Questo è il primo articolo di una serie in due parti. Questo articolo discuterà innanzitutto la storia e le sfide progettuali ditemperatura basata su termistoresistemi di misura, nonché il loro confronto con i sistemi di misura della temperatura basati su 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 applicativa. Il secondo articolo descriverà in dettaglio come ottimizzare e valutare il sistema di misura finale basato su termistori.
Come descritto nella precedente serie di articoli, "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) diminuiscono la loro resistenza all'aumentare della temperatura, mentre i termistori a coefficiente di temperatura positivo (PTC) aumentano la loro resistenza all'aumentare della temperatura. La figura 1 mostra le caratteristiche di risposta di tipici termistori NTC e PTC e le confronta con le curve degli RTD.
In termini di intervallo di temperatura, la curva RTD è pressoché lineare e il sensore copre un intervallo di temperatura molto più ampio rispetto ai termistori (tipicamente da -200 °C a +850 °C) a causa della natura non lineare (esponenziale) del termistore. Gli RTD sono solitamente forniti con curve standardizzate ben note, mentre le curve dei termistori variano a seconda del produttore. Discuteremo questo aspetto in dettaglio nella sezione di questo articolo dedicata alla guida alla selezione dei termistori.
I termistori sono realizzati in materiali compositi, solitamente ceramiche, 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 sono comunemente utilizzati dai sensori in applicazioni che richiedono basso costo, dimensioni ridotte, risposta più rapida, maggiore sensibilità e intervallo di temperatura limitato, come il controllo elettronico, il controllo di case ed edifici, i laboratori scientifici o la compensazione della giunzione fredda per termocoppie in applicazioni commerciali o industriali. Applicazioni.
Nella maggior parte dei casi, per la misurazione accurata della temperatura vengono utilizzati termistori NTC, non 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 di Curie), al di sopra della 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 autoriscaldamento quando viene superata la temperatura di commutazione e la sua resistenza aumenterà bruscamente, riducendo la corrente di ingresso al sistema, prevenendo così danni. Il punto di commutazione dei termistori PTC è in genere 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 figura 1, la variazione di resistenza per grado Celsius per i termistori è più pronunciata rispetto ai termometri a resistenza. Rispetto ai termistori, l'elevata sensibilità e l'elevato valore di resistenza dei termistori semplificano il circuito di ingresso, poiché i termistori non richiedono alcuna configurazione di cablaggio speciale, come a 3 o 4 fili, per compensare la resistenza dei conduttori. Il design dei termistori utilizza solo una semplice configurazione a 2 fili.
La misurazione della temperatura ad alta precisione basata su termistori richiede un'elaborazione precisa del segnale, una conversione analogico-digitale, una linearizzazione e una compensazione, come mostrato nella figura 2.
Sebbene la catena del segnale possa sembrare semplice, esistono diverse complessità che incidono sulle dimensioni, sui costi e sulle prestazioni dell'intera scheda madre. Il portafoglio di ADC di precisione di ADI include diverse soluzioni integrate, come l'AD7124-4/AD7124-8, che offrono numerosi vantaggi per la progettazione del sistema termico, poiché la maggior parte dei componenti necessari per un'applicazione è integrata. Tuttavia, la progettazione e l'ottimizzazione di soluzioni di misurazione della temperatura basate su termistori presentano diverse sfide.
In questo articolo vengono esaminati ciascuno di questi problemi e vengono forniti suggerimenti per risolverli e semplificare ulteriormente il processo di progettazione di tali sistemi.
Esiste un'ampia varietà diTermistori NTCsul mercato oggi, quindi scegliere il termistore giusto per la propria 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 nominale o di base che vanno da pochi ohm a 10 MΩ. I termistori con bassi valori di resistenza (resistenza nominale di 10 kΩ o inferiore) in genere supportano 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 metallico. I termistori sono disponibili nelle forme sferica, radiale e SMD. Le perle 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 perla di vetro sono adatti per misurare temperature elevate. Tutti i tipi di rivestimenti/contenitori proteggono anche dalla corrosione. Alcuni termistori sono inoltre dotati di alloggiamenti aggiuntivi per una maggiore protezione in ambienti difficili. I termistori a perla hanno un tempo di risposta più rapido rispetto ai termistori radiali/SMD. Tuttavia, non sono altrettanto durevoli. Pertanto, il tipo di termistore utilizzato dipende dall'applicazione finale e dall'ambiente in cui si trova. La stabilità a lungo termine di un termistore dipende dal materiale, dal contenitore e dal design. Ad esempio, un termistore NTC con rivestimento epossidico può variare la temperatura di 0,2 °C all'anno, mentre un termistore sigillato varia solo di 0,02 °C all'anno.
I termistori sono disponibili con diversi livelli di precisione. I termistori standard hanno in genere una precisione compresa tra 0,5 °C e 1,5 °C. La resistenza nominale 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 a seconda del produttore. Ad esempio, i termistori NTC da 10 kΩ di diversi produttori avranno valori beta diversi. Per sistemi più precisi, 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 compreso tra 0 °C e 70 °C. Pertanto, l'intervallo di temperature misurabili e la precisione richiesta in tale intervallo di temperatura determinano se i termistori sono adatti a questa applicazione. Si noti che maggiore è la precisione della serie Omega 44xxx, maggiore è il costo.
Per convertire la resistenza in gradi Celsius, si utilizza solitamente il valore beta. Il valore beta si determina conoscendo i due punti di temperatura e la resistenza corrispondente a 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 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 elevata e le 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 punti di regolazione della temperatura. R = resistenza del termistore in ohm T = temperatura in gradi K
La figura 3 mostra la corrente di eccitazione del sensore. La corrente di pilotaggio 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 minima misurata nel sistema).
Quando si seleziona la corrente di eccitazione, è necessario tenere conto anche della resistenza massima del termistore. Ciò garantisce che la tensione ai capi del sensore e della resistenza di riferimento sia sempre a un livello accettabile per l'elettronica. La sorgente di corrente di campo richiede un certo margine di tolleranza o un adattamento di uscita. Se il termistore ha un'elevata resistenza alla temperatura più bassa misurabile, ciò si tradurrà in una corrente di pilotaggio molto bassa. Pertanto, la tensione generata ai capi del termistore ad alta temperatura è bassa. 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 dal termistore varia notevolmente con la temperatura.
Un'altra opzione è quella di impostare il guadagno ma utilizzare una corrente di pilotaggio dinamica. Pertanto, al variare del livello del segnale proveniente dal termistore, il valore della corrente di pilotaggio varia dinamicamente in modo che la tensione sviluppata ai capi del termistore rientri nell'intervallo di ingresso specificato dal dispositivo elettronico. L'utente deve assicurarsi che anche la tensione sviluppata ai capi del resistore di riferimento sia a un livello accettabile per l'elettronica. Entrambe le opzioni richiedono un elevato livello di controllo e un monitoraggio costante della tensione ai capi del termistore, in modo che l'elettronica possa misurare il segnale. Esiste un'opzione più semplice? Si consideri l'eccitazione in tensione.
Quando la tensione CC viene applicata al termistore, la corrente che lo attraversa varia automaticamente al variare della sua resistenza. Ora, utilizzando un resistore di misura di precisione al posto di un resistore di riferimento, lo scopo è calcolare la corrente che scorre attraverso il termistore, consentendo così di calcolarne la resistenza. Poiché la tensione di pilotaggio viene utilizzata anche come segnale di riferimento dell'ADC, non è necessario 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 di pilotaggio debba essere regolato. Questo è il metodo utilizzato in questo articolo.
Se il termistore ha una resistenza nominale e un intervallo di resistenza ridotti, è possibile utilizzare l'eccitazione in tensione o in corrente. In questo caso, la corrente di pilotaggio e il guadagno possono essere fissi. Pertanto, il circuito sarà come mostrato in Figura 3. Questo metodo è conveniente in quanto è possibile controllare la corrente attraverso il sensore e il resistore di riferimento, il che è prezioso nelle applicazioni a bassa potenza. Inoltre, l'autoriscaldamento del termistore è ridotto al minimo.
L'eccitazione in tensione può essere utilizzata anche per termistori con bassi valori di resistenza. Tuttavia, l'utente deve sempre assicurarsi che la corrente che attraversa il sensore non sia troppo elevata per il sensore stesso o per l'applicazione.
L'eccitazione in tensione semplifica l'implementazione quando si utilizza un termistore con un'elevata resistenza nominale e un ampio intervallo di temperatura. 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 temperatura supportato dall'applicazione.
Gli ADC Sigma-Delta offrono diversi vantaggi nella progettazione di un sistema di misura 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. Offrono 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 elettrica. I dispositivi a 24 bit come l'AD7124-4/AD7124-8 hanno una risoluzione completa fino a 21,7 bit, quindi forniscono un'elevata 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 il tempo di commercializzazione.
In questo articolo vengono utilizzati i modelli AD7124-4/AD7124-8 come ADC perché sono ADC di precisione, a basso rumore e a bassa corrente, con PGA integrato, riferimento integrato, ingresso analogico e buffer di riferimento.
Indipendentemente dal fatto che si utilizzi la corrente di pilotaggio o la tensione di pilotaggio, si consiglia una configurazione raziometrica in cui la tensione di riferimento e la tensione del sensore provengono dalla stessa sorgente di pilotaggio. Ciò significa che qualsiasi modifica alla sorgente di eccitazione non influirà sulla precisione della misurazione.
Nella figura 5 è mostrata la corrente di pilotaggio costante per il termistore e il resistore di precisione RREF; la tensione sviluppata su RREF è la tensione di riferimento per la misurazione del termistore.
La corrente di campo non deve essere precisa e potrebbe essere meno stabile, poiché qualsiasi errore nella corrente di campo verrà eliminato in questa configurazione. Generalmente, l'eccitazione in corrente è preferita all'eccitazione 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 in genere 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 in 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 di 441,117 kΩ. La corrente di pilotaggio minima di 50 µA fornita dall'AD7124-4/AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, un valore troppo elevato e al di fuori dell'intervallo operativo della maggior parte degli ADC disponibili in commercio in questo ambito applicativo. Inoltre, i termistori sono solitamente collegati o posizionati in prossimità dell'elettronica, quindi non è richiesta l'immunità alla corrente di pilotaggio.
L'aggiunta di una resistenza di rilevamento in serie come circuito partitore di tensione limiterà la corrente attraverso il termistore al suo valore di resistenza minimo. In questa configurazione, il valore della resistenza di rilevamento 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 °C. Analogamente, se si utilizza 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 pilotaggio ai capi del termistore, 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 viene impostato sulla misurazione ratiometrica (Figura 7) in modo che qualsiasi sorgente di tensione di errore correlata all'eccitazione venga polarizzata per essere rimossa.
Si noti che sia il resistore di rilevamento (azionato dalla tensione) sia il resistore di riferimento (azionato dalla corrente) devono avere una bassa tolleranza iniziale e una bassa deriva, poiché entrambe le variabili possono influire sulla precisione dell'intero sistema.
Quando si utilizzano più termistori, è possibile utilizzare una sola tensione di eccitazione. Tuttavia, ogni termistore deve avere la propria resistenza di rilevamento di precisione, come mostrato in figura 8. Un'altra opzione è quella di utilizzare un multiplexer esterno o un interruttore a bassa resistenza nello stato di accensione, che consente di condividere una resistenza di rilevamento di precisione. Con questa configurazione, ogni termistore necessita di un certo tempo di assestamento al momento della misurazione.
In sintesi, quando si progetta un sistema di misura della temperatura basato su termistori, ci sono molte questioni da considerare: la selezione del sensore, il cablaggio del sensore, i compromessi nella selezione dei componenti, la configurazione dell'ADC e come queste diverse variabili influiscono sulla precisione complessiva del sistema. Il prossimo articolo di questa serie spiega come ottimizzare la progettazione del sistema e il budget di errore complessivo del sistema per raggiungere le prestazioni desiderate.
Data di pubblicazione: 30 settembre 2022