Este é o primeiro artigo dunha serie de dúas partes. Este artigo primeiro discutirá a historia e os retos de deseño deTemperatura baseada no termistorSistemas de medición, así como a súa comparación cos sistemas de medición de temperatura do termómetro de resistencia (RTD). Tamén describirá a elección do termistor, os compromisos de configuración e a importancia dos convertedores analóxicos-dixitais de Sigma-Delta (ADC) nesta área de aplicación. O segundo artigo detallará como optimizar e avaliar o sistema de medición baseado no termistor final.
Como se describe na serie de artigos anteriores, optimizando os sistemas de sensores de temperatura RTD, un RTD é unha resistencia cuxa resistencia varía coa temperatura. Os termistores funcionan de xeito similar aos RTDs. A diferenza dos RTD, que só teñen un coeficiente de temperatura positiva, un termistor pode ter un coeficiente de temperatura positivo ou negativo. O coeficiente de temperatura negativa (NTC) os termistores diminúen a súa resistencia a medida que aumenta a temperatura, mentres que os termistores coeficientes de temperatura positiva (PTC) aumentan a súa resistencia a medida que aumenta a temperatura. Na fig. 1 mostra as características de resposta dos termistores típicos de NTC e PTC e compáranas coas curvas RTD.
En termos de rango de temperatura, a curva RTD é case lineal e o sensor cobre un rango de temperatura moito máis amplo que os termistores (normalmente -200 ° C a +850 ° C) debido á natureza non lineal (exponencial) do termistor. As RTD adoitan proporcionarse en curvas normalizadas coñecidas, mentres que as curvas do termistor varían segundo o fabricante. Discutiremos isto en detalle na sección Guía de selección de termistor deste artigo.
Os termistores están feitos con materiais compostos, normalmente cerámica, polímeros ou semicondutores (normalmente óxidos metálicos) e metais puros (platino, níquel ou cobre). Os termistores poden detectar cambios de temperatura máis rápido que os RTD, proporcionando un feedback máis rápido. Polo tanto, os termistores son usados habitualmente por sensores en aplicacións que requiren baixo custo, pequeno tamaño, resposta máis rápida, maior sensibilidade e intervalo de temperatura limitado, como control de electrónica, control de vivendas e edificios, laboratorios científicos ou compensación de unión en frío por termopar en comerciais ou aplicacións industriais. propósitos. Aplicacións.
Na maioría dos casos, os termistores NTC úsanse para medir a temperatura precisa, non termistores PTC. Algúns termistores PTC están dispoñibles que se poden usar en circuítos de protección contra o sobrecorrido ou como fusibles reinstalables para aplicacións de seguridade. A curva de resistencia-temperatura dun termistor PTC mostra unha rexión NTC moi pequena antes de alcanzar o punto de conmutador (ou punto Curie), por encima da que a resistencia aumenta drasticamente por varias ordes de magnitude no rango de varios graos centígrados. En condicións de sobrecorrido, o termistor PTC xerará un forte auto-calefacción cando se supere a temperatura de conmutación e a súa resistencia subirá drasticamente, o que reducirá a corrente de entrada ao sistema, evitando así os danos. O punto de conmutación dos termistores PTC está normalmente entre 60 ° C e 120 ° C e non é adecuado para controlar as medicións de temperatura nunha ampla gama de aplicacións. Este artigo céntrase nos termistores NTC, que normalmente poden medir ou controlar as temperaturas que oscilan entre -80 ° C e +150 ° C. Os termistores NTC teñen clasificacións de resistencia que oscilan entre algúns ohmios e 10 MΩ a 25 ° C. Como se mostra na fig. 1, o cambio de resistencia por grao centígrado para os termistores é máis pronunciado que para os termómetros de resistencia. En comparación cos termistores, a alta sensibilidade do termistor e o alto valor de resistencia simplifican os seus circuítos de entrada, xa que os termistores non precisan ningunha configuración especial de cableado, como 3 fíos ou 4 fíos, para compensar a resistencia do chumbo. O deseño termistor usa só unha sinxela configuración de 2 fíos.
A medición de temperatura baseada en termistor de alta precisión require un procesamento preciso de sinal, conversión analóxica a dixital, linealización e compensación, como se mostra na fig. 2.
Aínda que a cadea de sinal pode parecer sinxela, hai varias complexidades que afectan o tamaño, o custo e o rendemento de toda a placa base. A carteira de ADC de precisión de ADI inclúe varias solucións integradas, como o AD7124-4/AD7124-8, que proporcionan unha serie de vantaxes para o deseño do sistema térmico xa que a maioría dos bloques de construción necesarios para unha aplicación están incorporados. Non obstante, hai varios retos no deseño e optimización das solucións de medición de temperatura baseadas no termistor.
Este artigo trata cada un destes problemas e ofrece recomendacións para resolvelos e simplificar aínda máis o proceso de deseño para tales sistemas.
Hai unha gran variedade deTermistores NTCNo mercado hoxe, polo que escoller o termistor adecuado para a súa aplicación pode ser unha tarefa desalentadora. Teña en conta que os termistores figuran polo seu valor nominal, que é a súa resistencia nominal a 25 ° C. Polo tanto, un termistor de 10 kΩ ten unha resistencia nominal de 10 kΩ a 25 ° C. Os termistores teñen valores de resistencia nominais ou básicos que van desde algúns ohmios ata 10 MΩ. Os termistores con clasificacións de baixa resistencia (resistencia nominal de 10 kΩ ou menos) normalmente soportan intervalos de temperatura máis baixos, como -50 ° C a +70 ° C. Os termistores con maiores clasificacións de resistencia poden soportar as temperaturas de ata 300 ° C.
O elemento termistor está feito de óxido metálico. Os termistores están dispoñibles en formas de balón, radiais e SMD. As perlas de termistor están revestidas de epoxi ou encapsuladas por vidro para unha protección adicional. Os termistores de bola recuberta epoxi, os termistores radiais e superficiais son adecuados para temperaturas de ata 150 ° C. Os termistores de perlas de vidro son adecuados para medir altas temperaturas. Todo tipo de revestimentos/envases tamén protexen contra a corrosión. Algúns termistores tamén terán carcasas adicionais para unha protección adicional en ambientes duros. Os termistores de perlas teñen un tempo de resposta máis rápido que os termistores radiais/SMD. Non obstante, non son tan duradeiros. Polo tanto, o tipo de termistor usado depende da aplicación final e do ambiente no que se atopa o termistor. A estabilidade a longo prazo dun termistor depende do seu material, embalaxe e deseño. Por exemplo, un termistor NTC recuberto de epoxi pode cambiar 0,2 ° C ao ano, mentres que un termistor selado só cambia 0,02 ° C ao ano.
Os termistores teñen unha precisión diferente. Os termistores estándar normalmente teñen unha precisión de 0,5 ° C a 1,5 ° C. A clasificación de resistencia do termistor e o valor beta (relación de 25 ° C a 50 ° C/85 ° C) teñen unha tolerancia. Teña en conta que o valor beta do termistor varía segundo o fabricante. Por exemplo, os termistores NTC de 10 kΩ de diferentes fabricantes terán valores beta diferentes. Para sistemas máis precisos, pódense usar termistores como a serie Omega ™ 44xxx. Teñen unha precisión de 0,1 ° C ou 0,2 ° C nun intervalo de temperatura de 0 ° C a 70 ° C. Polo tanto, o rango de temperaturas que se poden medir e a precisión necesaria sobre ese rango de temperatura determina se os termistores son adecuados para esta aplicación. Teña en conta que canto maior sexa a precisión da serie Omega 44xxx, maior será o custo.
Para converter a resistencia aos graos centígrados, normalmente úsase o valor beta. O valor beta determínase coñecendo os dous puntos de temperatura e a resistencia correspondente en cada punto de temperatura.
RT1 = Resistencia á temperatura 1 RT2 = Resistencia á temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
O usuario usa o valor beta máis próximo ao rango de temperatura empregado no proxecto. A maioría das follas de datos de termistor listan un valor beta xunto cunha tolerancia á resistencia a 25 ° C e unha tolerancia ao valor beta.
Os termistores de maior precisión e solucións de terminación de alta precisión como a serie Omega 44xxx usa a ecuación Steinhart-Hart para converter a resistencia aos graos centígrados. A ecuación 2 require as tres constantes A, B e C, de novo proporcionadas polo fabricante de sensores. Debido a que os coeficientes de ecuación son xerados usando tres puntos de temperatura, a ecuación resultante minimiza o erro introducido pola linealización (normalmente 0,02 ° C).
A, B e C son constantes derivadas de tres puntos de temperatura. R = resistencia ao termistor en ohms t = temperatura en k graos
Na fig. 3 mostra a excitación actual do sensor. A corrente de unidade aplícase ao termistor e a mesma corrente aplícase á resistencia de precisión; Utilízase unha resistencia de precisión como referencia para a medición. O valor da resistencia de referencia debe ser maior ou igual ao maior valor da resistencia do termistor (dependendo da temperatura máis baixa medida no sistema).
Ao seleccionar a corrente de excitación, hai que ter en conta a máxima resistencia do termistor. Isto garante que a tensión a través do sensor e a resistencia de referencia estea sempre a un nivel aceptable para a electrónica. A fonte de corrente de campo require algunha sala de cabeceira ou correspondencia de saída. Se o termistor ten unha alta resistencia á temperatura máis baixa medible, isto producirá unha corrente de accionamento moi baixa. Polo tanto, a tensión xerada a través do termistor a alta temperatura é pequena. As etapas de ganancia programables pódense usar para optimizar a medición destes sinais de baixo nivel. Non obstante, a ganancia debe programarse dinámicamente porque o nivel de sinal do termistor varía moito coa temperatura.
Outra opción é establecer a ganancia pero usar corrente de unidade dinámica. Polo tanto, a medida que o nivel de sinal do termistor cambia, o valor da corrente da unidade cambia de xeito dinámico de xeito que a tensión desenvolvida a través do termistor estea dentro do rango de entrada especificado do dispositivo electrónico. O usuario debe asegurarse de que a tensión desenvolvida a través da resistencia de referencia tamén está a un nivel aceptable para a electrónica. Ambas as opcións requiren un alto nivel de control, o control constante da tensión a través do termistor para que a electrónica poida medir o sinal. Hai unha opción máis sinxela? Considere a excitación de tensión.
Cando a tensión de corrente continua se aplica ao termistor, a corrente a través do termistor escala automaticamente a medida que a resistencia do termistor cambia. Agora, empregando unha resistencia de medición de precisión en lugar dunha resistencia de referencia, o seu propósito é calcular a corrente que flúe a través do termistor, permitindo así calcularse a resistencia do termistor. Dado que a tensión da unidade tamén se usa como sinal de referencia ADC, non se precisa etapa de ganancia. O procesador non ten o traballo de control da tensión do termistor, determinando se o nivel de sinal pode ser medido pola electrónica e calculando que ganancia de unidade/valor actual debe axustarse. Este é o método empregado neste artigo.
Se o termistor ten unha pequena clasificación de resistencia e un rango de resistencia, pódese usar a tensión ou a excitación de corrente. Neste caso, a corrente de accionamento e a ganancia pódense arranxar. Así, o circuíto será como se mostra na figura 3. Este método é conveniente porque é posible controlar a corrente a través do sensor e a resistencia de referencia, que é valiosa en aplicacións de baixa potencia. Ademais, minimízase a auto-calefacción do termistor.
A excitación de tensión tamén se pode usar para termistores con clasificacións de baixa resistencia. Non obstante, o usuario sempre debe asegurarse de que a corrente a través do sensor non sexa demasiado alta para o sensor ou aplicación.
A excitación de tensión simplifica a implementación ao usar un termistor cunha gran cualificación de resistencia e un amplo intervalo de temperatura. Unha maior resistencia nominal proporciona un nivel aceptable de corrente nominal. Non obstante, os deseñadores deben asegurarse de que a corrente estea a un nivel aceptable en todo o rango de temperatura soportado pola aplicación.
Os ADC de Sigma-Delta ofrecen varias vantaxes ao deseñar un sistema de medición de termistor. En primeiro lugar, debido a que o Sigma-Delta ADC resamiona a entrada analóxica, o filtrado externo mantense ao mínimo e o único requisito é un simple filtro RC. Proporcionan flexibilidade no tipo de filtro e a taxa de baude de saída. O filtrado dixital incorporado pódese usar para suprimir calquera interferencia nos dispositivos alimentados de rede. Os dispositivos de 24 bits como o AD7124-4/AD7124-8 teñen unha resolución completa de ata 21,7 bits, polo que proporcionan alta resolución.
O uso dun ADC Sigma-Delta simplifica moito o deseño do termistor ao tempo que reduce a especificación, o custo do sistema, o espazo do taboleiro e o tempo para o mercado.
Este artigo usa o AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque son ADC de baixo ruído, baixa corrente, precisión con PGA incorporado, referencia incorporada, entrada analóxica e tampón de referencia.
Independentemente de se está a usar corrente de accionamento ou tensión de unidade, recoméndase unha configuración ratiométrica na que a tensión de referencia e a tensión do sensor procedan da mesma fonte de unidade. Isto significa que calquera cambio na fonte de excitación non afectará a precisión da medida.
Na fig. 5 mostra a corrente de accionamento constante para o termistor e a resistencia de precisión RREF, a tensión desenvolvida en RREF é a tensión de referencia para medir o termistor.
A corrente de campo non necesita ser precisa e pode ser menos estable xa que se eliminarán os erros na corrente de campo nesta configuración. Xeralmente, prefírese a excitación de corrente por excitación de tensión debido ao control de sensibilidade superior e mellor inmunidade de ruído cando o sensor está situado en lugares remotos. Este tipo de método de sesgo úsase normalmente para RTD ou termistores con valores de baixa resistencia. Non obstante, para un termistor cun maior valor de resistencia e maior sensibilidade, o nivel de sinal xerado por cada cambio de temperatura será maior, polo que se usa excitación de tensión. Por exemplo, un termistor de 10 kΩ ten unha resistencia de 10 kΩ a 25 ° C. A -50 ° C, a resistencia do termistor NTC é de 441.117 kΩ. A corrente de unidade mínima de 50 µA proporcionada polo AD7124-4/AD7124-8 xera 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, que é demasiado alta e fóra do rango de funcionamento da maioría dos ADC dispoñibles usados nesta área de aplicación. Os termistores normalmente tamén están conectados ou situados preto da electrónica, polo que non é necesaria a inmunidade á corrente de condución.
Engadir unha resistencia de sentido en serie como circuíto de divisor de tensión limitará a corrente a través do termistor ao seu valor mínimo de resistencia. Nesta configuración, o valor da resistencia de sentido rsense debe ser igual ao valor da resistencia do termistor a unha temperatura de referencia de 25 ° C, de xeito que a tensión de saída será igual ao punto medio da tensión de referencia na súa temperatura nominal de 25 ° CC de xeito similar, se se usa un termistor de 10 kΩ cunha resistencia de 10 kΩ a 25 ° C, a rsense debería ser de 10 kΩ. A medida que a temperatura cambia, a resistencia do termistor NTC tamén cambia e a relación da tensión de accionamento a través do termistor tamén cambia, dando lugar a que a tensión de saída sexa proporcional á resistencia do termistor NTC.
Se a referencia de tensión seleccionada usada para alimentar o termistor e/ou rsense coincide coa tensión de referencia de ADC empregada para a medición, o sistema está configurado en medición ratiométrica (Figura 7) para que calquera fonte de tensión de erro relacionada coa excitación estea sesgada para eliminar.
Teña en conta que a resistencia de sentido (impulsada pola tensión) ou a resistencia de referencia (corrente) deberían ter unha baixa tolerancia inicial e baixa deriva, xa que ambas as variables poden afectar a precisión de todo o sistema.
Cando se usan múltiples termistores, pódese usar unha tensión de excitación. Non obstante, cada termistor debe ter a súa propia resistencia de sentido de precisión, como se mostra na fig. 8. Outra opción é usar un multiplexor externo ou un interruptor de baixa resistencia no estado ON, o que permite compartir un resistor de sentido de precisión. Con esta configuración, cada termistor necesita algún tempo de liquidación cando se mide.
En resumo, ao deseñar un sistema de medición de temperatura baseado en termistor, hai moitas preguntas a considerar: selección de sensores, cableado de sensores, compensacións de selección de compoñentes, configuración de ADC e como estas diversas variables afectan a precisión global do sistema. O seguinte artigo desta serie explica como optimizar o deseño do seu sistema e o orzamento global de erros do sistema para conseguir o seu rendemento obxectivo.
Tempo de publicación: SEP-30-2022