Aquest és el primer article d'una sèrie de dues parts. Aquest article parlarà primer de la història i els reptes del dissenytemperatura basada en termistorsistemes de mesura, així com la seva comparació amb 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 termistors.
Tal com es descriu a la sèrie d'articles anteriors, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, 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 fig. La figura 1 mostra les característiques de resposta dels termistors NTC i PTC típics i les compara 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 solen proporcionar-se en corbes estandarditzades conegudes, mentre que les corbes del termistor varien segons el fabricant. Ho parlarem amb detall a la secció de la guia de selecció del termistor d'aquest article.
Els termistors estan fets de materials compostos, generalment ceràmica, polímers o semiconductors (generalment 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 pels sensors en aplicacions que requereixen baix cost, mida petita, resposta més ràpida, major sensibilitat i rang de temperatura limitat, com ara control electrònic, control d'habitatges i edificis, laboratoris científics o compensació de la unió freda per a termoparells comercials. o aplicacions industrials. finalitats. Aplicacions.
En la majoria dels casos, els termistors NTC s'utilitzen per mesurar la temperatura amb precisió, no els termistors PTC. Hi ha disponibles alguns termistors PTC que es poden utilitzar en circuits de protecció contra sobreintensitat 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 centígrads. En condicions de sobreintensitat, 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 és normalment entre 60 °C i 120 °C i no és adequat per controlar mesures de temperatura en una àmplia gamma d'aplicacions. Aquest article se centra en els termistors NTC, que normalment poden mesurar o controlar temperatures que oscil·len entre -80 °C i +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 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 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 d'analògic 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 d'ADC de precisió d'ADI inclou diverses solucions integrades, com ara l'AD7124-4/AD7124-8, que ofereixen una sèrie d'avantatges per al disseny del sistema tèrmic, 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 gran varietat deTermistors NTCal mercat avui dia, de manera que 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 pocs ohms fins a 10 MΩ. Els termistors amb classificacions de resistència baixes (resistència nominal de 10 kΩ o menys) solen suportar intervals de temperatura més baixos, com ara -50 °C a +70 °C. Els termistors amb classificacions de resistència més altes poden suportar temperatures de fins a 300 °C.
L'element del 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 amb 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/envasos 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. No obstant 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, 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 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 en un rang de temperatures 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 determina si els termistors són adequats per a aquesta aplicació. Tingueu en compte que com més alta sigui la precisió de la sèrie Omega 44xxx, més gran serà el cost.
Per convertir la resistència a graus centígrads, 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 a l'interval de temperatura utilitzat en el projecte. La majoria de fulls de dades del termistor indiquen un valor beta juntament amb una tolerància de resistència a 25 °C i una tolerància per al valor beta.
Els termistors de major precisió i les solucions de terminació d'alta precisió, com ara la sèrie Omega 44xxx, utilitzen l'equació de Steinhart-Hart per convertir la resistència a graus centígrads. L'equació 2 requereix les tres constants A, B i C, proporcionades de nou pel fabricant del sensor. Com que els coeficients de l'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 consigna de temperatura. R = resistència del termistor en ohms T = temperatura en K graus
A la fig. 3 mostra l'excitació actual del sensor. El corrent d'accionament s'aplica al termistor i el mateix corrent s'aplica 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 (segons la temperatura més baixa mesurada al sistema).
En seleccionar el corrent d'excitació, s'ha de tornar a tenir en compte la resistència màxima del termistor. Això garanteix que la tensió a través del sensor i la resistència de referència estigui sempre a un nivell acceptable per a l'electrònica. La font de corrent de camp requereix una mica d'espai o concordança de sortida. Si el termistor té una resistència alta a la temperatura mesurable més baixa, això donarà lloc a 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 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 del corrent de la unitat canvia dinàmicament de manera que la tensió desenvolupada a través del termistor estigui 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 es troba a un nivell acceptable per a l'electrònica. Ambdues opcions requereixen un alt nivell de control, monitorització constant de la tensió a través del termistor perquè l'electrònica pugui mesurar el senyal. Hi ha una opció més fàcil? Considereu l'excitació de tensió.
Quan s'aplica tensió de corrent continu al termistor, el corrent a través del termistor augmenta 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 pel termistor, permetent així calcular la resistència del termistor. Com que la tensió de la unitat també s'utilitza com a senyal de referència ADC, no es requereix cap etapa de guany. El processador no té la funció de controlar la tensió del termistor, determinar si el nivell de senyal es pot mesurar per l'electrònica i calcular quin valor de guany/actual de la unitat s'ha d'ajustar. Aquest és el mètode utilitzat en aquest article.
Si el termistor té un rang de resistència i un rang de resistència petits, es pot utilitzar l'excitació de tensió o corrent. En aquest cas, el corrent i el guany de la unitat es poden fixar. Així, el circuit serà com es mostra a la figura 3. Aquest mètode és convenient perquè és possible controlar el corrent a través del sensor i la resistència de referència, que és valuós 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 classificacions de resistència baixes. No obstant això, l'usuari ha d'assegurar-se sempre que el corrent a través del sensor no sigui massa alt per al sensor o l'aplicació.
L'excitació de tensió simplifica la implementació quan s'utilitza un termistor amb una gran resistència i un ampli rang de temperatures. 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 temperatures suportat 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 torna a mostrejar 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 sortida. El filtratge digital integrat es pot utilitzar per suprimir qualsevol interferència en dispositius alimentats per xarxa. 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 molt el disseny del termistor alhora que redueix l'especificació, 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 baix soroll, corrent i precisió amb PGA, referència integrada, entrada analògica i memòria intermèdia de referència.
Independentment de si utilitzeu el corrent o la tensió de la unitat, es recomana una configuració ratiomètrica en què la tensió de referència i la tensió del sensor provinguin de la mateixa font de la unitat. Això vol dir que qualsevol canvi en la font d'excitació no afectarà la precisió de la mesura.
A la fig. La figura 5 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. En general, es prefereix l'excitació de corrent a l'excitació de tensió 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 biaix s'utilitza normalment per a RTD o termistors amb valors de resistència baixos. Tanmateix, per a un termistor amb un valor de resistència més alt i una sensibilitat més alta, 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 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 està fora del rang de funcionament de la majoria dels ADC disponibles utilitzats 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 d'accionament.
Afegir una resistència de detecció 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 de detecció 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, donant com a resultat que la tensió de sortida sigui proporcional a la resistència del termistor NTC.
Si la referència de tensió seleccionada que s'utilitza per alimentar el termistor i/o RSENSE coincideix amb la tensió de referència ADC utilitzada per a la mesura, el sistema s'estableix a la mesura ratiomètrica (Figura 7) de manera que qualsevol font de tensió d'error relacionada amb l'excitació serà esbiaixada per eliminar-la.
Tingueu en compte que la resistència de detecció (accionada per tensió) o la resistència de referència (accionada per corrent) hauria 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 fig. 8. Una altra opció és utilitzar un multiplexor extern o un interruptor de baixa resistència en l'estat d'encesa, que permet compartir una resistència de detecció de precisió. Amb aquesta configuració, cada termistor necessita un temps d'assentament quan es mesura.
En resum, a l'hora de dissenyar un sistema de mesura de temperatura basat en termistors, hi ha moltes qüestions a tenir en compte: selecció de sensors, cablejat del sensor, intercanvis de selecció de components, configuració de l'ADC i com aquestes diferents 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 assolir el rendiment objectiu.
Hora de publicació: 30-set-2022