אופטימיזציה של מערכות מדידת טמפרטורה מבוססות תרמיסטור: אתגר

זהו המאמר הראשון בסדרה בת שני חלקים. מאמר זה ידון תחילה בהיסטוריה ובאתגרי העיצוב שלטמפרטורה מבוססת תרמיסטורמערכות מדידה, כמו גם השוואתן למערכות מדידת טמפרטורה באמצעות מדחום התנגדות (RTD). כמו כן, יתאר המחקר את בחירת התרמיסטור, פשרות התצורה ואת החשיבות של ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADC) מסוג סיגמא-דלתא בתחום יישום זה. המאמר השני יפרט כיצד לייעל ולהעריך את מערכת המדידה הסופית מבוססת התרמיסטור.
כפי שתואר בסדרת המאמרים הקודמת, אופטימיזציה של מערכות חיישני טמפרטורה מסוג RTD, RTD הוא נגד שההתנגדות שלו משתנה עם הטמפרטורה. תרמיסטורים פועלים באופן דומה ל-RTD. בניגוד ל-RTD, בעלי מקדם טמפרטורה חיובי בלבד, לתרמיסטור יכול להיות מקדם טמפרטורה חיובי או שלילי. תרמיסטורים בעלי מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) מקטינים את התנגדותם ככל שהטמפרטורה עולה, בעוד שטרמיסטורים בעלי מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) מגדילים את התנגדותם ככל שהטמפרטורה עולה. איור 1 מציג את מאפייני התגובה של תרמיסטורים NTC ו-PTC טיפוסיים ומשווה אותם לעקומות RTD.
מבחינת טווח הטמפרטורות, עקומת ה-RTD היא כמעט ליניארית, והחיישן מכסה טווח טמפרטורות רחב בהרבה מאשר תרמיסטורים (בדרך כלל 200°C- עד 850°C+) בשל האופי הלא ליניארי (אקספוננציאלי) של התרמיסטור. RTDs מסופקים בדרך כלל בעקומות סטנדרטיות ידועות, בעוד שעקומות התרמיסטור משתנות בהתאם ליצרן. נדון בכך בפירוט בסעיף מדריך בחירת התרמיסטור במאמר זה.
תרמיסטורים עשויים מחומרים מרוכבים, בדרך כלל קרמיקה, פולימרים או מוליכים למחצה (בדרך כלל תחמוצות מתכת) ומתכות טהורות (פלטינה, ניקל או נחושת). תרמיסטורים יכולים לזהות שינויי טמפרטורה מהר יותר מאשר תרמילי חום (RTD), ולספק משוב מהיר יותר. לכן, תרמיסטורים נמצאים בשימוש נפוץ על ידי חיישנים ביישומים הדורשים עלות נמוכה, גודל קטן, תגובה מהירה יותר, רגישות גבוהה יותר וטווח טמפרטורות מוגבל, כגון בקרת אלקטרוניקה, בקרת בתים ובניינים, מעבדות מדעיות או פיצוי צומת קר עבור צמדים תרמיים ביישומים מסחריים או תעשייתיים. יישומים.
ברוב המקרים, תרמיסטורים מסוג NTC משמשים למדידת טמפרטורה מדויקת, ולא תרמיסטורים מסוג PTC. קיימים תרמיסטורים מסוג PTC שניתן להשתמש בהם במעגלי הגנה מפני זרם יתר או כנתיכים הניתנים לאיפוס עבור יישומי בטיחות. עקומת ההתנגדות-טמפרטורה של תרמיסטור PTC מציגה אזור NTC קטן מאוד לפני שמגיעים לנקודת המיתוג (או נקודת קירי), שמעליה ההתנגדות עולה בחדות בכמה סדרי גודל בטווח של כמה מעלות צלזיוס. בתנאי זרם יתר, תרמיסטור ה-PTC ייצור חימום עצמי חזק כאשר טמפרטורת המיתוג חורגת, וההתנגדות שלו תעלה בחדות, מה שיפחית את זרם הקלט למערכת, ובכך ימנע נזק. נקודת המיתוג של תרמיסטורים מסוג PTC היא בדרך כלל בין 60°C ל-120°C ואינה מתאימה לבקרת מדידות טמפרטורה במגוון רחב של יישומים. מאמר זה מתמקד בתרמיסטורים מסוג NTC, שיכולים בדרך כלל למדוד או לנטר טמפרטורות הנעות בין -80°C ל-+150°C. לתרמיסטורים מסוג NTC דירוגי התנגדות הנעים בין כמה אוהם ל-10 מגה-אוהם בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. כפי שמוצג באיור 1, השינוי בהתנגדות למעלות צלזיוס עבור תרמיסטורים בולט יותר מאשר עבור מדי חום התנגדות. בהשוואה לתרמיסטורים, הרגישות הגבוהה וערך ההתנגדות הגבוה של התרמיסטור מפשטים את מעגל הקלט שלו, מכיוון שטרמיסטורים אינם דורשים תצורת חיווט מיוחדת, כגון 3 חוטים או 4 חוטים, כדי לפצות על התנגדות המוליך. עיצוב התרמיסטור משתמש רק בתצורה פשוטה של 2 חוטים.
מדידת טמפרטורה מבוססת תרמיסטור בדיוק גבוה דורשת עיבוד אותות מדויק, המרה אנלוגית-לדיגיטלית, לינאריזציה ופיצוי, כפי שמוצג באיור 2.
למרות ששרשרת האותות עשויה להיראות פשוטה, ישנן מספר מורכבויות המשפיעות על הגודל, העלות והביצועים של לוח האם כולו. תיק מוצרי ADC המדויק של ADI כולל מספר פתרונות משולבים, כגון AD7124-4/AD7124-8, המספקים מספר יתרונות לתכנון מערכות תרמיות מכיוון שרוב אבני הבניין הדרושות ליישום מובנות. עם זאת, ישנם אתגרים שונים בתכנון ואופטימיזציה של פתרונות מדידת טמפרטורה מבוססי תרמיסטור.
מאמר זה דן בכל אחת מהבעיות הללו ומספק המלצות לפתרונן ולפישוט נוסף של תהליך התכנון עבור מערכות כאלה.
יש מגוון רחב שלתרמיסטורים NTCבשוק כיום, כך שבחירת התרמיסטור המתאים ליישום שלך יכולה להיות משימה לא פשוטה. שימו לב כי תרמיסטורים רשומים לפי הערך הנומינלי שלהם, שהוא ההתנגדות הנומינלית שלהם ב-25°C. לכן, לתרמיסטור של 10 קילו-אוהם יש התנגדות נומינלית של 10 קילו-אוהם ב-25°C. לתרמיסטורים יש ערכי התנגדות נומינליים או בסיסיים הנעים בין כמה אוהם ל-10 מגה-אוהם. תרמיסטורים בעלי דירוגי התנגדות נמוכים (התנגדות נומינלית של 10 קילו-אוהם או פחות) תומכים בדרך כלל בטווחי טמפרטורות נמוכים יותר, כגון -50°C עד +70°C. תרמיסטורים בעלי דירוגי התנגדות גבוהים יותר יכולים לעמוד בטמפרטורות של עד 300°C.
אלמנט התרמיסטור עשוי מתחמוצת מתכת. תרמיסטורים זמינים בצורות כדוריות, רדיאליות ו-SMD. חרוזי התרמיסטור מצופים אפוקסי או עטופים בזכוכית להגנה נוספת. תרמיסטורים כדוריים מצופים אפוקסי, תרמיסטורים רדיאליים ועיליים מתאימים לטמפרטורות של עד 150 מעלות צלזיוס. תרמיסטורים מחרוזי זכוכית מתאימים למדידת טמפרטורות גבוהות. כל סוגי הציפויים/האריזה מגנים גם מפני קורוזיה. לחלק מהתרמיסטורים יהיו גם מעטפות נוספות להגנה נוספת בסביבות קשות. לתרמיסטורים מחרוזים יש זמן תגובה מהיר יותר מאשר לתרמיסטורים רדיאליים/SMD. עם זאת, הם אינם עמידים באותה מידה. לכן, סוג התרמיסטור בו נעשה שימוש תלוי ביישום הסופי ובסביבה בה ממוקם התרמיסטור. היציבות ארוכת הטווח של תרמיסטור תלויה בחומר שלו, באריזה ובעיצוב שלו. לדוגמה, תרמיסטור NTC מצופה אפוקסי יכול להשתנות ב-0.2 מעלות צלזיוס בשנה, בעוד שתרמיסטור אטום משתנה רק ב-0.02 מעלות צלזיוס בשנה.
תרמיסטורים מגיעים ברמות דיוק שונות. לתרמיסטורים סטנדרטיים יש בדרך כלל דיוק של 0.5°C עד 1.5°C. לדירוג התנגדות התרמיסטור ולערך הבטא (יחס של 25°C עד 50°C/85°C) יש סובלנות. שימו לב שערך הבטא של התרמיסטור משתנה בהתאם ליצרן. לדוגמה, לתרמיסטורים NTC של 10 kΩ מיצרנים שונים יהיו ערכי בטא שונים. עבור מערכות מדויקות יותר, ניתן להשתמש בתרמיסטורים כמו סדרת Omega™ 44xxx. יש להם דיוק של 0.1°C או 0.2°C בטווח טמפרטורות של 0°C עד 70°C. לכן, טווח הטמפרטורות שניתן למדוד והדיוק הנדרש בטווח טמפרטורות זה קובעים האם התרמיסטורים מתאימים ליישום זה. שימו לב שככל שדיוק סדרת Omega 44xxx גבוה יותר, כך העלות גבוהה יותר.
כדי להמיר התנגדות למעלות צלזיוס, משתמשים בדרך כלל בערך בטא. ערך הבטא נקבע על ידי הכרת שתי נקודות הטמפרטורה וההתנגדות המתאימה בכל נקודת טמפרטורה.
RT1 = התנגדות טמפרטורה 1 RT2 = התנגדות טמפרטורה 2 T1 = טמפרטורה 1 (K) T2 = טמפרטורה 2 (K)
המשתמש משתמש בערך הבטא הקרוב ביותר לטווח הטמפרטורות בו נעשה שימוש בפרויקט. רוב גיליונות הנתונים של התרמיסטור מפרטים ערך בטא יחד עם סבילות התנגדות ב-25°C וסבילות לערך הבטא.
תרמיסטורים בעלי דיוק גבוה יותר ופתרונות סיום מדויקים במיוחד, כגון סדרת Omega 44xxx, משתמשים במשוואת שטיינהרט-הארט כדי להמיר התנגדות למעלות צלזיוס. משוואה 2 דורשת את שלושת הקבועים A, B ו-C, שוב המסופקים על ידי יצרן החיישן. מכיוון שמקדמי המשוואה נוצרים באמצעות שלוש נקודות טמפרטורה, המשוואה המתקבלת ממזערת את השגיאה הנגרמת על ידי לינאריזציה (בדרך כלל 0.02 מעלות צלזיוס).
A, B ו-C הם קבועים הנגזרים משלוש נקודות טמפרטורה מוגדרות. R = התנגדות תרמיסטור באוהם T = טמפרטורה ב-K מעלות
איור 3 מציג את עירור הזרם של החיישן. זרם הנעה מופעל על התרמיסטור ואותו זרם מופעל על נגד מדויק; נגד מדויק משמש כערך ייחוס למדידה. ערך נגד הייחוס חייב להיות גדול או שווה לערך הגבוה ביותר של התנגדות התרמיסטור (בהתאם לטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדה במערכת).
בעת בחירת זרם העירור, יש לקחת בחשבון שוב את ההתנגדות המקסימלית של התרמיסטור. זה מבטיח שהמתח על פני החיישן ונגד הייחוס יהיה תמיד ברמה המקובלת על האלקטרוניקה. מקור זרם השדה דורש התאמה מסוימת של מרווח גובה או יציאה. אם לתרמיסטור יש התנגדות גבוהה בטמפרטורה הנמוכה ביותר הניתנת למדידה, הדבר יביא לזרם הנעה נמוך מאוד. לכן, המתח שנוצר על פני התרמיסטור בטמפרטורה גבוהה הוא קטן. ניתן להשתמש בשלבי הגברה ניתנים לתכנות כדי לייעל את המדידה של אותות ברמה נמוכה אלה. עם זאת, יש לתכנת את ההגבר באופן דינמי מכיוון שרמת האות מהתרמיסטור משתנה מאוד עם הטמפרטורה.
אפשרות נוספת היא להגדיר את ההגבר אך להשתמש בזרם הנעה דינמי. לכן, כאשר רמת האות מהתרמיסטור משתנה, ערך זרם ההנעה משתנה באופן דינמי כך שהמתח הנוצר על פני התרמיסטור יהיה בטווח הקלט שצוין של ההתקן האלקטרוני. על המשתמש לוודא שהמתח הנוצר על פני נגד הייחוס נמצא גם הוא ברמה המקובלת על האלקטרוניקה. שתי האפשרויות דורשות רמת בקרה גבוהה וניטור מתמיד של המתח על פני התרמיסטור כדי שהאלקטרוניקה תוכל למדוד את האות. האם יש אפשרות קלה יותר? שקול עירור מתח.
כאשר מתח ישר מופעל על התרמיסטור, הזרם דרך התרמיסטור משתנה אוטומטית ככל שהתנגדות התרמיסטור משתנה. כעת, באמצעות נגד מדידה מדויק במקום נגד ייחוס, מטרתו היא לחשב את הזרם הזורם דרך התרמיסטור, ובכך לאפשר חישוב התנגדות התרמיסטור. מכיוון שמתח ההינע משמש גם כאות ייחוס של ה-ADC, אין צורך בדרגת הגבר. למעבד אין את תפקיד ניטור מתח התרמיסטור, קביעת האם ניתן למדוד את רמת האות על ידי האלקטרוניקה, וחישוב איזה ערך הגבר/זרם של ההינע צריך להיות מותאם. זוהי השיטה בה נעשה שימוש במאמר זה.
אם לתרמיסטור יש דירוג התנגדות וטווח התנגדות קטנים, ניתן להשתמש בעירור מתח או זרם. במקרה זה, ניתן לקבוע את זרם ההנעה וההגבר. לפיכך, המעגל יהיה כפי שמוצג באיור 3. שיטה זו נוחה בכך שניתן לשלוט בזרם דרך החיישן ונגד הייחוס, דבר בעל ערך ביישומים בעלי הספק נמוך. בנוסף, החימום העצמי של התרמיסטור ממוזער.
עירור מתח יכול לשמש גם עבור תרמיסטורים בעלי דירוגי התנגדות נמוכים. עם זאת, על המשתמש לוודא תמיד שהזרם דרך החיישן אינו גבוה מדי עבור החיישן או היישום.
עירור מתח מפשט את היישום בעת שימוש בתרמיסטור בעל דירוג התנגדות גדול וטווח טמפרטורות רחב. התנגדות נומינלית גדולה יותר מספקת רמה מקובלת של זרם מדורג. עם זאת, מתכננים צריכים לוודא שהזרם נמצא ברמה מקובלת על פני כל טווח הטמפרטורות הנתמך על ידי היישום.
ממירי ADC מסוג סיגמא-דלתא מציעים מספר יתרונות בעת תכנון מערכת מדידה של תרמיסטור. ראשית, מכיוון שממיר ה-ADC מסוג סיגמא-דלתא דוגם מחדש את הקלט האנלוגי, הסינון החיצוני נשמר למינימום והדרישה היחידה היא מסנן RC פשוט. הם מספקים גמישות בסוג המסנן ובקצב השידור של הפלט. ניתן להשתמש בסינון דיגיטלי מובנה כדי לדכא כל הפרעה במכשירים המופעלים על ידי רשת החשמל. להתקני 24 סיביות כמו AD7124-4/AD7124-8 יש רזולוציה מלאה של עד 21.7 סיביות, כך שהם מספקים רזולוציה גבוהה.
השימוש ב-ADC סיגמא-דלתא מפשט מאוד את תכנון התרמיסטור תוך צמצום המפרט, עלות המערכת, שטח הלוח וזמן היציאה לשוק.
מאמר זה משתמש ב-AD7124-4/AD7124-8 כ-ADC מכיוון שהם ADCs מדויקים בעלי רעש נמוך, זרם נמוך, עם PGA מובנה, ייחוס מובנה, קלט אנלוגי וחוצץ ייחוס.
בין אם אתם משתמשים בזרם הנעה או במתח הנעה, מומלץ להשתמש בתצורה רציומטרית שבה מתח הייחוס ומתח החיישן מגיעים מאותו מקור הנעה. משמעות הדבר היא שכל שינוי במקור העירור לא ישפיע על דיוק המדידה.
איור 5 מציג את זרם ההינע הקבוע עבור התרמיסטור והנגד המדויק RREF, המתח הנפתח על פני RREF הוא מתח הייחוס למדידת התרמיסטור.
זרם השדה אינו חייב להיות מדויק ועשוי להיות פחות יציב מכיוון שכל שגיאה בזרם השדה תבוטל בתצורה זו. באופן כללי, עירור זרם עדיף על עירור מתח עקב בקרת רגישות מעולה וחסינות טובה יותר לרעש כאשר החיישן ממוקם במקומות מרוחקים. שיטת הטיה מסוג זה משמשת בדרך כלל עבור RTD או תרמיסטורים בעלי ערכי התנגדות נמוכים. עם זאת, עבור תרמיסטור בעל ערך התנגדות גבוה יותר ורגישות גבוהה יותר, רמת האות הנוצרת על ידי כל שינוי טמפרטורה תהיה גדולה יותר, ולכן נעשה שימוש בעירור מתח. לדוגמה, לתרמיסטור של 10 קילו-אוהם יש התנגדות של 10 קילו-אוהם ב-25°C. ב-50°C-, ההתנגדות של תרמיסטור ה-NTC היא 441.117 קילו-אוהם. זרם ההנעה המינימלי של 50 מיקרו-אמפר המסופק על ידי AD7124-4/AD7124-8 מייצר 441.117 קילו-אוהם × 50 מיקרו-אמפר = 22 וולט, שהוא גבוה מדי ומחוץ לטווח הפעולה של רוב ה-ADC הזמינים המשמשים בתחום יישום זה. תרמיסטורים בדרך כלל מחוברים או ממוקמים ליד האלקטרוניקה, כך שאין צורך בחסינות לזרם הנעה.
הוספת נגד חישה בטור כמעגל מחלק מתח תגביל את הזרם דרך התרמיסטור לערך ההתנגדות המינימלי שלו. בתצורה זו, ערך נגד החישה RSENSE חייב להיות שווה לערך התנגדות התרמיסטור בטמפרטורת ייחוס של 25°C, כך שמתח המוצא יהיה שווה לנקודת האמצע של מתח הייחוס בטמפרטורה הנומינלית שלו של 25°CC. באופן דומה, אם משתמשים בתרמיסטור של 10 קילו-אוהם עם התנגדות של 10 קילו-אוהם ב-25°C, RSENSE צריך להיות 10 קילו-אוהם. ככל שהטמפרטורה משתנה, גם התנגדות התרמיסטור NTC משתנה, וגם יחס מתח ההינע על פני התרמיסטור משתנה, וכתוצאה מכך מתח המוצא יהיה פרופורציונלי להתנגדות התרמיסטור NTC.
אם ייחוס המתח שנבחר המשמש להפעלת התרמיסטור ו/או RSENSE תואם למתח הייחוס של ה-ADC המשמש למדידה, המערכת מוגדרת למדידה רציומטרית (איור 7) כך שכל מקור מתח שגיאה הקשור לעירור יוטה להסרה.
שים לב כי נגד החישה (מונע מתח) או נגד הייחוס (מונע זרם) צריכים להיות בעלי סבילות התחלתית נמוכה וסחיפה נמוכה, מכיוון ששני המשתנים יכולים להשפיע על דיוק המערכת כולה.
בעת שימוש במספר תרמיסטורים, ניתן להשתמש במתח עירור אחד. עם זאת, לכל תרמיסטור חייב להיות נגד חישה מדויק משלו, כפי שמוצג באיור 8. אפשרות נוספת היא להשתמש במרבב חיצוני או במתג בעל התנגדות נמוכה במצב מופעל, המאפשר שיתוף של נגד חישה מדויק אחד. בתצורה זו, כל תרמיסטור זקוק לזמן התייצבות מסוים בעת המדידה.
לסיכום, בעת תכנון מערכת מדידת טמפרטורה מבוססת תרמיסטור, ישנן שאלות רבות שיש לקחת בחשבון: בחירת חיישנים, חיווט חיישנים, פשרות בבחירת רכיבים, תצורת ADC, וכיצד משתנים שונים אלה משפיעים על הדיוק הכולל של המערכת. המאמר הבא בסדרה זו מסביר כיצד למטב את תכנון המערכת ואת תקציב שגיאות המערכת הכולל כדי להשיג את ביצועי היעד שלך.