Aquest és el primer article d'una sèrie en dues parts. Aquest article primer tractarà la història i els reptes de disseny detemperatura basada en termistorssistemes de mesura, així com la seva comparació amb els sistemes de mesura de temperatura amb termòmetre de resistència (RTD). També descriurà l'elecció del termistor, els compromisos de configuració i la importància dels convertidors analògic-digital (ADC) sigma-delta en aquesta àrea d'aplicació. El segon article detallarà com optimitzar i avaluar el sistema de mesura final basat en termistor.
Com es descriu a la sèrie d'articles anteriors, Optimització dels sistemes de sensors de temperatura RTD, un RTD és una resistència la resistència de la qual varia amb la temperatura. Els termistors funcionen de manera similar als RTD. A diferència dels RTD, que només tenen un coeficient de temperatura positiu, un termistor pot tenir un coeficient de temperatura positiu o negatiu. Els termistors de coeficient de temperatura negatiu (NTC) disminueixen la seva resistència a mesura que augmenta la temperatura, mentre que els termistors de coeficient de temperatura positiu (PTC) augmenten la seva resistència a mesura que augmenta la temperatura. A la figura 1 es mostren les característiques de resposta dels termistors NTC i PTC típics i les comparen amb les corbes RTD.
Pel que fa al rang de temperatura, la corba RTD és gairebé lineal, i el sensor cobreix un rang de temperatura molt més ampli que els termistors (normalment de -200 °C a +850 °C) a causa de la naturalesa no lineal (exponencial) del termistor. Els RTD se solen proporcionar en corbes estandarditzades conegudes, mentre que les corbes dels termistors varien segons el fabricant. Ho tractarem en detall a la secció de la guia de selecció de termistors d'aquest article.
Els termistors estan fets de materials compostos, generalment ceràmica, polímers o semiconductors (normalment òxids metàl·lics) i metalls purs (platí, níquel o coure). Els termistors poden detectar canvis de temperatura més ràpidament que els RTD, proporcionant una resposta més ràpida. Per tant, els termistors s'utilitzen habitualment per sensors en aplicacions que requereixen baix cost, mida petita, resposta més ràpida, major sensibilitat i rang de temperatura limitat, com ara el control electrònic, el control de la llar i els edificis, laboratoris científics o compensació de unió freda per a termoparells en aplicacions comercials o industrials. Aplicacions.
En la majoria dels casos, els termistors NTC s'utilitzen per a la mesura precisa de la temperatura, no els termistors PTC. Hi ha alguns termistors PTC disponibles que es poden utilitzar en circuits de protecció contra sobrecorrent o com a fusibles reiniciables per a aplicacions de seguretat. La corba resistència-temperatura d'un termistor PTC mostra una regió NTC molt petita abans d'arribar al punt de commutació (o punt de Curie), per sobre del qual la resistència augmenta bruscament en diversos ordres de magnitud en el rang de diversos graus Celsius. En condicions de sobrecorrent, el termistor PTC generarà un fort autoescalfament quan se superi la temperatura de commutació, i la seva resistència augmentarà bruscament, cosa que reduirà el corrent d'entrada al sistema, evitant així danys. El punt de commutació dels termistors PTC sol estar entre 60 °C i 120 °C i no és adequat per controlar les mesures de temperatura en una àmplia gamma d'aplicacions. Aquest article se centra en els termistors NTC, que normalment poden mesurar o monitoritzar temperatures que van des de -80 °C fins a +150 °C. Els termistors NTC tenen resistències nominals que van des d'uns quants ohms fins a 10 MΩ a 25 °C. Com es mostra a la figura 1, el canvi de resistència per grau Celsius per als termistors és més pronunciat que per als termòmetres de resistència. En comparació amb els termistors, l'alta sensibilitat i l'alt valor de resistència del termistor simplifiquen els seus circuits d'entrada, ja que els termistors no requereixen cap configuració de cablejat especial, com ara 3 o 4 fils, per compensar la resistència del cable. El disseny del termistor utilitza només una configuració simple de 2 fils.
El mesurament de temperatura basat en termistors d'alta precisió requereix un processament precís del senyal, conversió analògica-digital, linealització i compensació, tal com es mostra a la figura 2.
Tot i que la cadena de senyals pot semblar simple, hi ha diverses complexitats que afecten la mida, el cost i el rendiment de tota la placa base. La cartera d'ADC de precisió d'ADI inclou diverses solucions integrades, com ara l'AD7124-4/AD7124-8, que proporcionen diversos avantatges per al disseny de sistemes tèrmics, ja que la majoria dels blocs de construcció necessaris per a una aplicació estan integrats. Tanmateix, hi ha diversos reptes a l'hora de dissenyar i optimitzar solucions de mesura de temperatura basades en termistors.
Aquest article tracta cadascun d'aquests problemes i ofereix recomanacions per resoldre'ls i simplificar encara més el procés de disseny d'aquests sistemes.
Hi ha una àmplia varietat deTermistors NTCal mercat actual, per la qual cosa triar el termistor adequat per a la vostra aplicació pot ser una tasca descoratjadora. Tingueu en compte que els termistors es classifiquen pel seu valor nominal, que és la seva resistència nominal a 25 °C. Per tant, un termistor de 10 kΩ té una resistència nominal de 10 kΩ a 25 °C. Els termistors tenen valors de resistència nominals o bàsics que van des d'uns quants ohms fins a 10 MΩ. Els termistors amb baixes classificacions de resistència (resistència nominal de 10 kΩ o menys) solen suportar rangs de temperatura més baixos, com ara de -50 °C a +70 °C. Els termistors amb classificacions de resistència més altes poden suportar temperatures de fins a 300 °C.
L'element termistor està fet d'òxid metàl·lic. Els termistors estan disponibles en formes de bola, radial i SMD. Les perles del termistor estan recobertes d'epoxi o encapsulades de vidre per a una protecció addicional. Els termistors de bola recoberts d'epoxi, els termistors radials i de superfície són adequats per a temperatures de fins a 150 °C. Els termistors de perles de vidre són adequats per mesurar altes temperatures. Tots els tipus de recobriments/embalatge també protegeixen contra la corrosió. Alguns termistors també tindran carcasses addicionals per a una protecció addicional en entorns durs. Els termistors de perles tenen un temps de resposta més ràpid que els termistors radials/SMD. Tanmateix, no són tan duradors. Per tant, el tipus de termistor utilitzat depèn de l'aplicació final i de l'entorn en què es troba el termistor. L'estabilitat a llarg termini d'un termistor depèn del seu material, embalatge i disseny. Per exemple, un termistor NTC recobert d'epoxi pot canviar 0,2 °C per any, mentre que un termistor segellat només canvia 0,02 °C per any.
Els termistors tenen diferents precisions. Els termistors estàndard solen tenir una precisió de 0,5 °C a 1,5 °C. La resistència nominal del termistor i el valor beta (relació de 25 °C a 50 °C/85 °C) tenen una tolerància. Cal tenir en compte que el valor beta del termistor varia segons el fabricant. Per exemple, els termistors NTC de 10 kΩ de diferents fabricants tindran valors beta diferents. Per a sistemes més precisos, es poden utilitzar termistors com la sèrie Omega™ 44xxx. Tenen una precisió de 0,1 °C o 0,2 °C en un rang de temperatura de 0 °C a 70 °C. Per tant, el rang de temperatures que es poden mesurar i la precisió requerida en aquest rang de temperatura determinen si els termistors són adequats per a aquesta aplicació. Cal tenir en compte que com més alta sigui la precisió de la sèrie Omega 44xxx, més alt serà el cost.
Per convertir la resistència a graus Celsius, normalment s'utilitza el valor beta. El valor beta es determina coneixent els dos punts de temperatura i la resistència corresponent a cada punt de temperatura.
RT1 = Resistència a la temperatura 1 RT2 = Resistència a la temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
L'usuari utilitza el valor beta més proper al rang de temperatura utilitzat en el projecte. La majoria de fulls tècnics de termistors enumeren un valor beta juntament amb una tolerància de resistència a 25 °C i una tolerància per al valor beta.
Els termistors de més alta precisió i les solucions de terminació d'alta precisió com la sèrie Omega 44xxx utilitzen l'equació de Steinhart-Hart per convertir la resistència a graus Celsius. L'equació 2 requereix les tres constants A, B i C, de nou proporcionades pel fabricant del sensor. Com que els coeficients de l'equació es generen utilitzant tres punts de temperatura, l'equació resultant minimitza l'error introduït per la linealització (normalment 0,02 °C).
A, B i C són constants derivades de tres punts de consigna de temperatura. R = resistència del termistor en ohms T = temperatura en K graus
A la figura 3 es mostra l'excitació de corrent del sensor. El corrent d'accionament s'aplica al termistor i el mateix corrent s'aplica a la resistència de precisió; una resistència de precisió s'utilitza com a referència per a la mesura. El valor de la resistència de referència ha de ser superior o igual al valor més alt de la resistència del termistor (segons la temperatura més baixa mesurada al sistema).
Quan seleccioneu el corrent d'excitació, cal tenir en compte de nou la resistència màxima del termistor. Això garanteix que la tensió entre el sensor i la resistència de referència estigui sempre a un nivell acceptable per a l'electrònica. La font de corrent de camp requereix un cert marge o adaptació de sortida. Si el termistor té una resistència alta a la temperatura mesurable més baixa, això resultarà en un corrent d'accionament molt baix. Per tant, la tensió generada a través del termistor a alta temperatura és petita. Es poden utilitzar etapes de guany programables per optimitzar la mesura d'aquests senyals de baix nivell. Tanmateix, el guany s'ha de programar dinàmicament perquè el nivell del senyal del termistor varia molt amb la temperatura.
Una altra opció és establir el guany però utilitzar el corrent d'accionament dinàmic. Per tant, a mesura que canvia el nivell del senyal del termistor, el valor del corrent d'accionament canvia dinàmicament de manera que el voltatge desenvolupat a través del termistor estigui dins del rang d'entrada especificat del dispositiu electrònic. L'usuari ha d'assegurar-se que el voltatge desenvolupat a través de la resistència de referència també estigui a un nivell acceptable per a l'electrònica. Ambdues opcions requereixen un alt nivell de control i una monitorització constant del voltatge a través del termistor perquè l'electrònica pugui mesurar el senyal. Hi ha una opció més fàcil? Considereu l'excitació de voltatge.
Quan s'aplica voltatge de CC al termistor, el corrent que hi passa s'escala automàticament a mesura que canvia la resistència del termistor. Ara, utilitzant una resistència de mesura de precisió en lloc d'una resistència de referència, el seu propòsit és calcular el corrent que flueix a través del termistor, permetent així calcular la resistència del termistor. Com que el voltatge de control també s'utilitza com a senyal de referència ADC, no cal cap etapa de guany. El processador no té la tasca de monitoritzar el voltatge del termistor, determinar si l'electrònica pot mesurar el nivell del senyal i calcular quin valor de guany/corrent de control cal ajustar. Aquest és el mètode utilitzat en aquest article.
Si el termistor té una resistència nominal i un rang de resistència petits, es pot utilitzar una excitació de voltatge o corrent. En aquest cas, el corrent i el guany d'accionament es poden fixar. Així, el circuit quedarà com es mostra a la Figura 3. Aquest mètode és convenient, ja que permet controlar el corrent a través del sensor i la resistència de referència, cosa que és valuosa en aplicacions de baixa potència. A més, es minimitza l'autoescalfament del termistor.
L'excitació per voltatge també es pot utilitzar per a termistors amb baixes resistències nominals. Tanmateix, l'usuari sempre ha d'assegurar-se que el corrent que passa pel sensor no sigui massa alt per al sensor o l'aplicació.
L'excitació per voltatge simplifica la implementació quan s'utilitza un termistor amb una gran resistència nominal i un ampli rang de temperatura. Una resistència nominal més gran proporciona un nivell acceptable de corrent nominal. Tanmateix, els dissenyadors han d'assegurar-se que el corrent estigui a un nivell acceptable en tot el rang de temperatura admès per l'aplicació.
Els ADC Sigma-Delta ofereixen diversos avantatges a l'hora de dissenyar un sistema de mesura de termistor. En primer lloc, com que l'ADC sigma-delta remostreja l'entrada analògica, el filtratge extern es manté al mínim i l'únic requisit és un filtre RC simple. Ofereixen flexibilitat en el tipus de filtre i la velocitat de transmissió de sortida. El filtratge digital integrat es pot utilitzar per suprimir qualsevol interferència en dispositius alimentats per la xarxa elèctrica. Els dispositius de 24 bits com l'AD7124-4/AD7124-8 tenen una resolució completa de fins a 21,7 bits, de manera que proporcionen una alta resolució.
L'ús d'un ADC sigma-delta simplifica enormement el disseny del termistor alhora que redueix les especificacions, el cost del sistema, l'espai de la placa i el temps de comercialització.
Aquest article utilitza l'AD7124-4/AD7124-8 com a ADC perquè són ADC de precisió de baix soroll i baix corrent amb PGA integrat, referència integrada, entrada analògica i memòria intermèdia de referència.
Independentment de si feu servir corrent d'accionament o voltatge d'accionament, es recomana una configuració ratiomètrica en què el voltatge de referència i el voltatge del sensor provinguin de la mateixa font d'accionament. Això significa que qualsevol canvi a la font d'excitació no afectarà la precisió de la mesura.
A la figura 5 es mostra el corrent d'accionament constant per al termistor i la resistència de precisió RREF, la tensió desenvolupada a través de RREF és la tensió de referència per mesurar el termistor.
El corrent de camp no ha de ser precís i pot ser menys estable, ja que qualsevol error en el corrent de camp s'eliminarà en aquesta configuració. Generalment, es prefereix l'excitació de corrent a l'excitació de voltatge a causa d'un control de sensibilitat superior i una millor immunitat al soroll quan el sensor es troba en llocs remots. Aquest tipus de mètode de polarització s'utilitza normalment per a RTD o termistors amb valors de resistència baixos. Tanmateix, per a un termistor amb un valor de resistència i una sensibilitat més alts, el nivell de senyal generat per cada canvi de temperatura serà més gran, per la qual cosa s'utilitza l'excitació de voltatge. Per exemple, un termistor de 10 kΩ té una resistència de 10 kΩ a 25 °C. A -50 °C, la resistència del termistor NTC és de 441,117 kΩ. El corrent d'accionament mínim de 50 µA proporcionat per l'AD7124-4/AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, que és massa alt i fora del rang de funcionament de la majoria dels ADC disponibles que s'utilitzen en aquesta àrea d'aplicació. Els termistors també solen estar connectats o situats a prop de l'electrònica, de manera que no es requereix immunitat al corrent de conducció.
Afegir una resistència sensora en sèrie com a circuit divisor de tensió limitarà el corrent a través del termistor al seu valor de resistència mínim. En aquesta configuració, el valor de la resistència sensora RSENSE ha de ser igual al valor de la resistència del termistor a una temperatura de referència de 25 °C, de manera que la tensió de sortida serà igual al punt mitjà de la tensió de referència a la seva temperatura nominal de 25 °CC. De la mateixa manera, si s'utilitza un termistor de 10 kΩ amb una resistència de 10 kΩ a 25 °C, RSENSE hauria de ser de 10 kΩ. A mesura que canvia la temperatura, la resistència del termistor NTC també canvia, i la relació de la tensió d'accionament a través del termistor també canvia, fent que la tensió de sortida sigui proporcional a la resistència del termistor NTC.
Si la referència de voltatge seleccionada per alimentar el termistor i/o RSENSE coincideix amb la tensió de referència ADC utilitzada per a la mesura, el sistema es configura a mesura ratiomètrica (Figura 7) de manera que qualsevol font de tensió d'error relacionada amb l'excitació es polaritzi per eliminar-la.
Cal tenir en compte que la resistència de detecció (accionada per voltatge) o la resistència de referència (accionada per corrent) han de tenir una tolerància inicial baixa i una deriva baixa, ja que ambdues variables poden afectar la precisió de tot el sistema.
Quan s'utilitzen diversos termistors, es pot utilitzar una tensió d'excitació. Tanmateix, cada termistor ha de tenir la seva pròpia resistència de detecció de precisió, tal com es mostra a la figura 8. Una altra opció és utilitzar un multiplexor extern o un interruptor de baixa resistència en estat activat, cosa que permet compartir una resistència de detecció de precisió. Amb aquesta configuració, cada termistor necessita un temps d'establiment quan es mesura.
En resum, a l'hora de dissenyar un sistema de mesura de temperatura basat en termistors, hi ha moltes preguntes a tenir en compte: la selecció del sensor, el cablejat del sensor, els compromisos en la selecció de components, la configuració de l'ADC i com aquestes diverses variables afecten la precisió general del sistema. El següent article d'aquesta sèrie explica com optimitzar el disseny del sistema i el pressupost general d'errors del sistema per aconseguir el rendiment objectiu.
Data de publicació: 30 de setembre de 2022