Questo è il primo articolo di una serie in due parti. Questo articolo discuterà per la prima volta le sfide della storia e del design diTemperatura a base di termistoreSistemi di misurazione, nonché il loro confronto con i sistemi di misurazione della temperatura del termometro a resistenza (RTD). Descriverà anche la scelta del termistore, i compromessi di configurazione e l'importanza dei convertitori da analogico a digitale Sigma-Delta (ADC) in questa area di applicazione. Il secondo articolo descriverà in dettaglio come ottimizzare e valutare il sistema di misurazione finale basato su termistore.
Come descritto nella serie di articoli precedenti, ottimizzando i sistemi di sensori di temperatura RTD, un RTD è una resistenza la cui resistenza varia con la temperatura. I termistori lavorano in modo simile a RTDS. A differenza degli RTD, che hanno solo un coefficiente di temperatura positivo, un termistore può avere un coefficiente di temperatura positivo o negativo. I termistori del coefficiente di temperatura negativo (NTC) riducono la loro resistenza all'aumentare della temperatura, mentre i termistori del coefficiente di temperatura positivo (PTC) aumentano la loro resistenza all'aumentare della temperatura. Su Fig. 1 mostra le caratteristiche di risposta dei tipici termistori NTC e PTC e le confrontano con le curve RTD.
In termini di intervallo di temperatura, la curva RTD è quasi lineare e il sensore copre un intervallo di temperatura molto più ampio rispetto ai termistori (in genere da -200 ° C a +850 ° C) a causa della natura non lineare (esponenziale) del Thermistor. Gli RTD sono generalmente forniti in curve standardizzate ben note, mentre le curve termistor variano in base al produttore. Ne discuteremo in dettaglio nella sezione Guida alla selezione dei termistor di questo articolo.
I termistori sono realizzati con materiali compositi, di solito ceramica, polimeri o semiconduttori (di solito ossidi di metallo) e metalli puri (platino, nichel o rame). I termistori possono rilevare variazioni di temperatura più rapidamente degli RTD, fornendo feedback più rapidi. Pertanto, i termistori sono comunemente utilizzati dai sensori in applicazioni che richiedono a basso costo, dimensioni ridotte, risposta più rapida, maggiore sensibilità e intervallo di temperatura limitato, come il controllo dell'elettronica, il controllo della casa e dell'edificio, i laboratori scientifici o la compensazione della giunzione fredda per le termocoppie commerciali o applicazioni industriali. scopi. Applicazioni.
Nella maggior parte dei casi, i termistori NTC vengono utilizzati per una misurazione accurata della temperatura, non per termistori PTC. Sono disponibili alcuni termistori PTC che possono essere utilizzati nei circuiti di protezione eccessiva o come fusibili resettabili per applicazioni di sicurezza. La curva a temperatura di resistenza di un termistore PTC mostra una regione NTC molto piccola prima di raggiungere il punto di interruttore (o punto Curie), sopra la quale la resistenza aumenta bruscamente di diversi ordini di grandezza nell'intervallo di diversi gradi Celsius. In condizioni di sovracorrente, il termistore PTC genererà un forte auto-riscaldamento quando la temperatura di commutazione viene superata e la sua resistenza aumenterà bruscamente, il che ridurrà la corrente di ingresso al sistema, impedendo così danni. Il punto di commutazione dei termistori PTC è in genere tra 60 ° C e 120 ° C e non è adatto per il controllo delle misurazioni della temperatura in una vasta gamma di applicazioni. Questo articolo si concentra sui termistori NTC, che in genere possono misurare o monitorare le temperature che vanno da -80 ° C a +150 ° C. I termistori NTC hanno valutazioni di resistenza che vanno da alcuni ohm a 10 MΩ a 25 ° C. Come mostrato in Fig. 1, il cambiamento di resistenza per grado Celsius per i termistori è più pronunciato rispetto ai termometri di resistenza. Rispetto ai termistori, l'elevata sensibilità del termistore e il valore di resistenza elevata semplificano i circuiti di ingresso, poiché i termistori non richiedono alcuna configurazione di cablaggio speciale, come 3 fili o 4 fili, per compensare la resistenza al piombo. Il design termistore utilizza solo una semplice configurazione a 2 fili.
La misurazione della temperatura basata su termistor ad alta precisione richiede un'elaborazione precisa del segnale, conversione da analogico a digitale, linearizzazione e compensazione, come mostrato in Fig. 2.
Sebbene la catena del segnale possa sembrare semplice, ci sono diverse complessità che influenzano le dimensioni, i costi e le prestazioni dell'intera scheda madre. Il portafoglio ADC di precisione di ADI include diverse soluzioni integrate, come l'AD7124-4/AD7124-8, che forniscono una serie di vantaggi per la progettazione del sistema termico in quanto la maggior parte dei blocchi necessari per un'applicazione sono integrati. Tuttavia, ci sono varie sfide nella progettazione e ottimizzazione delle soluzioni di misurazione della temperatura basate su termistor.
Questo articolo discute ciascuno di questi problemi e fornisce raccomandazioni per risolverli e semplificare ulteriormente il processo di progettazione per tali sistemi.
Ci sono un'ampia varietà diTermistori NTCOggi sul mercato, quindi scegliere il giusto termistore per la tua applicazione può essere un compito scoraggiante. Si noti che i termistori sono elencati dal loro valore nominale, che è la loro resistenza nominale a 25 ° C. Pertanto, un termistore da 10 kΩ ha una resistenza nominale di 10 kΩ a 25 ° C. I termistori hanno valori di resistenza nominali o di base che vanno da alcuni ohm a 10 MΩ. I termistori con basse valutazioni di resistenza (resistenza nominale di 10 kΩ o meno) supportano in genere intervalli di temperatura più bassi, come da -50 ° C a +70 ° C. I termistori con classificazioni di resistenza più elevate possono resistere a temperature fino a 300 ° C.
L'elemento termistore è realizzato in ossido di metallo. I termistori sono disponibili in forme a sfera, radiali e SMD. Le perle di termistor sono rivestite con epossidico o in vetro incapsulate per una maggiore protezione. I termistori a sfere rivestiti di epossidico, i termistori radiali e superficiali sono adatti per temperature fino a 150 ° C. I termistori del tallone di vetro sono adatti per misurare le alte temperature. Tutti i tipi di rivestimenti/imballaggi proteggono anche dalla corrosione. Alcuni termistori avranno anche alloggi aggiuntivi per una maggiore protezione in ambienti difficili. I termistori di perline hanno un tempo di risposta più rapido rispetto ai termistori radiali/SMD. Tuttavia, non sono così durevoli. Pertanto, il tipo di termistore utilizzato dipende dall'applicazione finale e dall'ambiente in cui si trova il termistore. La stabilità a lungo termine di un termistor dipende dal suo materiale, imballaggio e design. Ad esempio, un termistore NTC con rivestimento epossidico può cambiare 0,2 ° C all'anno, mentre un termistore sigillato cambia solo 0,02 ° C all'anno.
I termistori sono disponibili in diversa precisione. I termistori standard hanno in genere una precisione da 0,5 ° C a 1,5 ° C. La valutazione della resistenza del termistore e il valore beta (rapporto da 25 ° C a 50 ° C/85 ° C) hanno una tolleranza. Si noti che il valore beta del termistore varia in base al produttore. Ad esempio, i termisti NTC da 10 kΩ di diversi produttori avranno valori beta diversi. Per sistemi più accurati, è possibile utilizzare termistori come la serie Omega ™ 44xxx. Hanno una precisione di 0,1 ° C o 0,2 ° C su un intervallo di temperatura da 0 ° C a 70 ° C. Pertanto, l'intervallo di temperature che può essere misurata e l'accuratezza richiesta in tale intervallo di temperatura determina se i termistori sono adatti a questa applicazione. Si prega di notare che maggiore è l'accuratezza della serie Omega 44xxx, maggiore è il costo.
Per convertire la resistenza in gradi Celsius, viene solitamente utilizzato il valore beta. Il valore beta viene determinato conoscendo i due punti di temperatura e la resistenza corrispondente in ciascun punto di temperatura.
RT1 = Resistenza alla temperatura 1 RT2 = Resistenza alla temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
L'utente utilizza il valore beta più vicino all'intervallo di temperatura utilizzato nel progetto. La maggior parte dei fogli di dati di termistor elenca un valore beta insieme a una tolleranza di resistenza a 25 ° C e una tolleranza per il valore beta.
I termistori di precisione più elevati e soluzioni di terminazione ad alta precisione come la serie Omega 44xxx utilizzano l'equazione Steinhart-Hart per convertire la resistenza in gradi Celsius. L'equazione 2 richiede le tre costanti A, B e C, nuovamente fornite dal produttore del sensore. Poiché i coefficienti di equazione vengono generati utilizzando tre punti di temperatura, l'equazione risultante riduce al minimo l'errore introdotto dalla linearizzazione (in genere 0,02 ° C).
A, B e C sono costanti derivate da tre setpoint di temperatura. R = resistenza del termistole in ohm t = temperatura in k gradi
Su Fig. 3 mostra l'attuale eccitazione del sensore. La corrente di azionamento viene applicata al termistore e la stessa corrente viene applicata al resistore di precisione; Una resistenza di precisione viene utilizzata come riferimento per la misurazione. Il valore della resistenza di riferimento deve essere maggiore o uguale al valore più alto della resistenza del termistore (a seconda della temperatura più bassa misurata nel sistema).
Quando si seleziona la corrente di eccitazione, la massima resistenza del termistore deve essere nuovamente presa in considerazione. Ciò garantisce che la tensione attraverso il sensore e la resistenza di riferimento sia sempre a un livello accettabile per l'elettronica. La fonte di corrente di campo richiede un po 'di corrispondenza per la testa o l'output. Se il termistore ha un'alta resistenza alla temperatura misurabile più bassa, ciò comporterà una corrente di trasmissione molto bassa. Pertanto, la tensione generata attraverso il termistore ad alta temperatura è piccola. Le fasi di guadagno programmabili possono essere utilizzate per ottimizzare la misurazione di questi segnali di basso livello. Tuttavia, il guadagno deve essere programmato dinamicamente perché il livello del segnale dal termistore varia notevolmente con la temperatura.
Un'altra opzione è quella di impostare il guadagno ma utilizzare la corrente di azionamento dinamico. Pertanto, man mano che il livello del segnale del termistore cambia, il valore della corrente di azionamento cambia in modo dinamico in modo che la tensione sviluppata attraverso il termistore sia all'interno dell'intervallo di ingresso specificato del dispositivo elettronico. L'utente deve assicurarsi che la tensione sviluppata attraverso la resistenza di riferimento sia anche a un livello accettabile per l'elettronica. Entrambe le opzioni richiedono un alto livello di controllo, monitoraggio costante della tensione attraverso il termistore in modo che l'elettronica possa misurare il segnale. C'è un'opzione più semplice? Considera l'eccitazione della tensione.
Quando la tensione CC viene applicata al termistore, la corrente attraverso il termistore si ridimensiona automaticamente quando la resistenza del termistore cambia. Ora, utilizzando una resistenza di misurazione di precisione anziché una resistenza di riferimento, il suo scopo è calcolare la corrente che scorre attraverso il termistore, consentendo così il calcolo della resistenza del termistore. Poiché la tensione di azionamento viene utilizzata anche come segnale di riferimento ADC, non è richiesto alcun stadio di guadagno. Il processore non ha il compito di monitorare la tensione del termistore, determinando se il livello del segnale può essere misurato dall'elettronica e calcolando ciò che il valore del guadagno/corrente dell'unità deve essere regolato. Questo è il metodo utilizzato in questo articolo.
Se il termistore ha un piccolo intervallo di resistenza e resistenza, è possibile utilizzare la tensione o l'eccitazione della corrente. In questo caso, la corrente di azionamento e il guadagno possono essere fissate. Pertanto, il circuito sarà mostrato nella Figura 3. Questo metodo è conveniente in quanto è possibile controllare la corrente attraverso il sensore e il resistore di riferimento, che è prezioso nelle applicazioni a bassa potenza. Inoltre, l'auto-riscaldamento del termistore è ridotto al minimo.
L'eccitazione della tensione può essere utilizzata anche per termistori con basse valutazioni di resistenza. Tuttavia, l'utente deve sempre assicurarsi che la corrente attraverso il sensore non sia troppo elevata per il sensore o l'applicazione.
L'eccitazione della tensione semplifica l'implementazione quando si utilizza un termistore con una grande valutazione di resistenza e un ampio intervallo di temperatura. La resistenza nominale maggiore fornisce un livello accettabile di corrente nominale. Tuttavia, i progettisti devono assicurarsi che la corrente sia a un livello accettabile sull'intero intervallo di temperatura supportato dall'applicazione.
Sigma-Delta ADCs offre diversi vantaggi durante la progettazione di un sistema di misurazione termistore. Innanzitutto, poiché il Sigma-Delta ADC ricampe l'ingresso analogico, il filtraggio esterno è ridotto al minimo e l'unico requisito è un semplice filtro RC. Forniscono flessibilità nel tipo di filtro e nella velocità di trasporto in uscita. Il filtro digitale integrato può essere utilizzato per sopprimere qualsiasi interferenza nei dispositivi alimentati a rete. I dispositivi a 24 bit come l'AD7124-4/AD7124-8 hanno una risoluzione completa fino a 21,7 bit, quindi forniscono un'alta risoluzione.
L'uso di un ADC Sigma-Delta semplifica notevolmente il design del termistore riducendo le specifiche, i costi del sistema, lo spazio del consiglio di amministrazione e il tempo al mercato.
Questo articolo utilizza l'AD7124-4/AD7124-8 come ADC perché sono a basso rumore, a basso contenuto di corrente, ADC di precisione con PGA integrato, riferimento integrato, ingresso analogico e tampone di riferimento.
Indipendentemente dal fatto che si stia utilizzando la corrente di azionamento o la tensione di unità, si consiglia una configurazione ratiometrica in cui la tensione di riferimento e la tensione del sensore provengono dalla stessa fonte di azionamento. Ciò significa che qualsiasi cambiamento nella fonte di eccitazione non influirà sull'accuratezza della misurazione.
Su Fig. 5 mostra la corrente di trasmissione costante per il resistenza di termistor e di precisione RREF, la tensione sviluppata attraverso RREF è la tensione di riferimento per misurare il termistore.
La corrente di campo non deve essere accurata e può essere meno stabile poiché eventuali errori nella corrente di campo verranno eliminati in questa configurazione. Generalmente, l'eccitazione corrente è preferita dall'eccitazione di tensione a causa del controllo della sensibilità superiore e una migliore immunità al rumore quando il sensore si trova in posizioni remote. Questo tipo di metodo di bias viene in genere utilizzato per RTD o termistori con bassi valori di resistenza. Tuttavia, per un termistore con un valore di resistenza più elevato e una maggiore sensibilità, il livello del segnale generato da ciascuna variazione di temperatura sarà maggiore, quindi viene utilizzata l'eccitazione della tensione. Ad esempio, un termistore da 10 kΩ ha una resistenza di 10 kΩ a 25 ° C. A -50 ° C, la resistenza del termistore NTC è 441.117 kΩ. La corrente di trasmissione minima di 50 µA fornita dall'AD7124-4/AD7124-8 genera 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, che è troppo alto e al di fuori dell'intervallo operativo della maggior parte degli ADC disponibili utilizzati in questa area di applicazione. I termistori sono generalmente anche collegati o situati vicino all'elettronica, quindi non è richiesta l'immunità per guidare la corrente.
L'aggiunta di un resistore di senso in serie come circuito di divisore di tensione limiterà la corrente attraverso il termistore al suo valore minimo di resistenza. In questa configurazione, il valore della resistenza di senso rsense deve essere uguale al valore della resistenza del termistore a una temperatura di riferimento di 25 ° C, in modo che la tensione di uscita sia uguale al punto medio della tensione di riferimento alla sua temperatura nominale di 25 ° CC Allo stesso modo, se viene utilizzato un termistore da 10 kΩ con una resistenza di 10 kΩ a 25 ° C, rsense dovrebbe essere 10 kΩ. Man mano che la temperatura cambia, anche la resistenza del termistore NTC cambia e anche il rapporto della tensione di azionamento attraverso il termistore cambia, con conseguente tensione di uscita proporzionale alla resistenza del termistore NTC.
Se il riferimento di tensione selezionato utilizzato per alimentare il termistore e/o Rsense corrisponde alla tensione di riferimento ADC utilizzata per la misurazione, il sistema è impostato su misurazione ratiometrica (Figura 7) in modo che qualsiasi sorgente di tensione di errore correlata all'eccitazione sia distorta per rimuovere.
Si noti che il resistore di senso (tensione guidata) o la resistenza di riferimento (guida alla corrente) dovrebbe avere una bassa tolleranza iniziale e una bassa deriva, poiché entrambe le variabili possono influire sull'accuratezza dell'intero sistema.
Quando si utilizza più termistori, è possibile utilizzare una tensione di eccitazione. Tuttavia, ogni termistore deve avere il proprio resistore di senso di precisione, come mostrato in FIG. 8. Un'altra opzione è quella di utilizzare un multiplexer esterno o un interruttore a bassa resistenza nello stato ON, che consente di condividere un resistore di senso di precisione. Con questa configurazione, ogni termistore ha bisogno di un po 'di tempo di assestamento quando misurato.
In sintesi, durante la progettazione di un sistema di misurazione della temperatura a base di termistor, ci sono molte domande da considerare: selezione dei sensori, cablaggio del sensore, componenti di selezione dei componenti, configurazione ADC e come queste varie variabili influenzano l'accuratezza complessiva del sistema. Il prossimo articolo di questa serie spiega come ottimizzare la progettazione del sistema e il budget complessivo dell'errore del sistema per ottenere le prestazioni target.
Tempo post: settembre 30-2022