Optimització dels sistemes de mesurament de la temperatura basats en termistors: un repte

Aquest és el primer article d'una sèrie de dues parts. Aquest article discutirà primer els reptes de la història i el disseny deTemperatura basada en el termistorSistemes de mesurament, així com la seva comparació amb els sistemes de mesurament de la temperatura del termòmetre de resistència (RTD). També descriurà l’elecció dels termistors, les compensacions de configuració i la importància dels convertidors analògics a digitals (ADCs) de Sigma-Delta en aquesta àrea d’aplicació. El segon article detallarà com optimitzar i avaluar el sistema final de mesura basat en termistors.
Tal com es descriu a la sèrie d’articles anteriors, l’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 a les 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 la temperatura positiu (PTC) augmenten la seva resistència a mesura que augmenta la temperatura. A la fig. 1 mostra les característiques de resposta dels termistors típics de NTC i PTC i les compara amb les corbes RTD.
En termes de rang de temperatura, la corba RTD és gairebé lineal i el sensor cobreix un rang de temperatura molt més ampli que els termistors (normalment -200 ° C a +850 ° C) a causa de la naturalesa no lineal (exponencial) del termistor. Els RTD se solen proporcionar en corbes normalitzades conegudes, mentre que les corbes termistors varien segons el fabricant. Ho discutirem detalladament a la secció Guia de selecció del termistor d’aquest article.
Els termistors estan elaborats amb 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 retroalimentació més ràpida. Per tant, els termistors són utilitzats habitualment per sensors en aplicacions que requereixen un cost baix, mida petita, una resposta més ràpida, una sensibilitat més elevada i un rang de temperatura limitat, com ara el control de l'electrònica, el control de la llar i l'edifici, els laboratoris científics o la compensació d'unió en fred per a termoparells a la comercial. o aplicacions industrials. finalitats. Aplicacions.
En la majoria dels casos, els termistors NTC s’utilitzen per a una mesura precisa de la temperatura, no els termistors PTC. Alguns termistors PTC estan disponibles que es poden utilitzar en circuits de protecció sobre sobrecrens o com a fusibles restables per a aplicacions de seguretat. La corba de resistència a la resistència d’un termistor PTC mostra una regió de NTC molt petita abans d’arribar al punt d’interruptor (o punt curie), per sobre de la qual la resistència s’aixeca bruscament per diversos ordres de magnitud en el rang de diversos graus centígrads. En condicions de sobrealimentació, el termistor PTC generarà un autoescalfament fort quan es superi la temperatura de commutació i la seva resistència augmentarà bruscament, cosa que reduirà el corrent d’entrada al sistema, impedint així danys. El punt de commutació dels termistors PTC és normalment entre 60 ° C i 120 ° C i no és adequat per controlar les mesures de temperatura en un ampli ventall d’aplicacions. Aquest article se centra en termistors NTC, que normalment poden mesurar o controlar les temperatures que van des de -80 ° C fins a +150 ° C. Els termistors NTC tenen qualificacions de resistència que van des d’uns pocs ohms fins a 10 MΩ a 25 ° C. Com es mostra a la Fig. 1, el canvi de resistència per grau centígrad dels termistors és més acusat que per als termòmetres de resistència. En comparació amb els termistors, l’alta sensibilitat i el valor d’alta resistència del termistor simplifiquen els seus circuits d’entrada, ja que els termistors no requereixen cap configuració especial de cablejat, com ara 3 fils o 4 fils, per compensar la resistència al plom. El disseny del termistor només utilitza una configuració senzilla de 2 fils.
La mesura de temperatura basada en termistors d’alta precisió requereix un processament precís del senyal, conversió analògica a digital, linealització i compensació, tal com es mostra a la Fig. 2.
Tot i que la cadena de senyal pot semblar senzilla, hi ha diverses complexitats que afecten la mida, el cost i el rendiment de tota la placa base. La cartera de precisió ADI d’ADI inclou diverses solucions integrades, com ara l’AD7124-4/AD7124-8, que proporcionen diversos avantatges per al disseny del sistema tèrmic, ja que la majoria dels blocs de construcció necessaris per a una aplicació estan integrats. Tot i això, hi ha diversos reptes en el disseny i l’optimització de les solucions de mesurament de la temperatura basades en termistors.
Aquest article tracta cadascun d’aquests problemes i proporciona recomanacions per resoldre’ls i simplificar encara més el procés de disseny d’aquests sistemes.
Hi ha una gran varietat deTermistors NTCAvui al mercat, per tant, escollir el termistor adequat per a la vostra aplicació pot ser una tasca descoratjadora. Tingueu en compte que els termistors es troben enumerats 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 pocs ohms fins a 10 MΩ. Els termistors amb qualificacions de baixa resistència (resistència nominal de 10 kΩ o menys) solen recolzar els intervals de temperatura més baixos, com ara -50 ° C a +70 ° C. Els termistors amb qualificacions de resistència més elevades poden suportar temperatures fins a 300 ° C.
L’element termistor està format per òxid metàl·lic. Els termistors estan disponibles en formes de pilota, radial i SMD. Les perles de termistor són recobertes epoxi o encapsulades de vidre per a una protecció afegida. Els termistors de boles recobertes epoxi, els termistors radials i superficials són adequats per a temperatures de fins a 150 ° C. Els termistors de perles de vidre són adequats per mesurar temperatures altes. Tots els tipus de recobriments/envasos també protegeixen contra la corrosió. Alguns termistors també tindran carcasses addicionals per a una protecció afegida en entorns durs. Els termistors de perles tenen un temps de resposta més ràpid que els termistors radials/SMD. Tot i això, 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, envasat i disseny. Per exemple, un termistor NTC recobert epoxi pot canviar 0,2 ° C a l'any, mentre que un termistor segellat només canvia 0,02 ° C per any.
Els termistors tenen una precisió diferent. Els termistors estàndard solen tenir una precisió de 0,5 ° C a 1,5 ° C. La qualificació de resistència del termistor i el valor beta (proporció de 25 ° C a 50 ° C/85 ° C) tenen una tolerància. Tingueu 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 sobre un rang de temperatura de 0 ° C a 70 ° C. Per tant, el rang de temperatures que es poden mesurar i la precisió necessària sobre aquest rang de temperatura determina si els termistors són adequats per a aquesta aplicació. Tingueu en compte que com més gran sigui la precisió de la sèrie Omega 44xxx, més gran és el cost.
Per convertir la resistència a graus centígrads, normalment s’utilitza el valor beta. El valor beta es determina en conèixer 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 de dades termistors enumeren un valor beta juntament amb una tolerància a la resistència a 25 ° C i una tolerància al valor beta.
Els termistors de precisió més alta i solucions de terminació de precisió 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 d'equació es generen mitjançant 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 temperatura. R = resistència al termistor en ohms t = temperatura en graus k
A la fig. 3 mostra l'excitació actual del sensor. El corrent de la unitat s’aplica al termistor i s’aplica el mateix corrent a la resistència de precisió; S'utilitza una resistència de precisió 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 (depenent de la temperatura més baixa mesurada al sistema).
En seleccionar el corrent d’excitació, cal tenir en compte la resistència màxima del termistor. D’aquesta manera es garanteix que la tensió a través del sensor i la resistència de referència sempre es troba a un nivell acceptable per a l’electrònica. La font actual del camp requereix una mica de capçalera o de sortida. Si el termistor té una alta resistència a la temperatura mesurable més baixa, això donarà lloc a un corrent de tracció molt baix. Per tant, la tensió generada a tot el termistor a alta temperatura és petita. Es poden utilitzar etapes de guany programable per optimitzar la mesura d’aquests senyals de baix nivell. Tanmateix, el guany s’ha de programar dinàmicament perquè el nivell de senyal del termistor varia molt amb la temperatura.
Una altra opció és establir el guany, però utilitzar el corrent de la unitat dinàmica. Per tant, a mesura que canvia el nivell de senyal del termistor, el valor de corrent de la unitat canvia dinàmicament de manera que la tensió desenvolupada a través del termistor es troba dins del rang d’entrada especificat del dispositiu electrònic. L’usuari ha d’assegurar -se que la tensió desenvolupada 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, un seguiment constant de la tensió a través del termistor per tal que l'electrònica pugui mesurar el senyal. Hi ha una opció més fàcil? Considereu l'excitació de tensió.
Quan la tensió de corrent continu s’aplica al termistor, el corrent a través del termistor 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 la tensió d’accionament també s’utilitza com a senyal de referència ADC, no es requereix cap etapa de guany. El processador no té la tasca de supervisar la tensió del termistor, determinant si el nivell de senyal es pot mesurar per l'electrònica i calcular quin és el valor de la unitat/valor de corrent. Aquest és el mètode utilitzat en aquest article.
Si el termistor té una petita qualificació de resistència i un rang de resistència, es pot utilitzar una tensió o una excitació de corrent. En aquest cas, es pot solucionar el corrent de la unitat i el guany. Així, el circuit es mostrarà com a la figura 3. Aquest mètode és convenient, ja que és possible controlar el corrent a través del sensor i la resistència de referència, que és valuosa en aplicacions de baixa potència. A més, es minimitza l’autoescalfament del termistor.
L’excitació de tensió també es pot utilitzar per a termistors amb qualificacions de baixa resistència. Tanmateix, l’usuari sempre ha d’assegurar -se que el corrent a través del sensor no sigui massa elevat per al sensor o l’aplicació.
L’excitació de tensió simplifica la implementació quan s’utilitza un termistor amb una gran qualificació de resistència i un ampli interval de temperatures. La resistència nominal més gran proporciona un nivell acceptable de corrent nominal. No obstant això, els dissenyadors han de garantir que el corrent estigui a un nivell acceptable en tot el rang de temperatura suportat per l'aplicació.
Els ADCs de Sigma-Delta ofereixen diversos avantatges a l’hora de dissenyar un sistema de mesurament del termistor. Primer, com que l’ADC de Sigma-delta torna a formar l’entrada analògica, el filtratge extern es manté al mínim i l’únic requisit és un simple filtre RC. Proporcionen flexibilitat en el tipus de filtre i la velocitat de baud de sortida. El filtratge digital integrat es pot utilitzar per suprimir qualsevol interferència en dispositius alimentats. 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 Sigma-delta ADC simplifica molt el disseny del termistor alhora que redueix l’especificació, el cost del sistema, l’espai del tauler i el temps per comercialitzar.
Aquest article utilitza l’AD7124-4/AD7124-8 com a ADC perquè són ADC de baix soroll, de corrent baix, de precisió amb PGA integrat, referència integrada, entrada analògica i buffer de referència.
Independentment de si utilitzeu el corrent d’accionament o la tensió d’accionament, es recomana una configuració ratiomètrica en què la tensió de referència i la tensió del sensor provenen de la mateixa font d’accionament. Això significa que qualsevol canvi en la font d’excitació no afectarà la precisió de la mesura.
A la fig. 5 mostra el corrent d'accionament constant del 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 del camp no ha de ser exacte i pot ser menys estable, ja que qualsevol error en el corrent del camp s’eliminarà en aquesta configuració. Generalment, l’excitació de corrent es prefereix per l’excitació de tensió a causa d’un control de sensibilitat superior i una millor immunitat del soroll quan el sensor es troba en llocs remots. Aquest tipus de mètode de biaix s’utilitza normalment per a RTD o termistors amb valors de baixa resistència. Tanmateix, per a un termistor amb un valor de resistència més elevat i una sensibilitat més elevada, el nivell de senyal generat per cada canvi de temperatura serà més gran, de manera que s’utilitza l’excitació de tensió. 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 mínim de la unitat 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 operatiu 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 és necessària la immunitat al corrent de la conducció.
Si afegiu una resistència de sentit en sèrie com a circuit de divisor de tensió, limitarà el corrent a través del termistor al seu valor de resistència mínim. En aquesta configuració, el valor de la resistència de sentit rsens 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 la temperatura canvia, la resistència del termistor NTC també canvia, i la relació de la tensió d’accionament a través del termistor també canvia, donant lloc a que la tensió de sortida sigui proporcional a la resistència del termistor NTC.
Si la referència de tensió seleccionada utilitzada per alimentar el termistor i/o rsense coincideix amb la tensió de referència ADC utilitzada per a la mesura, el sistema està configurat a la mesura ratiomètrica (figura 7) de manera que qualsevol font de tensió d'error relacionada amb l'excitació es biaixi per eliminar.
Tingueu en compte que la resistència del sentit (impulsada de tensió) o la resistència de referència (corrent corrent) haurien de tenir una baixa tolerància inicial 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 sentit de precisió, com es mostra a la Fig. 8. Una altra opció és utilitzar un multiplexor extern o un interruptor de baixa resistència a l'estat ON, que permet compartir una resistència de sentit de precisió. Amb aquesta configuració, cada termistor necessita una mica de temps de liquidació quan es mesura.
En resum, a l’hora de dissenyar un sistema de mesura de temperatura basat en termistors, hi ha moltes preguntes a considerar: selecció del sensor, cablejat del sensor, compensacions de selecció de components, configuració ADC i com aquestes diverses variables afecten la precisió general del sistema. El següent article d’aquesta sèrie explica com optimitzar el disseny del vostre sistema i el pressupost d’error global del sistema per aconseguir el vostre rendiment objectiu.