2 =温度2（k）
ユーザーは、プロジェクトで使用される温度範囲に最も近いベータ値を使用します。ほとんどのサーミスタデータシートは、25°Cでの抵抗耐性とベータ値に対する耐性とともにベータ値をリストしています。
OMEGA 44XXXシリーズなどの高精度サーミスタと高精度終端溶液を使用して、SteinHart-Hart方程式を使用して耐性を摂氏に変換します。式2には、センサーメーカーが再び提供する3つの定数A、B、およびCが必要です。方程式係数は3つの温度ポイントを使用して生成されるため、結果の方程式は線形化によって導入される誤差を最小限に抑えます（通常0.02°C）。
A、B、およびCは、3つの温度設定値から派生した定数です。 R =オームのサーミスタ抵抗T = k度の温度
図3は、センサーの現在の励起を示しています。ドライブ電流がサーミスタに適用され、同じ電流が精密抵抗器に適用されます。精密抵抗器は、測定の参照として使用されます。基準抵抗器の値は、サーミスタ抵抗の最高値以上でなければなりません（システムで測定された最低温度に応じて）。
励起電流を選択する場合、サーミスタの最大抵抗を再度考慮する必要があります。これにより、センサー全体の電圧と参照抵抗器が常に電子機器に受け入れられるレベルになることが保証されます。フィールド電流ソースには、ヘッドルームまたは出力の一致が必要です。サーミスタが最も低い測定可能な温度で高い抵抗を持っている場合、これにより非常に低いドライブ電流が生じます。したがって、高温でサーミスタ全体で生成される電圧は小さいです。プログラム可能なゲインステージを使用して、これらの低レベル信号の測定を最適化できます。ただし、サーミスタの信号レベルは温度によって大きく異なるため、ゲインは動的にプログラムする必要があります。
別のオプションは、ゲインを設定しますが、動的ドライブ電流を使用することです。したがって、サーミスタからの信号レベルが変化すると、ドライブ電流値が動的に変化し、サーミスタ全体で発生した電圧が電子デバイスの指定された入力範囲内にあります。ユーザーは、参照抵抗器全体で開発された電圧が電子機器に受け入れられるレベルにあることを確認する必要があります。どちらのオプションでも、電子機器が信号を測定できるように、サーミスタ全体の電圧の一定の制御、一定の制御が必要です。より簡単なオプションはありますか？電圧励起を検討してください。
DC電圧がサーミスタに適用されると、サーミスタの抵抗が変化するにつれて、サーミスタを通る電流が自動的にスケーリングされます。現在、参照抵抗の代わりに精度測定抵抗器を使用して、その目的は、サーミスタを介して流れる電流を計算し、サーミスタ抵抗を計算できるようにすることです。駆動電圧はADC参照信号としても使用されるため、ゲインステージは必要ありません。プロセッサには、サーミスタ電圧の監視、電子機器によって信号レベルを測定できるかどうかを判断し、どのドライブゲイン/電流値を調整する必要があるかを計算する仕事がありません。これは、この記事で使用される方法です。
サーミスタの抵抗定格と抵抗範囲が小さい場合、電圧または電流励起を使用できます。この場合、ドライブ電流とゲインを固定できます。したがって、回路は図3に示すようになります。この方法は、センサーと参照抵抗を介して電流を制御できるという点で便利です。これは、低電力アプリケーションで価値があります。さらに、サーミスタの自己加熱が最小化されます。
電圧励起は、低抵抗定格のサーミスタにも使用できます。ただし、ユーザーは、センサーを介した電流がセンサーやアプリケーションに対して高すぎないことを常に確認する必要があります。
電圧励起により、大きな抵抗定格と広い温度範囲でサーミスタを使用する場合の実装が簡素化されます。より大きな公称抵抗は、許容可能なレベルの定格電流を提供します。ただし、設計者は、アプリケーションでサポートされている温度範囲全体にわたって電流が許容レベルにあることを確認する必要があります。
Sigma-Delta ADCは、サーミスタ測定システムを設計する際にいくつかの利点を提供します。第一に、Sigma-Delta ADCがアナログ入力を再アンプルするため、外部フィルタリングは最小限に抑えられ、唯一の要件は単純なRCフィルターです。フィルタータイプと出力ボーレートの柔軟性を提供します。組み込みのデジタルフィルタリングを使用して、主電源デバイスの干渉を抑制できます。 AD7124-4/AD7124-8などの24ビットデバイスには、最大21.7ビットの完全な解像度があるため、高解像度を提供します。
Sigma-Delta ADCの使用は、仕様、システムコスト、ボードスペース、市場までの時間を削減しながら、サーミスタの設計を大幅に簡素化します。
この記事では、AD7124-4/AD7124-8をADCとして使用しています。これは、BOWN、低電流、内蔵PGA、内蔵の参照、アナログ入力、および参照バッファを備えた精密ADCです。
ドライブ電流を使用しているかドライブ電圧を使用しているかに関係なく、参照電圧とセンサー電圧が同じドライブソースから得られるレシオメトリック構成が推奨されます。これは、励起源の変化が測定の精度に影響しないことを意味します。
図5は、サーミスタおよび精密抵抗RREFの定数駆動電流を示し、RREF全体で開発された電圧は、サーミスタを測定するための基準電圧です。
フィールド電流は正確である必要はなく、この構成でフィールド電流のエラーが排除されるため、安定性が低下する場合があります。一般に、センサーがリモートの場所にある場合、優れた感度制御とより良いノイズ免疫により、電圧励起よりも電流励起が好まれます。このタイプのバイアス法は、通常、抵抗値が低いRTDまたはサーミスタに使用されます。ただし、より高い抵抗値と感度が高いサーミスタの場合、各温度変化によって生成される信号レベルが大きくなるため、電圧励起が使用されます。たとえば、10kΩサーミスタの抵抗は25°Cで抵抗があります。 -50°Cでは、NTCサーミスタの抵抗は441.117kΩです。 AD7124-4/AD7124-8によって提供される50 µAの最小ドライブ電流は、441.117kΩ×50 µA = 22 Vを生成します。サーミスタは通常、電子機器の近くに接続または配置されているため、電流を駆動するための免疫は必要ありません。
電圧分割回路として直列にセンス抵抗器を追加すると、サーミスタを介して電流が最小抵抗値に制限されます。この構成では、感覚抵抗rsenseの値は、25°Cの基準温度でのサーミスタ抵抗の値に等しくなければなりません。そうするため、出力電圧は、25°Cの抵抗を伴う10kΩサーミスタを使用する場合、同様に25°CCの公称温度の基準電圧の中間点に等しくなります。温度が変化すると、NTCサーミスタの抵抗も変化し、サーミスタ全体の駆動電圧の比も変化し、出力電圧がNTCサーミスタの抵抗に比例します。
サーミスタおよび/またはrSenseが測定に使用されるADC参照電圧と一致するために使用される選択した電圧基準が測定に使用される場合、システムはレシオメトリック測定に設定されているため（図7）
センス抵抗（電圧駆動）または参照抵抗器（電流駆動）のいずれかは、両方の変数がシステム全体の精度に影響を与える可能性があるため、初期耐性と低いドリフトを持つ必要があることに注意してください。
複数のサーミスタを使用する場合、1つの励起電圧を使用できます。ただし、図に示すように、各サーミスタには独自の精密感覚抵抗器が必要です。 8。別のオプションは、ON状態で外部マルチプレクサまたは低抵抗スイッチを使用することです。これにより、1つの精密感覚抵抗器を共有できます。この構成により、各サーミスタは測定されたときにある程度の沈降時間が必要です。
要約すると、サーミスタベースの温度測定システムを設計するとき、センサーの選択、センサーの配線、コンポーネント選択のトレードオフ、ADC構成、およびこれらのさまざまな変数がシステムの全体的な精度にどのように影響するかという質問がたくさんあります。このシリーズの次の記事では、システム設計とシステム全体のエラー予算を最適化して、ターゲットパフォーマンスを実現する方法について説明します。
投稿時間：Sep-30-2022