Acesta este primul articol dintr-o serie în două părți. Acest articol va discuta mai întâi istoria și provocările de design aletemperatură bazată pe termistorsisteme de măsurare, precum și compararea acestora cu sistemele de măsurare a temperaturii bazate pe termometre de rezistență (RTD). De asemenea, va descrie alegerea termistorului, compromisurile de configurație și importanța convertoarelor analog-digitale (ADC) sigma-delta în acest domeniu de aplicare. Al doilea articol va detalia modul de optimizare și evaluare a sistemului final de măsurare bazat pe termistor.
Așa cum s-a descris în seria anterioară de articole, Optimizarea sistemelor de senzori de temperatură RTD, un RTD este un rezistor a cărui rezistență variază în funcție de temperatură. Termistoarele funcționează similar cu RTD-urile. Spre deosebire de RTD-uri, care au doar un coeficient de temperatură pozitiv, un termistor poate avea un coeficient de temperatură pozitiv sau negativ. Termistoarele cu coeficient de temperatură negativ (NTC) își scad rezistența pe măsură ce temperatura crește, în timp ce termistoarele cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC) își cresc rezistența pe măsură ce temperatura crește. În figura 1 sunt prezentate caracteristicile de răspuns ale termistoarelor NTC și PTC tipice și le compară cu curbele RTD.
În ceea ce privește intervalul de temperatură, curba RTD este aproape liniară, iar senzorul acoperă un interval de temperatură mult mai larg decât termistoarele (de obicei -200°C până la +850°C) datorită naturii neliniare (exponențiale) a termistorului. RTD-urile sunt de obicei furnizate în curbe standardizate bine cunoscute, în timp ce curbele termistoarelor variază în funcție de producător. Vom discuta acest lucru în detaliu în secțiunea ghidului de selecție a termistoarelor din acest articol.
Termistoarele sunt fabricate din materiale compozite, de obicei ceramică, polimeri sau semiconductori (de obicei oxizi metalici) și metale pure (platină, nichel sau cupru). Termistoarele pot detecta schimbările de temperatură mai rapid decât termorezistența, oferind un feedback mai rapid. Prin urmare, termistoarele sunt utilizate în mod obișnuit de senzori în aplicații care necesită costuri reduse, dimensiuni mici, răspuns mai rapid, sensibilitate mai mare și interval de temperatură limitat, cum ar fi controlul electronicii, controlul locuințelor și clădirilor, laboratoarele științifice sau compensarea joncțiunii reci pentru termocupluri în aplicații comerciale sau industriale. Aplicații.
În majoritatea cazurilor, pentru măsurarea precisă a temperaturii se utilizează termistoare NTC, nu termistoare PTC. Sunt disponibile unele termistoare PTC care pot fi utilizate în circuite de protecție la supracurent sau ca siguranțe resetabile pentru aplicații de siguranță. Curba rezistență-temperatură a unui termistor PTC prezintă o regiune NTC foarte mică înainte de a atinge punctul de comutare (sau punctul Curie), peste care rezistența crește brusc cu câteva ordine de mărime în intervalul de câteva grade Celsius. În condiții de supracurent, termistorul PTC va genera o autoîncălzire puternică atunci când temperatura de comutare este depășită, iar rezistența sa va crește brusc, ceea ce va reduce curentul de intrare în sistem, prevenind astfel deteriorarea. Punctul de comutare al termistoarelor PTC este de obicei între 60°C și 120°C și nu este potrivit pentru controlul măsurătorilor de temperatură într-o gamă largă de aplicații. Acest articol se concentrează pe termistoarele NTC, care pot măsura sau monitoriza de obicei temperaturi cuprinse între -80°C și +150°C. Termistoarele NTC au valori de rezistență cuprinse între câțiva ohmi și 10 MΩ la 25°C. După cum se arată în fig. 1, modificarea rezistenței pe grad Celsius pentru termistoare este mai pronunțată decât pentru termometrele de rezistență. Comparativ cu termistoarele, sensibilitatea ridicată și valoarea mare a rezistenței termistorului simplifică circuitele de intrare, deoarece termistoarele nu necesită nicio configurație specială de cablare, cum ar fi 3 sau 4 fire, pentru a compensa rezistența conductorului. Designul termistorului utilizează doar o configurație simplă cu 2 fire.
Măsurarea temperaturii de înaltă precizie bazată pe termistor necesită procesare precisă a semnalului, conversie analog-digitală, liniarizare și compensare, așa cum se arată în fig. 2.
Deși lanțul de semnal poate părea simplu, există o serie de complexități care afectează dimensiunea, costul și performanța întregii plăci de bază. Portofoliul de ADC-uri de precizie ADI include mai multe soluții integrate, cum ar fi AD7124-4/AD7124-8, care oferă o serie de avantaje pentru proiectarea sistemelor termice, deoarece majoritatea elementelor constitutive necesare pentru o aplicație sunt încorporate. Cu toate acestea, există diverse provocări în proiectarea și optimizarea soluțiilor de măsurare a temperaturii bazate pe termistoare.
Acest articol discută fiecare dintre aceste probleme și oferă recomandări pentru rezolvarea lor și simplificarea procesului de proiectare pentru astfel de sisteme.
Există o mare varietate deTermistoare NTCpe piață astăzi, așa că alegerea termistorului potrivit pentru aplicația dvs. poate fi o sarcină descurajantă. Rețineți că termistoarele sunt listate după valoarea lor nominală, care este rezistența lor nominală la 25°C. Prin urmare, un termistor de 10 kΩ are o rezistență nominală de 10 kΩ la 25°C. Termistoarele au valori de rezistență nominale sau de bază cuprinse între câțiva ohmi și 10 MΩ. Termistoarele cu rezistențe nominale scăzute (rezistență nominală de 10 kΩ sau mai puțin) suportă de obicei intervale de temperatură mai scăzute, cum ar fi -50°C până la +70°C. Termistoarele cu rezistențe mai mari pot rezista la temperaturi de până la 300°C.
Elementul termistor este fabricat din oxid metalic. Termistoarele sunt disponibile în forme sferice, radiale și SMD. Perlele termistorului sunt acoperite cu rășină epoxidică sau încapsulate în sticlă pentru o protecție suplimentară. Termistoarele cu bilă acoperite cu rășină epoxidică, termistoarele radiale și cele de suprafață sunt potrivite pentru temperaturi de până la 150°C. Termistoarele cu perle de sticlă sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor ridicate. Toate tipurile de acoperiri/ambalaje protejează, de asemenea, împotriva coroziunii. Unele termistoare vor avea, de asemenea, carcase suplimentare pentru o protecție suplimentară în medii dure. Termistoarele cu perle au un timp de răspuns mai rapid decât termistoarele radiale/SMD. Cu toate acestea, acestea nu sunt la fel de durabile. Prin urmare, tipul de termistor utilizat depinde de aplicația finală și de mediul în care se află termistorul. Stabilitatea pe termen lung a unui termistor depinde de materialul, ambalajul și designul său. De exemplu, un termistor NTC acoperit cu rășină epoxidică se poate modifica cu 0,2°C pe an, în timp ce un termistor etanș se modifică doar cu 0,02°C pe an.
Termistoarele au precizii diferite. Termistoarele standard au de obicei o precizie de la 0,5°C la 1,5°C. Rezistența nominală a termistorului și valoarea beta (raportul dintre 25°C și 50°C/85°C) au o toleranță. Rețineți că valoarea beta a termistorului variază în funcție de producător. De exemplu, termistoarele NTC de 10 kΩ de la diferiți producători vor avea valori beta diferite. Pentru sisteme mai precise, se pot utiliza termistoare precum seria Omega™ 44xxx. Acestea au o precizie de 0,1°C sau 0,2°C pe un interval de temperatură de la 0°C la 70°C. Prin urmare, intervalul de temperaturi care pot fi măsurate și precizia necesară pe acel interval de temperatură determină dacă termistoarele sunt potrivite pentru această aplicație. Vă rugăm să rețineți că, cu cât precizia seriei Omega 44xxx este mai mare, cu atât costul este mai mare.
Pentru a converti rezistența în grade Celsius, se folosește de obicei valoarea beta. Valoarea beta este determinată prin cunoașterea celor două puncte de temperatură și a rezistenței corespunzătoare la fiecare punct de temperatură.
RT1 = Rezistență la temperatură 1 RT2 = Rezistență la temperatură 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
Utilizatorul folosește valoarea beta cea mai apropiată de intervalul de temperatură utilizat în proiect. Majoritatea fișelor tehnice ale termistoarelor listează o valoare beta împreună cu o toleranță de rezistență la 25°C și o toleranță pentru valoarea beta.
Termistoarele de precizie superioară și soluțiile de terminare de înaltă precizie, cum ar fi seria Omega 44xxx, utilizează ecuația Steinhart-Hart pentru a converti rezistența în grade Celsius. Ecuația 2 necesită cele trei constante A, B și C, din nou furnizate de producătorul senzorului. Deoarece coeficienții ecuației sunt generați folosind trei puncte de temperatură, ecuația rezultată minimizează eroarea introdusă prin liniarizare (de obicei 0,02 °C).
A, B și C sunt constante derivate din trei valori de referință ale temperaturii. R = rezistența termistorului în ohmi T = temperatura în K grade
În fig. 3 este prezentată excitația curentului senzorului. Curentul de acționare este aplicat termistorului, iar același curent este aplicat rezistenței de precizie; o rezistență de precizie este utilizată ca referință pentru măsurare. Valoarea rezistenței de referință trebuie să fie mai mare sau egală cu cea mai mare valoare a rezistenței termistorului (în funcție de cea mai scăzută temperatură măsurată în sistem).
La selectarea curentului de excitație, trebuie din nou luată în considerare rezistența maximă a termistorului. Acest lucru asigură că tensiunea pe senzor și rezistența de referință este întotdeauna la un nivel acceptabil pentru electronică. Sursa de curent de câmp necesită o anumită marjă de rezistență sau o adaptare la ieșire. Dacă termistorul are o rezistență mare la cea mai scăzută temperatură măsurabilă, acest lucru va duce la un curent de comandă foarte scăzut. Prin urmare, tensiunea generată pe termistor la temperatură ridicată este mică. Se pot utiliza etape de amplificare programabile pentru a optimiza măsurarea acestor semnale de nivel scăzut. Cu toate acestea, amplificarea trebuie programată dinamic, deoarece nivelul semnalului de la termistor variază foarte mult în funcție de temperatură.
O altă opțiune este setarea amplificării, dar utilizarea curentului dinamic de acționare. Prin urmare, pe măsură ce nivelul semnalului de la termistor se modifică, valoarea curentului de acționare se modifică dinamic, astfel încât tensiunea dezvoltată pe termistor să se încadreze în intervalul de intrare specificat al dispozitivului electronic. Utilizatorul trebuie să se asigure că tensiunea dezvoltată pe rezistorul de referință este, de asemenea, la un nivel acceptabil pentru electronică. Ambele opțiuni necesită un nivel ridicat de control, monitorizare constantă a tensiunii pe termistor, astfel încât electronica să poată măsura semnalul. Există o opțiune mai ușoară? Luați în considerare excitația de tensiune.
Când se aplică tensiune continuă termistorului, curentul prin termistor se modifică automat pe măsură ce rezistența termistorului se modifică. Acum, folosind un rezistor de măsurare de precizie în loc de un rezistor de referință, scopul său este de a calcula curentul care curge prin termistor, permițând astfel calcularea rezistenței termistorului. Deoarece tensiunea de acționare este utilizată și ca semnal de referință ADC, nu este necesară nicio etapă de amplificare. Procesorul nu are sarcina de a monitoriza tensiunea termistorului, de a determina dacă nivelul semnalului poate fi măsurat de electronică și de a calcula ce valoare a amplificarii/curentului de acționare trebuie ajustată. Aceasta este metoda utilizată în acest articol.
Dacă termistorul are o rezistență nominală și un interval de rezistență mic, se poate utiliza excitația în tensiune sau curent. În acest caz, curentul de acționare și amplificarea pot fi fixe. Astfel, circuitul va fi așa cum se arată în Figura 3. Această metodă este convenabilă prin faptul că este posibil să se controleze curentul prin senzor și rezistorul de referință, ceea ce este valoros în aplicațiile de putere redusă. În plus, autoîncălzirea termistorului este redusă la minimum.
Excitația cu tensiune poate fi utilizată și pentru termistoare cu rezistențe nominale scăzute. Cu toate acestea, utilizatorul trebuie să se asigure întotdeauna că curentul prin senzor nu este prea mare pentru senzor sau aplicație.
Excitația în tensiune simplifică implementarea atunci când se utilizează un termistor cu o rezistență nominală mare și un interval larg de temperatură. O rezistență nominală mai mare oferă un nivel acceptabil de curent nominal. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să se asigure că curentul este la un nivel acceptabil pe întregul interval de temperatură suportat de aplicație.
ADC-urile Sigma-Delta oferă mai multe avantaje la proiectarea unui sistem de măsurare cu termistor. În primul rând, deoarece ADC-ul sigma-delta reeșantionează intrarea analogică, filtrarea externă este menținută la minimum, iar singura cerință este un filtru RC simplu. Acestea oferă flexibilitate în ceea ce privește tipul de filtru și rata de transfer la ieșire. Filtrarea digitală încorporată poate fi utilizată pentru a suprima orice interferență în dispozitivele alimentate de la rețea. Dispozitivele pe 24 de biți, cum ar fi AD7124-4/AD7124-8, au o rezoluție completă de până la 21,7 biți, deci oferă o rezoluție ridicată.
Utilizarea unui ADC sigma-delta simplifică considerabil proiectarea termistorului, reducând în același timp specificațiile, costul sistemului, spațiul pe placă și timpul de lansare pe piață.
Acest articol folosește AD7124-4/AD7124-8 ca ADC, deoarece acestea sunt ADC-uri de precizie cu zgomot redus, curent redus, cu PGA încorporat, referință încorporată, intrare analogică și buffer de referință.
Indiferent dacă utilizați curent de acționare sau tensiune de acționare, se recomandă o configurație rațiometrică în care tensiunea de referință și tensiunea senzorului provin de la aceeași sursă de acționare. Aceasta înseamnă că orice modificare a sursei de excitație nu va afecta precizia măsurătorii.
În figura 5 se prezintă curentul constant de acționare pentru termistorul și rezistența de precizie RREF, tensiunea dezvoltată la bornele RREF fiind tensiunea de referință pentru măsurarea termistorului.
Curentul de câmp nu trebuie să fie precis și poate fi mai puțin stabil, deoarece orice erori în curentul de câmp vor fi eliminate în această configurație. În general, excitația curentului este preferată excitației de tensiune datorită controlului superior al sensibilității și imunității mai bune la zgomot atunci când senzorul este amplasat în locații îndepărtate. Acest tip de metodă de polarizare este de obicei utilizat pentru RTD-uri sau termistoare cu valori de rezistență scăzute. Cu toate acestea, pentru un termistor cu o valoare de rezistență mai mare și o sensibilitate mai mare, nivelul semnalului generat de fiecare modificare de temperatură va fi mai mare, așa că se utilizează excitația de tensiune. De exemplu, un termistor de 10 kΩ are o rezistență de 10 kΩ la 25°C. La -50°C, rezistența termistorului NTC este de 441,117 kΩ. Curentul minim de acționare de 50 µA furnizat de AD7124-4/AD7124-8 generează 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, ceea ce este prea mare și în afara intervalului de funcționare al majorității ADC-urilor disponibile utilizate în această zonă de aplicație. Termistoarele sunt de obicei conectate sau amplasate în apropierea componentelor electronice, astfel încât imunitatea la curentul de acționare nu este necesară.
Adăugarea unui rezistor de detectare în serie ca circuit divizor de tensiune va limita curentul prin termistor la valoarea sa minimă de rezistență. În această configurație, valoarea rezistorului de detectare RSENSE trebuie să fie egală cu valoarea rezistenței termistorului la o temperatură de referință de 25°C, astfel încât tensiunea de ieșire să fie egală cu punctul de mijloc al tensiunii de referință la temperatura sa nominală de 25°CC. În mod similar, dacă se utilizează un termistor de 10 kΩ cu o rezistență de 10 kΩ la 25°C, RSENSE ar trebui să fie 10 kΩ. Pe măsură ce temperatura se modifică, se modifică și rezistența termistorului NTC, precum și raportul tensiunii de acționare pe termistor, rezultând o tensiune de ieșire proporțională cu rezistența termistorului NTC.
Dacă tensiunea de referință selectată, utilizată pentru alimentarea termistorului și/sau a RSENSE, se potrivește cu tensiunea de referință ADC utilizată pentru măsurare, sistemul este setat la măsurare rațiometrică (Figura 7), astfel încât orice sursă de tensiune de eroare legată de excitație va fi polarizată pentru a fi eliminată.
Rețineți că fie rezistorul de detectare (acționat de tensiune), fie rezistorul de referință (acționat de curent) ar trebui să aibă o toleranță inițială scăzută și o derivă redusă, deoarece ambele variabile pot afecta precizia întregului sistem.
Când se utilizează mai mulți termistori, se poate utiliza o singură tensiune de excitație. Cu toate acestea, fiecare termistor trebuie să aibă propria rezistență de detectare a preciziei, așa cum se arată în fig. 8. O altă opțiune este utilizarea unui multiplexor extern sau a unui comutator cu rezistență scăzută în starea pornit, ceea ce permite partajarea unei rezistențe de detectare a preciziei. Cu această configurație, fiecare termistor necesită un anumit timp de stabilizare atunci când este măsurat.
În concluzie, atunci când se proiectează un sistem de măsurare a temperaturii bazat pe termistor, există numeroase întrebări de luat în considerare: selecția senzorilor, cablarea senzorilor, compromisurile în selecția componentelor, configurația convertorului analogic-digital (ADC) și modul în care aceste variabile afectează precizia generală a sistemului. Următorul articol din această serie explică cum să optimizați designul sistemului și bugetul general de erori al sistemului pentru a atinge performanța țintă.
Data publicării: 30 septembrie 2022