Este é o primeiro artigo dunha serie de dúas partes.Este artigo discutirá primeiro a historia e os desafíos do deseñotemperatura baseada en termistoressistemas de medición, así como su comparación con sistemas de medición de temperatura con termómetro de resistencia (RTD).Tamén describirá a elección do termistor, os compromisos de configuración e a importancia dos conversores analóxico-dixital (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 describe na serie de artigos anteriores, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, 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.Sobre a fig.A figura 1 mostra as características de resposta dos termistores NTC e PTC típicos e compáraas 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 de -200 °C a +850 °C) debido á natureza non lineal (exponencial) do termistor.Os RTD adoitan proporcionarse en curvas estandarizadas ben coñecidas, mentres que as curvas do termistor varían segundo o fabricante.Discutirémolo en detalle na sección da guía de selección de termistores deste artigo.
Os termistores están feitos de materiais compostos, xeralmente cerámicas, polímeros ou semicondutores (xeralmente óxidos metálicos) e metais puros (platino, níquel ou cobre).Os termistores poden detectar os cambios de temperatura máis rápido que os RTD, proporcionando un feedback máis rápido.Polo tanto, os termistores son usados habitualmente polos 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 vivendas e edificios, laboratorios científicos ou a compensación de unión fría para termopares en industrias comerciais. ou aplicacións industriais.fins.Aplicacións.
Na maioría dos casos, os termistores NTC úsanse para a medición precisa da temperatura, non os termistores PTC.Algúns termistores PTC están dispoñibles que se poden usar en circuítos de protección contra sobreintensidade ou como fusibles reiniciables para aplicacións de seguridade.A curva resistencia-temperatura dun termistor PTC mostra unha rexión NTC moi pequena antes de chegar ao 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 centígrados.En condicións de sobreintensidade, o termistor PTC xerará un forte autoquecemento cando se supera 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 adoita estar 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 controlar temperaturas que van de -80 °C a +150 °C.Os termistores NTC teñen clasificacións de resistencia que van desde algúns ohmios ata 10 MΩ a 25 °C.Como se mostra na fig.1, o cambio de resistencia por grao Celsius dos termistores é máis pronunciado que dos termómetros de resistencia.En comparación cos termistores, a alta sensibilidade e o alto valor de resistencia do termistor simplifican o seu circuíto de entrada, xa que os termistores non requiren ningunha configuración de cableado especial, como 3 ou 4 fíos, para compensar a resistencia do cable.O deseño do termistor usa só unha configuración sinxela de 2 fíos.
A medición de temperatura baseada en termistores de alta precisión require un procesamento de sinal preciso, conversión de analóxico 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 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 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 de tales sistemas.
Hai unha gran variedade deTermistores NTCno mercado hoxe en día, polo que escoller o termistor axeitado para a súa aplicación pode ser unha tarefa desalentadora.Teña en conta que os termistores están listados 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 resistencia baixas (resistencia nominal de 10 kΩ ou menos) normalmente admiten intervalos de temperatura máis baixos, como -50 °C a +70 °C.Os termistores con clasificacións de resistencia máis altas poden soportar temperaturas de ata 300 °C.
O elemento do termistor está feito de óxido metálico.Os termistores están dispoñibles en formas esféricas, radiais e SMD.As perlas do termistor están recubertas de epoxi ou encapsuladas en vidro para unha maior protección.Os termistores de bola revestidos de epoxi, os termistores radiais e de superficie son axeitados para temperaturas de ata 150 °C.Os termistores de perlas 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 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 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, embalaxe e deseño.Por exemplo, un termistor NTC revestido 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 rango de temperatura de 0 °C a 70 °C.Polo tanto, o intervalo de temperaturas que se poden medir e a precisión requirida neste intervalo de temperatura determina se os termistores son axeitados para esta aplicación.Ten en conta que canto maior sexa a precisión da serie Omega 44xxx, maior será o custo.
Para converter a resistencia en graos Celsius, adoita utilizarse 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 utiliza o valor beta máis próximo ao intervalo de temperatura utilizado no proxecto.A maioría das follas de datos de termistores enumeran 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, usan a ecuación de Steinhart-Hart para converter a resistencia en graos Celsius.A ecuación 2 require as tres constantes A, B e C, proporcionadas de novo 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 referencia de temperatura.R = resistencia do termistor en ohmios T = temperatura en K graos
Sobre a fig.3 mostra a excitación actual do sensor.A corrente de accionamento 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 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 no sensor e na resistencia de referencia estea sempre nun nivel aceptable para a electrónica.A fonte de corrente de campo require algo de espazo libre ou coincidencia de saída.Se o termistor ten unha alta resistencia á temperatura medible máis baixa, isto producirá unha corrente de accionamento 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 de forma dinámica porque o nivel de sinal do termistor varía moito coa temperatura.
Outra opción é configurar a ganancia pero usar a corrente de unidade dinámica.Polo tanto, a medida que cambia o nivel de sinal do termistor, o valor da corrente da unidade cambia de forma dinámica para 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 na resistencia de referencia tamén estea a un nivel aceptable para a electrónica.Ambas opcións requiren un alto nivel de control, monitorización 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 se aplica tensión de CC ao termistor, a corrente a través do termistor escala automaticamente a medida que cambia a resistencia do termistor.Agora, usando unha resistencia de medición de precisión en lugar dunha resistencia de referencia, o seu propósito é calcular a corrente que circula polo termistor, permitindo así calcular a resistencia do termistor.Dado que a tensión do convertidor tamén se usa como sinal de referencia ADC, non se precisa ningunha etapa de ganancia.O procesador non ten o traballo de supervisar a tensión do termistor, determinar se o nivel de sinal pode ser medido pola electrónica e calcular o valor de ganancia/corrente da unidade que se debe axustar.Este é o método utilizado neste artigo.
Se o termistor ten unha clasificación de resistencia e un rango de resistencia pequenos, pódese utilizar a excitación de tensión ou corrente.Neste caso, pódese corrixir a corrente e a ganancia da unidade.Así, o circuíto será o que se mostra na Figura 3. Este método é conveniente xa que é posible controlar a corrente a través do sensor e da resistencia de referencia, o que é valioso en aplicacións de baixa potencia.Ademais, o autoquecemento do termistor é minimizado.
A excitación de tensión tamén se pode usar para termistores con baixas clasificacións de resistencia.Non obstante, o usuario sempre debe asegurarse de que a corrente a través do sensor non sexa demasiado alta para o sensor ou a aplicación.
A excitación de tensión simplifica a implementación cando se usa un termistor cunha gran resistencia e un amplo rango de temperatura.A maior resistencia nominal proporciona un nivel aceptable de corrente nominal.Non obstante, os deseñadores deben asegurarse de que a corrente estea nun nivel aceptable en todo o intervalo de temperatura admitido pola aplicación.
Os ADC Sigma-Delta ofrecen varias vantaxes ao deseñar un sistema de medición de termistores.En primeiro lugar, porque o ADC sigma-delta remuestrea a entrada analóxica, o filtrado externo mantense ao mínimo e o único requisito é un simple filtro RC.Ofrecen flexibilidade no tipo de filtro e na taxa de transmisión en baudios de saída.O filtrado dixital integrado pódese usar para suprimir calquera interferencia nos dispositivos alimentados pola rede.Os dispositivos de 24 bits como o AD7124-4/AD7124-8 teñen unha resolución total de ata 21,7 bits, polo que ofrecen 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 da tarxeta e o tempo de comercialización.
Este artigo usa o AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque son ADC de baixo ruído, baixa corrente e precisión con PGA incorporado, referencia incorporada, entrada analóxica e búfer de referencia.
Independentemente de se está a usar a corrente ou a tensión do convertidor, 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 á precisión da medición.
Sobre a fig.A figura 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 precisa ser precisa e pode ser menos estable xa que os erros na corrente de campo eliminaranse nesta configuración.Xeralmente, a excitación de corrente é preferida á excitación de tensión debido ao control da sensibilidade superior e á 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 maior valor de resistencia e maior sensibilidade, o nivel de sinal xerado por cada cambio de temperatura será maior, polo que se utiliza 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 accionamento mínima de 50 µA proporcionada polo AD7124-4/AD7124-8 xera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, que é demasiado alta e está fóra do rango operativo da maioría dos ADC dispoñibles que se usan nesta área de aplicación.Os termistores tamén adoitan estar conectados ou situados preto da electrónica, polo que non é necesaria a inmunidade á corrente.
Engadir unha resistencia de detección 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 de detección 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 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 accionamento a través do termistor tamén cambia, o que fai 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 ADC utilizada para a medición, o sistema axustarase á medición ratiométrica (Figura 7) de xeito que calquera fonte de tensión de erro relacionada coa excitación será polarizada para eliminar.
Teña en conta que a resistencia de detección (accionada por voltaxe) ou a resistencia de referencia (accionada por corrente) debe ter unha tolerancia inicial baixa e unha deriva baixa, xa que ambas variables poden afectar a precisión de todo o sistema.
Cando se usan 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 fig.8. Outra opción é usar un multiplexor externo ou un interruptor de baixa resistencia no estado de acendido, que permite compartir unha resistencia de detección de precisión.Con esta configuración, cada termistor necesita un tempo de asentamento cando se mide.
En resumo, ao deseñar un sistema de medición de temperatura baseado en termistores, hai que ter en conta moitas preguntas: selección do sensor, cableado do sensor, compensacións de selección de compoñentes, configuración de ADC e como afectan estas diversas variables á 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 acadar o seu rendemento obxectivo.
Hora de publicación: 30-09-2022