Este é o primeiro artigo dunha serie en dúas partes. Este artigo primeiro tratará a historia e os desafíos de deseño detemperatura baseada en termistoressistemas de medición, así como a súa comparación cos sistemas de medición de temperatura con termómetros de resistencia (RTD). Tamén describirá a elección do termistor, as vantaxes e desvantaxes da configuración e a importancia dos conversores analóxico-dixitais (ADC) sigma-delta nesta área de aplicación. O segundo artigo detallará como optimizar e avaliar o sistema de medición final baseado en termistores.
Como se describiu na serie de artigos anterior, Optimización dos sistemas de sensores de temperatura RTD, un RTD é unha resistencia cuxa resistencia varía coa temperatura. Os termistores funcionan de xeito similar aos RTD. A diferenza dos RTD, que só teñen un coeficiente de temperatura positivo, un termistor pode ter un coeficiente de temperatura positivo ou negativo. Os termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) diminúen a súa resistencia a medida que aumenta a temperatura, mentres que os termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentan a súa resistencia a medida que aumenta a temperatura. Na figura 1 móstranse as características de resposta dos termistores NTC e PTC típicos e compáranse coas curvas RTD.
En termos do rango de temperatura, a curva RTD é case lineal e o sensor abrangue un rango de temperatura moito máis amplo que os termistores (normalmente de -200 °C a +850 °C) debido á natureza non lineal (exponencial) do termistor. Os RTD adoitan proporcionarse en curvas estandarizadas coñecidas, mentres que as curvas dos termistores varían segundo o fabricante. Falaremos disto en detalle na sección da guía de selección de termistores deste artigo.
Os termistores están feitos de materiais compostos, xeralmente cerámica, polímeros ou semicondutores (xeralmente óxidos metálicos) e metais puros (platino, níquel ou cobre). Os termistores poden detectar cambios de temperatura máis rápido que os RTD, proporcionando unha retroalimentación máis rápida. Polo tanto, os termistores úsanse habitualmente por sensores en aplicacións que requiren baixo custo, tamaño pequeno, resposta máis rápida, maior sensibilidade e rango de temperatura limitado, como o control electrónico, o control de fogares e edificios, laboratorios científicos ou compensación de unión fría para termopares en aplicacións comerciais ou industriais. Aplicacións.
Na maioría dos casos, os termistores NTC úsanse para medicións precisas da temperatura, non os termistores PTC. Hai algúns termistores PTC dispoñibles que se poden usar en circuítos de protección contra sobrecorrentes ou como fusibles reiniciables para aplicacións de seguridade. A curva de resistencia-temperatura dun termistor PTC mostra unha rexión NTC moi pequena antes de alcanzar o punto de conmutación (ou punto de Curie), por riba do cal a resistencia aumenta bruscamente en varias ordes de magnitude no rango de varios graos Celsius. En condicións de sobrecorrente, o termistor PTC xerará un forte autoquecemento cando se supere a temperatura de conmutación e a súa resistencia aumentará bruscamente, o que reducirá a corrente de entrada ao sistema, evitando así danos. O punto de conmutación dos termistores PTC está normalmente entre 60 °C e 120 °C e non é axeitado para controlar as medicións de temperatura nunha ampla gama de aplicacións. Este artigo céntrase nos termistores NTC, que normalmente poden medir ou monitorizar temperaturas que oscilan entre -80 °C e +150 °C. Os termistores NTC teñen clasificacións de resistencia que van desde uns poucos ohmios ata 10 MΩ a 25 °C. Como se mostra na figura 1, a variación de resistencia por grao Celsius para os termistores é máis pronunciada que para os termómetros de resistencia. En comparación cos termistores, a alta sensibilidade e o alto valor de resistencia do termistor simplifican os seus circuítos de entrada, xa que os termistores non requiren ningunha configuración de cableado especial, como 3 ou 4 cables, para compensar a resistencia do cable. O deseño do termistor usa só unha configuración simple de 2 cables.
A medición de temperatura baseada en termistores de alta precisión require un procesamento preciso do sinal, conversión analóxico-dixital, linealización e compensación, como se mostra na figura 2.
Aínda que a cadea de sinal poida parecer sinxela, existen 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 de sistemas térmicos, xa que a maioría dos bloques de construción necesarios para unha aplicación están incorporados. Non obstante, existen varios desafíos no deseño e optimización de solucións de medición de temperatura baseadas en termistores.
Este artigo analiza cada un destes problemas e ofrece recomendacións para resolvelos e simplificar aínda máis o proceso de deseño destes sistemas.
Hai unha ampla variedade deTermistores NTCno mercado actual, polo que elixir o termistor axeitado para a súa aplicación pode ser unha tarefa desalentadora. Teña en conta que os termistores se listan 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 uns poucos ohmios ata 10 MΩ. Os termistores con clasificacións de resistencia baixas (resistencia nominal de 10 kΩ ou menos) normalmente admiten rangos de temperatura máis baixos, como de -50 °C a +70 °C. Os termistores con clasificacións de resistencia máis altas poden soportar temperaturas de ata 300 °C.
O elemento termistor está feito de óxido metálico. Os termistores están dispoñibles en formas de bola, radial e SMD. As esferas do termistor están revestidas con epoxi ou encapsuladas en vidro para unha maior protección. Os termistores de bola revestidos con epoxi, os termistores radiais e superficiais son axeitados para temperaturas de ata 150 °C. Os termistores de esfera de vidro son axeitados para medir altas temperaturas. Todos os tipos de revestimentos/envases tamén protexen contra a corrosión. Algúns termistores tamén terán carcasas adicionais para unha maior protección en ambientes agresivos. Os termistores de esfera teñen un tempo de resposta máis rápido que os termistores radiais/SMD. Non obstante, non son tan duradeiros. Polo tanto, o tipo de termistor utilizado depende da aplicación final e do ambiente no que se atopa o termistor. A estabilidade a longo prazo dun termistor depende do seu material, envasado e deseño. Por exemplo, un termistor NTC revestido con epoxi pode cambiar 0,2 °C por ano, mentres que un termistor selado só cambia 0,02 °C por ano.
Os termistores teñen diferentes precisións. Os termistores estándar adoitan ter 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 diferentes valores beta. Para sistemas máis precisos, pódense usar termistores como a serie Omega™ 44xxx. Teñen unha precisión de 0,1 °C ou 0,2 °C nun rango de temperatura de 0 °C a 70 °C. Polo tanto, o rango de temperaturas que se poden medir e a precisión requirida nese rango de temperatura determinan se os termistores son axeitados para esta aplicación. Teña en conta que canto maior sexa a precisión da serie Omega 44xxx, maior será o custo.
Para converter a resistencia a graos Celsius, adoita empregarse 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 emprega o valor beta máis próximo ao rango de temperatura empregado no proxecto. A maioría das follas de datos de termistores indican un valor beta xunto cunha tolerancia de resistencia a 25 °C e unha tolerancia para o valor beta.
Os termistores de maior precisión e as solucións de terminación de alta precisión, como a serie Omega 44xxx, empregan a ecuación de Steinhart-Hart para converter a resistencia a graos Celsius. A ecuación 2 require as tres constantes A, B e C, que de novo son proporcionadas polo fabricante do sensor. Dado que os coeficientes da ecuación se xeran utilizando 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 consigna de temperatura. R = resistencia do termistor en ohmios T = temperatura en K graos
Na figura 3 móstrase a excitación de corrente do sensor. A corrente de excitación aplícase ao termistor e a mesma corrente aplícase á resistencia de precisión; unha resistencia de precisión utilízase como referencia para a medición. O valor da resistencia de referencia debe ser maior ou igual ao valor máis alto da resistencia do termistor (dependendo da temperatura máis baixa medida no sistema).
Ao seleccionar a corrente de excitación, débese ter en conta de novo a resistencia máxima do termistor. Isto garante que a tensión entre o sensor e a resistencia de referencia estea sempre a un nivel aceptable para a electrónica. A fonte de corrente de campo require certo marxe de seguridade ou adaptación de saída. Se o termistor ten unha resistencia alta á temperatura medible máis baixa, isto resultará nunha corrente de excitación moi baixa. Polo tanto, a tensión xerada no termistor a alta temperatura é pequena. Pódense usar etapas de ganancia programables para optimizar a medición destes sinais de baixo nivel. Non obstante, a ganancia debe programarse dinamicamente porque o nivel de sinal do termistor varía moito coa temperatura.
Outra opción é axustar a ganancia pero usar unha corrente de accionamento dinámica. Polo tanto, a medida que cambia o nivel do sinal do termistor, o valor da corrente de accionamento cambia dinamicamente para que a tensión desenvolvida a través do termistor estea dentro do rango de entrada especificado do dispositivo electrónico. O usuario debe garantir que a tensión desenvolvida a través da resistencia de referencia tamén estea a un nivel aceptable para a electrónica. Ambas opcións requiren un alto nivel de control e unha monitorización constante da tensión a través do termistor para que a electrónica poida medir o sinal. Existe unha opción máis sinxela? Considere a excitación de tensión.
Cando se aplica tensión continua ao termistor, a corrente que o atravesa a escala automaticamente a medida que cambia a súa resistencia. Agora, ao usar 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, o que permite calcular a resistencia do termistor. Dado que a tensión de activación tamén se usa como sinal de referencia ADC, non se require ningunha etapa de ganancia. O procesador non ten a tarefa de monitorizar a tensión do termistor, determinar se o nivel do sinal pode ser medido pola electrónica e calcular que valor de ganancia/corrente de activación debe axustarse. Este é o método empregado neste artigo.
Se o termistor ten unha resistencia nominal e un rango de resistencia pequenos, pódese usar excitación por tensión ou corrente. Neste caso, a corrente de excitación e a ganancia pódense fixar. Polo tanto, o circuíto quedará como se mostra na Figura 3. Este método é conveniente porque permite controlar a corrente a través do sensor e da resistencia de referencia, o que é valioso en aplicacións de baixa potencia. Ademais, minimízase o autoquecemento do termistor.
A excitación por tensión tamén se pode empregar para termistores con baixas clasificacións de resistencia. Non obstante, o usuario sempre debe asegurarse de que a corrente que atraviesa o sensor non sexa demasiado alta para o sensor ou a aplicación.
A excitación por tensión simplifica a implementación cando se usa un termistor cunha gran resistencia nominal e un amplo rango de temperatura. Unha resistencia nominal maior proporciona un nivel aceptable de corrente nominal. Non obstante, os deseñadores deben garantir que a corrente estea a un nivel aceptable en todo o rango de temperatura compatible coa aplicación.
Os ADC sigma-delta ofrecen varias vantaxes ao deseñar un sistema de medición de termistores. En primeiro lugar, debido a que o ADC sigma-delta remostra a entrada analóxica, o filtrado externo mantense ao mínimo e o único requisito é un filtro RC sinxelo. Ofrecen flexibilidade no tipo de filtro e na velocidade de transmisión de saída. O filtrado dixital integrado pódese usar para suprimir calquera interferencia en dispositivos alimentados pola rede eléctrica. 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 enormemente o deseño do termistor, á vez que reduce as especificacións, o custo do sistema, o espazo na placa e o tempo de comercialización.
Este artigo emprega o AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque son ADC de precisión e baixo ruído e baixa corrente con PGA integrado, referencia integrado, entrada analóxica e búfer de referencia.
Independentemente de se se emprega corrente de accionamento ou tensión de accionamento, recoméndase unha configuración ratiométrica na que a tensión de referencia e a tensión do sensor procedan da mesma fonte de accionamento. Isto significa que calquera cambio na fonte de excitación non afectará á precisión da medición.
Na figura 5 móstrase 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 precisa ser precisa e pode ser menos estable, xa que calquera erro na corrente de campo eliminarase nesta configuración. Xeralmente, a excitación de corrente é preferible á excitación de tensión debido a un control de sensibilidade superior e unha mellor inmunidade ao ruído cando o sensor está situado en lugares remotos. Este tipo de método de polarización úsase normalmente para RTD ou termistores con valores de resistencia baixos. Non obstante, para un termistor cun valor de resistencia e unha sensibilidade máis altos, o nivel de sinal xerado por cada cambio de temperatura será maior, polo que se usa a 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 excitación mínima de 50 µA proporcionada polo AD7124-4/AD7124-8 xera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, o que é demasiado alto e está fóra do rango de funcionamento da maioría dos ADC dispoñibles que se usan nesta área de aplicación. Os termistores tamén adoitan estar conectados ou situados preto dos compoñentes electrónicos, polo que non se require inmunidade á corrente de accionamento.
Engadir unha resistencia sensora en serie como circuíto divisor de tensión limitará a corrente a través do termistor ao seu valor de resistencia mínimo. Nesta configuración, o valor da resistencia sensora 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 sexa igual ao punto medio da tensión de referencia á súa temperatura nominal de 25 °CC. Do mesmo xeito, se se usa un termistor de 10 kΩ cunha resistencia de 10 kΩ a 25 °C, RSENSE debería ser de 10 kΩ. A medida que cambia a temperatura, a resistencia do termistor NTC tamén cambia, e a relación da tensión de excitación a través do termistor tamén cambia, o que resulta en que a tensión de saída sexa proporcional á resistencia do termistor NTC.
Se a referencia de tensión seleccionada para alimentar o termistor e/ou o RSENSE coincide coa tensión de referencia do ADC utilizada para a medición, o sistema axústase á medición ratiométrica (Figura 7) para que calquera fonte de tensión de erro relacionada coa excitación sexa polarizada para eliminala.
Teña en conta que tanto a resistencia de detección (accionada por tensión) como a resistencia de referencia (accionada por corrente) deben ter unha tolerancia inicial baixa e unha deriva baixa, xa que ambas variables poden afectar a precisión de todo o sistema.
Ao usar varios termistores, pódese usar unha tensión de excitación. Non obstante, cada termistor debe ter a súa propia resistencia de detección de precisión, como se mostra na figura 8. Outra opción é usar un multiplexor externo ou un interruptor de baixa resistencia no estado aceso, o que permite compartir unha resistencia de detección de precisión. Con esta configuración, cada termistor necesita un tempo de estabilización cando se mide.
En resumo, ao deseñar un sistema de medición de temperatura baseado en termistores, hai moitas cuestións a ter en conta: a selección do sensor, o cableado do sensor, as vantaxes e desvantaxes da selección de compoñentes, a configuración do ADC e como estas diversas variables afectan á precisión xeral do sistema. O seguinte artigo desta serie explica como optimizar o deseño do sistema e o orzamento de erros xeral do sistema para acadar o rendemento desexado.
Data de publicación: 30 de setembro de 2022