Questo è il primo articolo di una serie in due parti. Questo articolo discuterà innanzitutto la storia e le sfide progettuali ditemperatura basata sul termistoresistemi di misurazione, nonché il loro confronto con i sistemi di misurazione della temperatura con termometri a resistenza (RTD). Descriverà inoltre la scelta del termistore, i compromessi di configurazione e l'importanza dei convertitori analogico-digitali (ADC) sigma-delta in quest'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, Ottimizzazione dei sistemi di sensori di temperatura RTD, un RTD è un resistore la cui resistenza varia con la temperatura. I termistori funzionano in modo simile agli RTD. 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 a coefficiente di temperatura negativo (NTC) riducono la loro resistenza all'aumentare della temperatura, mentre i termistori a coefficiente di temperatura positivo (PTC) aumentano la loro resistenza all'aumentare della temperatura. Nella fig. 1 mostra le caratteristiche di risposta dei tipici termistori NTC e PTC e li confronta con le curve RTD.
In termini di intervallo di temperatura, la curva RTD è quasi lineare e il sensore copre un intervallo di temperature molto più ampio rispetto ai termistori (tipicamente da -200°C a +850°C) a causa della natura non lineare (esponenziale) del termistore. Gli RTD vengono solitamente forniti con curve standardizzate ben note, mentre le curve dei termistori variano a seconda del produttore. Ne discuteremo in dettaglio nella sezione della guida alla selezione del termistore di questo articolo.
I termistori sono realizzati con materiali compositi, solitamente ceramica, polimeri o semiconduttori (solitamente ossidi metallici) e metalli puri (platino, nichel o rame). I termistori possono rilevare le variazioni di temperatura più velocemente degli RTD, fornendo un feedback più rapido. Pertanto, i termistori vengono comunemente utilizzati dai sensori in applicazioni che richiedono basso costo, dimensioni ridotte, risposta più rapida, sensibilità più elevata e intervallo di temperatura limitato, come controllo elettronico, controllo di case ed edifici, laboratori scientifici o compensazione della giunzione fredda per termocoppie in applicazioni commerciali. o applicazioni industriali. scopi. Applicazioni.
Nella maggior parte dei casi, per una misurazione accurata della temperatura vengono utilizzati i termistori NTC e non i termistori PTC. Sono disponibili alcuni termistori PTC che possono essere utilizzati in circuiti di protezione da sovracorrente o come fusibili ripristinabili per applicazioni di sicurezza. La curva resistenza-temperatura di un termistore PTC mostra una regione NTC molto piccola prima di raggiungere il punto di commutazione (o punto Curie), al di sopra della quale la resistenza aumenta bruscamente di diversi ordini di grandezza nell'ordine di diversi gradi Celsius. In condizioni di sovracorrente, il termistore PTC genererà un forte autoriscaldamento quando viene superata la temperatura di commutazione e la sua resistenza aumenterà notevolmente, riducendo così la corrente in ingresso al sistema, prevenendo così danni. Il punto di commutazione dei termistori PTC è generalmente compreso tra 60°C e 120°C e non è adatto per il controllo delle misurazioni della temperatura in un'ampia gamma di applicazioni. Questo articolo si concentra sui termistori NTC, che in genere possono misurare o monitorare temperature comprese tra -80°C e +150°C. I termistori NTC hanno valori di resistenza che vanno da pochi ohm a 10 MΩ a 25°C. Come mostrato in fig. 1, la variazione della resistenza per grado Celsius per i termistori è più pronunciata che per i termometri a resistenza. Rispetto ai termistori, l'elevata sensibilità e l'elevato valore di resistenza del termistore semplificano i circuiti di ingresso, poiché i termistori non richiedono alcuna configurazione di cablaggio speciale, ad esempio a 3 o 4 fili, per compensare la resistenza del cavo. Il design del termistore utilizza solo una semplice configurazione a 2 fili.
La misurazione della temperatura ad alta precisione basata su termistore richiede un'elaborazione precisa del segnale, una conversione da analogico a digitale, una linearizzazione e una compensazione, come mostrato in fig. 2.
Sebbene la catena del segnale possa sembrare semplice, esistono diverse complessità che influiscono sulle dimensioni, sul costo e sulle prestazioni dell'intera scheda madre. Il portafoglio di ADC di precisione di ADI comprende diverse soluzioni integrate, come AD7124-4/AD7124-8, che offrono numerosi vantaggi per la progettazione di sistemi termici poiché la maggior parte degli elementi costitutivi necessari per un'applicazione sono integrati. Tuttavia, esistono varie sfide nella progettazione e ottimizzazione di soluzioni di misurazione della temperatura basate su termistori.
Questo articolo discute ciascuno di questi problemi e fornisce consigli per risolverli e semplificare ulteriormente il processo di progettazione per tali sistemi.
Ce ne sono un'ampia varietà diTermistori NTCoggi sul mercato, quindi scegliere il termistore giusto per la tua applicazione può essere un compito arduo. Si noti che i termistori sono elencati in base al loro valore nominale, ovvero 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 pochi ohm a 10 MΩ. I termistori con valori di resistenza bassi (resistenza nominale di 10 kΩ o inferiore) supportano generalmente intervalli di temperatura inferiori, come da -50°C a +70°C. I termistori con valori di resistenza più elevati possono resistere a temperature fino a 300°C.
L'elemento termistore è realizzato in ossido di metallo. I termistori sono disponibili nelle forme sferica, radiale e SMD. Le sfere del termistore sono rivestite con resina epossidica o incapsulate in vetro per una maggiore protezione. I termistori a sfera con rivestimento epossidico, i termistori radiali e di superficie sono adatti per temperature fino a 150°C. I termistori a perle di vetro sono adatti per misurare temperature elevate. Tutti i tipi di rivestimenti/imballaggi proteggono anche dalla corrosione. Alcuni termistori avranno anche alloggiamenti aggiuntivi per una maggiore protezione in ambienti difficili. I termistori a perlina 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 termistore dipende dal materiale, dall'imballaggio e dal design. Ad esempio, un termistore NTC con rivestimento epossidico può cambiare di 0,2°C all'anno, mentre un termistore sigillato cambia solo di 0,02°C all'anno.
I termistori sono disponibili con precisione diversa. I termistori standard hanno generalmente una precisione compresa tra 0,5°C e 1,5°C. Il valore nominale della resistenza del termistore e il valore beta (rapporto tra 25°C e 50°C/85°C) hanno una tolleranza. Si noti che il valore beta del termistore varia in base al produttore. Ad esempio, i termistori NTC da 10 kΩ di produttori diversi 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 in un intervallo di temperatura compreso tra 0°C e 70°C. Pertanto, l'intervallo di temperature che può essere misurato e la precisione richiesta su tale intervallo di temperature determinano se i termistori sono adatti per questa applicazione. Tieni presente che maggiore è la precisione della serie Omega 44xxx, maggiore sarà 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 delle schede tecniche dei termistori elencano un valore beta insieme a una tolleranza di resistenza a 25°C e una tolleranza per il valore beta.
Termistori ad alta precisione e soluzioni di terminazione ad alta precisione come la serie Omega 44xxx utilizzano l'equazione di Steinhart-Hart per convertire la resistenza in gradi Celsius. L'equazione 2 richiede le tre costanti A, B e C, sempre fornite dal produttore del sensore. Poiché i coefficienti dell'equazione vengono generati utilizzando tre punti di temperatura, l'equazione risultante riduce al minimo l'errore introdotto dalla linearizzazione (tipicamente 0,02 °C).
A, B e C sono costanti derivate da tre setpoint di temperatura. R = resistenza del termistore in ohm T = temperatura in K gradi
Nella fig. 3 mostra l'attuale eccitazione del sensore. La corrente di comando viene applicata al termistore e la stessa corrente viene applicata al resistore di precisione; un resistore di precisione viene utilizzato come riferimento per la misurazione. Il valore del resistore di riferimento deve essere maggiore o uguale al valore più alto della resistenza del termistore (a seconda della temperatura più bassa misurata nel sistema).
Nella scelta della corrente di eccitazione occorre tenere nuovamente in considerazione la resistenza massima del termistore. Ciò garantisce che la tensione tra il sensore e il resistore di riferimento sia sempre a un livello accettabile per l'elettronica. La sorgente di corrente sul campo richiede un margine o una corrispondenza dell'uscita. Se il termistore ha un'elevata resistenza alla temperatura misurabile più bassa, ciò risulterà in una corrente di pilotaggio molto bassa. Pertanto, la tensione generata attraverso il termistore ad alta temperatura è ridotta. È possibile utilizzare stadi di guadagno programmabili per ottimizzare la misurazione di questi segnali di basso livello. Tuttavia, il guadagno deve essere programmato dinamicamente poiché il livello del segnale proveniente dal termistore varia notevolmente con la temperatura.
Un'altra opzione è impostare il guadagno ma utilizzare la corrente di pilotaggio dinamica. Pertanto, quando il livello del segnale proveniente dal termistore cambia, il valore della corrente di comando cambia dinamicamente in modo che la tensione sviluppata attraverso il termistore rientri nell'intervallo di ingresso specificato del dispositivo elettronico. L'utente deve assicurarsi che anche la tensione sviluppata attraverso il resistore di riferimento sia ad un livello accettabile per l'elettronica. Entrambe le opzioni richiedono un elevato livello di controllo, un monitoraggio costante della tensione attraverso il termistore in modo che l'elettronica possa misurare il segnale. Esiste 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 al variare della resistenza del termistore. Ora, utilizzando un resistore di misurazione di precisione invece di un resistore di riferimento, il suo scopo è calcolare la corrente che scorre attraverso il termistore, consentendo così di calcolare la resistenza del termistore. Poiché la tensione di comando viene utilizzata anche come segnale di riferimento dell'ADC, non è richiesto alcuno stadio di guadagno. Il processore non ha il compito di monitorare la tensione del termistore, determinare se il livello del segnale può essere misurato dall'elettronica e calcolare quale valore di guadagno/corrente del convertitore deve essere regolato. Questo è il metodo utilizzato in questo articolo.
Se il termistore ha un valore di resistenza e un intervallo di resistenza ridotti, è possibile utilizzare l'eccitazione di tensione o corrente. In questo caso, è possibile fissare la corrente e il guadagno del convertitore. Pertanto, il circuito sarà come mostrato nella Figura 3. Questo metodo è conveniente in quanto è possibile controllare la corrente attraverso il sensore e il resistore di riferimento, il che è utile nelle applicazioni a bassa potenza. Inoltre, l'autoriscaldamento del termistore è ridotto al minimo.
L'eccitazione della tensione può essere utilizzata anche per termistori con valori di bassa resistenza. Tuttavia, l'utente deve sempre assicurarsi che la corrente che attraversa 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 un ampio valore di resistenza e un ampio intervallo di temperature. Una resistenza nominale maggiore fornisce un livello accettabile di corrente nominale. Tuttavia, i progettisti devono garantire che la corrente sia a un livello accettabile nell'intero intervallo di temperature supportato dall'applicazione.
Gli ADC Sigma-Delta offrono numerosi vantaggi nella progettazione di un sistema di misurazione a termistore. Innanzitutto, poiché l'ADC sigma-delta ricampiona 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 trasmissione in uscita. Il filtraggio digitale integrato può essere utilizzato per sopprimere qualsiasi interferenza nei dispositivi alimentati dalla rete. I dispositivi a 24 bit come 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 la progettazione del termistore riducendo al contempo le specifiche, i costi del sistema, lo spazio sulla scheda e i tempi di commercializzazione.
Questo articolo utilizza AD7124-4/AD7124-8 come ADC perché sono ADC di precisione a basso rumore e bassa corrente con PGA integrato, riferimento integrato, ingresso analogico e buffer di riferimento.
Indipendentemente dal fatto che si utilizzi la corrente o la tensione del convertitore, si consiglia una configurazione raziometrica in cui la tensione di riferimento e la tensione del sensore provengono dalla stessa sorgente del convertitore. Ciò significa che qualsiasi cambiamento nella sorgente di eccitazione non influirà sulla precisione della misurazione.
Nella fig. 5 mostra la corrente di pilotaggio costante per il termistore e il resistore di precisione RREF, la tensione sviluppata attraverso RREF è la tensione di riferimento per la misurazione del termistore.
Non è necessario che la corrente di campo sia precisa e potrebbe essere meno stabile poiché eventuali errori nella corrente di campo verranno eliminati in questa configurazione. In genere, l'eccitazione in corrente è preferita rispetto a quella in tensione grazie al controllo superiore della sensibilità e alla migliore immunità al rumore quando il sensore è posizionato in posizioni remote. Questo tipo di metodo di polarizzazione viene generalmente utilizzato per RTD o termistori con bassi valori di resistenza. Tuttavia, per un termistore con un valore di resistenza e una sensibilità più elevati, il livello del segnale generato da ogni 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 pilotaggio minima di 50 µA fornita da AD7124-4/AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, che è troppo elevata e al di fuori dell'intervallo operativo della maggior parte degli ADC disponibili utilizzati in questa area di applicazione. Anche i termistori sono solitamente collegati o posizionati vicino ai componenti elettronici, quindi non è richiesta l'immunità alla corrente di pilotaggio.
L'aggiunta di un resistore di rilevamento in serie come circuito divisore di tensione limiterà la corrente attraverso il termistore al suo valore di resistenza minimo. In questa configurazione, il valore del resistore di rilevamento RSENSE deve essere uguale al valore della resistenza del termistore ad una temperatura di riferimento di 25°C, in modo che la tensione di uscita sarà 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. Al variare della temperatura, cambia anche la resistenza del termistore NTC e cambia anche il rapporto della tensione di comando attraverso il termistore, con il risultato che la tensione di uscita è 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 sulla misurazione raziometrica (Figura 7) in modo che qualsiasi sorgente di tensione di errore correlata all'eccitazione venga polarizzata per essere rimossa.
Si noti che il resistore di rilevamento (pilotato dalla tensione) o il resistore di riferimento (pilotato dalla corrente) dovrebbero avere una tolleranza iniziale bassa e una deriva bassa, poiché entrambe le variabili possono influenzare la precisione dell'intero sistema.
Quando si utilizzano più termistori, è possibile utilizzare una tensione di eccitazione. Tuttavia, ciascun termistore deve avere il proprio resistore di rilevamento di precisione, come mostrato in fig. 8. Un'altra opzione consiste nell'utilizzare un multiplexer esterno o un interruttore a bassa resistenza nello stato attivo, che consente di condividere un resistore di rilevamento di precisione. Con questa configurazione, ogni termistore necessita di un certo tempo di assestamento quando viene misurato.
In sintesi, quando si progetta un sistema di misurazione della temperatura basato su termistori, ci sono molte domande da considerare: selezione del sensore, cablaggio del sensore, compromessi nella selezione dei componenti, configurazione dell'ADC e come queste varie variabili influiscono sulla precisione complessiva del sistema. Il prossimo articolo di questa serie spiega come ottimizzare la progettazione del sistema e il budget complessivo degli errori del sistema per raggiungere le prestazioni target.
Orario di pubblicazione: 30 settembre 2022