Questu hè u primu articulu di una seria in duie parte. Questu articulu discuterà prima a storia è e sfide di cuncepimentu ditemperatura basata nantu à u termistoresistemi di misurazione, è ancu u so paragone cù i sistemi di misurazione di a temperatura di u termometru di resistenza (RTD). Descriverà ancu a scelta di u termistore, i compromessi di cunfigurazione è l'impurtanza di i convertitori analogicu-digitale sigma-delta (ADC) in questu duminiu d'applicazione. U secondu articulu spiegherà in dettagliu cumu ottimizà è valutà u sistema di misurazione finale basatu annantu à u termistore.
Cum'è discrittu in a seria d'articuli precedente, Ottimizazione di i Sistemi di Sensori di Temperatura RTD, un RTD hè una resistenza chì a so resistenza varieghja cù a temperatura. I termistori funzionanu in modu simile à i RTD. À u cuntrariu di i RTD, chì anu solu un cuefficiente di temperatura pusitivu, un termistore pò avè un cuefficiente di temperatura pusitivu o negativu. I termistori à cuefficiente di temperatura negativu (NTC) diminuiscenu a so resistenza quandu a temperatura aumenta, mentre chì i termistori à cuefficiente di temperatura pusitivu (PTC) aumentanu a so resistenza quandu a temperatura aumenta. In a figura 1 si mostranu e caratteristiche di risposta di i termistori NTC è PTC tipici è li paragunanu à e curve RTD.
In termini di gamma di temperatura, a curva RTD hè guasi lineare, è u sensore copre una gamma di temperatura assai più larga chè i termistori (tipicamente da -200 °C à +850 °C) per via di a natura non lineare (esponenziale) di u termistore. I RTD sò generalmente furniti in curve standardizate ben cunnisciute, mentre chì e curve di u termistore varianu secondu u fabricatore. Discuteremu questu in dettagliu in a sezione di a guida di selezzione di u termistore di questu articulu.
I termistori sò fatti di materiali cumposti, di solitu ceramica, polimeri, o semiconduttori (di solitu ossidi metallichi) è metalli puri (platinu, nichelu, o rame). I termistori ponu rilevà i cambiamenti di temperatura più rapidamente cà i RTD, furnendu un feedback più veloce. Dunque, i termistori sò cumunamente usati da i sensori in applicazioni chì richiedenu un costu bassu, dimensioni ridotte, risposta più rapida, maggiore sensibilità è intervallo di temperatura limitatu, cum'è u cuntrollu di l'elettronica, u cuntrollu di case è edifici, laboratori scientifichi, o compensazione di giunzione fredda per termocoppie in applicazioni cummerciali o industriali. Applicazioni.
In a maiò parte di i casi, i termistori NTC sò usati per una misurazione precisa di a temperatura, micca i termistori PTC. Certi termistori PTC sò dispunibili chì ponu esse aduprati in circuiti di prutezzione di sovracorrente o cum'è fusibili resettabili per applicazioni di sicurezza. A curva resistenza-temperatura di un termistore PTC mostra una regione NTC assai chjuca prima di ghjunghje à u puntu di cummutazione (o puntu Curie), sopra u quale a resistenza aumenta bruscamente di parechji ordini di grandezza in l'intervallu di parechji gradi Celsius. In cundizioni di sovracorrente, u termistore PTC genererà un forte autoriscaldamentu quandu a temperatura di cummutazione hè superata, è a so resistenza aumenterà bruscamente, ciò chì riducerà a corrente d'ingressu à u sistema, impedendu cusì danni. U puntu di cummutazione di i termistori PTC hè tipicamente trà 60 ° C è 120 ° C è ùn hè micca adattatu per cuntrullà e misurazioni di temperatura in una vasta gamma di applicazioni. Questu articulu si concentra nantu à i termistori NTC, chì ponu tipicamente misurà o monitorà temperature chì varianu da -80 ° C à + 150 ° C. I termistori NTC anu valori di resistenza chì varianu da pochi ohm à 10 MΩ à 25 °C. Cum'è mostratu in a figura 1, u cambiamentu di resistenza per gradu Celsius per i termistori hè più pronunciatu chè per i termometri di resistenza. In paragone cù i termistori, l'alta sensibilità è l'altu valore di resistenza di u termistore simplificanu i so circuiti d'entrata, postu chì i termistori ùn necessitanu alcuna cunfigurazione di cablaggio speciale, cum'è 3 fili o 4 fili, per cumpensà a resistenza di i conduttori. U disignu di u termistore utilizza solu una semplice cunfigurazione à 2 fili.
A misurazione di a temperatura basata annantu à un termistore d'alta precisione richiede un'elaborazione precisa di u signale, una cunversione analogicu-digitale, una linearizazione è una compensazione, cum'è mostratu in a figura 2.
Ancu s'è a catena di signali pò parè simplice, ci sò parechje cumplessità chì affettanu a dimensione, u costu è e prestazioni di tutta a scheda madre. U portafogliu ADC di precisione di ADI include parechje suluzioni integrate, cum'è l'AD7124-4/AD7124-8, chì furniscenu una quantità di vantaghji per a cuncepzione di u sistema termicu postu chì a maiò parte di i blocchi di custruzzione necessarii per una applicazione sò integrati. Tuttavia, ci sò diverse sfide in a cuncepzione è l'ottimizazione di e suluzioni di misurazione di a temperatura basate nantu à termistori.
Questu articulu discute ognunu di sti prublemi è furnisce raccomandazioni per risolve li è simplificà ulteriormente u prucessu di cuncepimentu per tali sistemi.
Ci hè una larga varietà diTermistori NTCoghje nant'à u mercatu, dunque sceglie u termistore ghjustu per a vostra applicazione pò esse un compitu scoraggiante. Nutate bè chì i termistori sò listati per u so valore nominale, chì hè a so resistenza nominale à 25 ° C. Dunque, un termistore di 10 kΩ hà una resistenza nominale di 10 kΩ à 25 ° C. I termistori anu valori di resistenza nominali o basi chì varianu da pochi ohm à 10 MΩ. I termistori cù bassi valori di resistenza (resistenza nominale di 10 kΩ o menu) supportanu tipicamente intervalli di temperatura più bassi, cum'è da -50 ° C à +70 ° C. I termistori cù valori di resistenza più alti ponu sustene temperature finu à 300 ° C.
L'elementu termistore hè fattu d'ossidu metallicu. I termistore sò dispunibili in forme di sfera, radiali è SMD. E perle di termistore sò rivestite in resina epossidica o incapsulate in vetru per una prutezzione supplementare. I termistore à sfera rivestite in resina epossidica, i termistore radiali è di superficie sò adatti per temperature finu à 150 °C. I termistore à perle di vetru sò adatti per misurà alte temperature. Tutti i tipi di rivestimenti / imballaggio pruteggenu ancu contr'à a corrosione. Alcuni termistore averanu ancu alloggiamenti supplementari per una prutezzione supplementare in ambienti difficili. I termistore à perle anu un tempu di risposta più veloce di i termistore radiali / SMD. Tuttavia, ùn sò micca cusì durevuli. Dunque, u tipu di termistore utilizatu dipende da l'applicazione finale è da l'ambiente in u quale si trova u termistore. A stabilità à longu andà di un termistore dipende da u so materiale, imballaggio è cuncepimentu. Per esempiu, un termistore NTC rivestitu di resina epossidica pò cambià di 0,2 °C à l'annu, mentre chì un termistore sigillatu cambia solu di 0,02 °C à l'annu.
I termistori sò dispunibili cù diverse precisioni. I termistori standard anu tipicamente una precisione da 0,5 °C à 1,5 °C. A resistenza nominale di u termistore è u valore beta (rapportu trà 25 °C è 50 °C/85 °C) anu una tolleranza. Nutate bè chì u valore beta di u termistore varieghja secondu u fabricatore. Per esempiu, i termistori NTC di 10 kΩ di diversi fabricatori averanu valori beta diversi. Per sistemi più precisi, si ponu aduprà termistori cum'è a serie Omega™ 44xxx. Anu una precisione di 0,1 °C o 0,2 °C in un intervallu di temperatura da 0 °C à 70 °C. Dunque, l'intervallu di temperature chì ponu esse misurate è a precisione necessaria in quellu intervallu di temperatura determina se i termistori sò adatti per questa applicazione. Nutate bè chì più alta hè a precisione di a serie Omega 44xxx, più altu hè u costu.
Per cunvertisce a resistenza in gradi Celsius, si usa di solitu u valore beta. U valore beta hè determinatu cunnoscendu i dui punti di temperatura è a resistenza currispundente à ogni puntu di temperatura.
RT1 = Resistenza à a temperatura 1 RT2 = Resistenza à a temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
L'utilizatore usa u valore beta u più vicinu à l'intervallu di temperatura utilizatu in u prugettu. A maiò parte di e schede tecniche di termistori elencanu un valore beta cù una tolleranza di resistenza à 25 ° C è una tolleranza per u valore beta.
I termistori di più alta precisione è e soluzioni di terminazione di alta precisione cum'è a serie Omega 44xxx utilizanu l'equazione Steinhart-Hart per cunvertisce a resistenza in gradi Celsius. L'equazione 2 richiede e trè custanti A, B è C, ancu furnite da u fabricatore di u sensore. Siccomu i coefficienti di l'equazione sò generati utilizendu trè punti di temperatura, l'equazione risultante minimizza l'errore introduttu da a linearizazione (tipicamente 0,02 °C).
A, B è C sò custanti derivate da trè punti di riferimentu di temperatura. R = resistenza di u termistore in ohm T = temperatura in K gradi
A figura 3 mostra l'eccitazione di corrente di u sensore. A corrente di pilotaggio hè applicata à u termistore è a stessa corrente hè applicata à a resistenza di precisione; una resistenza di precisione hè aduprata cum'è riferimentu per a misurazione. U valore di a resistenza di riferimentu deve esse più grande o uguale à u valore più altu di a resistenza di u termistore (secondu a temperatura più bassa misurata in u sistema).
Quandu si sceglie a corrente d'eccitazione, a resistenza massima di u termistore deve esse presa in contu torna. Questu assicura chì a tensione à traversu u sensore è a resistenza di riferimentu sia sempre à un livellu accettabile per l'elettronica. A fonte di corrente di campu richiede un pocu di margine di testa o di adattazione di uscita. Se u termistore hà una resistenza elevata à a temperatura misurabile più bassa, questu darà una corrente di pilotaggio assai bassa. Dunque, a tensione generata à traversu u termistore à alta temperatura hè chjuca. I stadi di guadagnu programmabili ponu esse aduprati per ottimizà a misurazione di questi signali di bassu livellu. Tuttavia, u guadagnu deve esse prugrammatu dinamicamente perchè u livellu di u signale da u termistore varia assai cù a temperatura.
Un'altra opzione hè di stabilisce u guadagnu ma aduprà a corrente di guida dinamica. Dunque, quandu u livellu di u signale da u termistore cambia, u valore di a corrente di guida cambia dinamicamente in modu chì a tensione sviluppata à traversu u termistore sia in l'intervallu d'ingressu specificatu di u dispusitivu elettronicu. L'utente deve assicurassi chì a tensione sviluppata à traversu a resistenza di riferimentu sia ancu à un livellu accettabile per l'elettronica. E duie opzioni richiedenu un altu livellu di cuntrollu, un monitoraghju custante di a tensione à traversu u termistore in modu chì l'elettronica possi misurà u signale. Ci hè una opzione più faciule? Cunsiderate l'eccitazione di tensione.
Quandu a tensione DC hè applicata à u termistore, a corrente attraversu u termistore si adatta automaticamente à u cambiamentu di a resistenza di u termistore. Avà, aduprendu una resistenza di misurazione di precisione invece di una resistenza di riferimentu, u so scopu hè di calculà a corrente chì scorre attraversu u termistore, permettendu cusì di calculà a resistenza di u termistore. Siccomu a tensione di pilotaggio hè ancu aduprata cum'è segnale di riferimentu ADC, ùn hè necessariu alcun stadiu di guadagnu. U processore ùn hà micca u compitu di monitorà a tensione di u termistore, determinà se u livellu di u segnale pò esse misuratu da l'elettronica, è calculà quale valore di guadagnu/corrente di pilotaggio deve esse aghjustatu. Questu hè u metudu adupratu in questu articulu.
Sè u termistore hà una piccula resistenza nominale è un picculu intervallu di resistenza, si pò aduprà l'eccitazione di tensione o di corrente. In questu casu, a corrente di pilotaggio è u guadagnu ponu esse fissi. Cusì, u circuitu serà cum'è mostratu in a Figura 3. Stu metudu hè cunveniente perchè hè pussibule cuntrullà a corrente attraversu u sensore è a resistenza di riferimentu, ciò chì hè preziosu in l'applicazioni di bassa putenza. Inoltre, l'autoriscaldamentu di u termistore hè minimizatu.
L'eccitazione di tensione pò ancu esse aduprata per i termistori cù bassi valori di resistenza. Tuttavia, l'utente deve sempre assicurassi chì a corrente attraversu u sensore ùn sia micca troppu alta per u sensore o l'applicazione.
L'eccitazione di tensione simplifica l'implementazione quandu si usa un termistore cù una grande resistenza nominale è una larga gamma di temperature. Una resistenza nominale più grande furnisce un livellu accettabile di corrente nominale. Tuttavia, i cuncettori devenu assicurà chì a corrente sia à un livellu accettabile in tutta a gamma di temperature supportata da l'applicazione.
L'ADC Sigma-Delta offrenu parechji vantaghji quandu si cuncepisce un sistema di misurazione di termistore. Prima, perchè l'ADC sigma-delta ricampiona l'entrata analogica, u filtraggio esternu hè riduttu à u minimu è l'unicu requisitu hè un filtru RC simplice. Offrenu flessibilità in u tipu di filtru è a velocità di trasmissione in uscita. U filtraggio digitale integratu pò esse adupratu per supprimà qualsiasi interferenza in i dispositivi alimentati da a rete. I dispositivi à 24 bit cum'è l'AD7124-4/AD7124-8 anu una risoluzione piena finu à 21,7 bit, dunque furniscenu alta risoluzione.
L'usu di un ADC sigma-delta simplifica assai a cuncepzione di u termistore riducendu à tempu e specificazioni, u costu di u sistema, u spaziu di a scheda è u tempu di cummercializazione.
Questu articulu usa l'AD7124-4/AD7124-8 cum'è ADC perchè sò ADC di precisione à bassu rumore, bassa corrente cù PGA integratu, riferimentu integratu, ingressu analogicu è buffer di riferimentu.
Indipendentemente da s'è vo aduprate a currente di guida o a tensione di guida, hè cunsigliata una cunfigurazione raziometrica in a quale a tensione di riferimentu è a tensione di u sensore venenu da a listessa fonte di guida. Questu significa chì qualsiasi cambiamentu in a fonte d'eccitazione ùn affetterà micca a precisione di a misurazione.
In a figura 5 si mostra a corrente di pilotaggio costante per u termistore è a resistenza di precisione RREF, a tensione sviluppata à traversu RREF hè a tensione di riferimentu per misurà u termistore.
A currente di campu ùn hà micca bisognu d'esse precisa è pò esse menu stabile postu chì qualsiasi errore in a currente di campu serà eliminatu in questa cunfigurazione. In generale, l'eccitazione di corrente hè preferita à l'eccitazione di tensione per via di un cuntrollu di sensibilità superiore è una migliore immunità à u rumore quandu u sensore hè situatu in lochi remoti. Stu tipu di metudu di polarizazione hè tipicamente utilizatu per RTD o termistori cù valori di resistenza bassi. Tuttavia, per un termistore cù un valore di resistenza più altu è una sensibilità più alta, u livellu di signale generatu da ogni cambiamentu di temperatura serà più grande, dunque si usa l'eccitazione di tensione. Per esempiu, un termistore di 10 kΩ hà una resistenza di 10 kΩ à 25 °C. À -50 °C, a resistenza di u termistore NTC hè 441,117 kΩ. A currente di pilotaggio minima di 50 µA furnita da l'AD7124-4 / AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, chì hè troppu altu è fora di u range operativu di a maiò parte di l'ADC dispunibili utilizati in questa zona di applicazione. I termistori sò ancu generalmente cunnessi o situati vicinu à l'elettronica, dunque l'immunità à a corrente di guida ùn hè micca necessaria.
L'aghjunghje di una resistenza di rilevamentu in serie cum'è un circuitu divisore di tensione limiterà a corrente attraversu u termistore à u so valore di resistenza minima. In questa cunfigurazione, u valore di a resistenza di rilevamentu RSENSE deve esse uguale à u valore di a resistenza di u termistore à una temperatura di riferimentu di 25 °C, in modu chì a tensione di uscita serà uguale à u puntu mediu di a tensione di riferimentu à a so temperatura nominale di 25 °CC. In listessu modu, se si usa un termistore di 10 kΩ cù una resistenza di 10 kΩ à 25 °C, RSENSE deve esse 10 kΩ. Quandu a temperatura cambia, a resistenza di u termistore NTC cambia ancu, è u rapportu di a tensione di pilotaggio à traversu u termistore cambia ancu, risultendu in a tensione di uscita proporzionale à a resistenza di u termistore NTC.
Sè a tensione di riferimentu scelta per alimentà u termistore è/o RSENSE currisponde à a tensione di riferimentu ADC aduprata per a misurazione, u sistema hè impostu à a misurazione raziometrica (Figura 7) in modu chì qualsiasi fonte di tensione d'errore ligata à l'eccitazione serà polarizzata per esse eliminata.
Nutate bè chì a resistenza di sensu (guidata da a tensione) o a resistenza di riferimentu (guidata da a corrente) devenu avè una bassa tolleranza iniziale è una bassa deriva, postu chì e duie variabili ponu influenzà a precisione di tuttu u sistema.
Quandu si utilizanu parechji termistori, si pò aduprà una tensione d'eccitazione. Tuttavia, ogni termistore deve avè a so propria resistenza di rilevamentu di precisione, cum'è mostratu in a fig. 8. Un'altra opzione hè di utilizà un multiplexer esternu o un interruttore à bassa resistenza in u statu accesu, chì permette di sparte una resistenza di rilevamentu di precisione. Cù sta cunfigurazione, ogni termistore hà bisognu di un certu tempu di stabilizazione quandu hè misuratu.
In riassuntu, quandu si cuncepisce un sistema di misurazione di a temperatura basatu annantu à un termistore, ci sò parechje dumande da cunsiderà: a selezzione di u sensore, u cablaggio di u sensore, i compromessi di a selezzione di i cumpunenti, a cunfigurazione di l'ADC, è cumu queste diverse variabili influenzanu a precisione generale di u sistema. U prossimu articulu di sta seria spiega cumu ottimizà a cuncepzione di u vostru sistema è u budget generale di l'errore di u sistema per ottene e vostre prestazioni previste.
Data di publicazione: 30 settembre 2022