אופטימיזציה של מערכות מדידת טמפרטורה מבוססות תרמיסטור: אתגר

זהו המאמר הראשון בסדרה בת שני חלקים. מאמר זה ידון תחילה באתגרי ההיסטוריה והעיצוב שלטמפרטורה מבוססת תרמיסטורמערכות מדידה, כמו גם השוואתן למערכות מדידת טמפרטורה של מדחום התנגדות (RTD). זה גם יתאר את בחירת התרמיסטור, פשרות תצורה, ואת החשיבות של ממירים אנלוגיים לדיגיטליים של סיגמא-דלתא (ADC) באזור יישום זה. המאמר השני יפרט כיצד לייעל ולהעריך את מערכת המדידה הסופית מבוססת תרמיסטור.
כפי שתואר בסדרת המאמרים הקודמת, Optimizing RTD Temperature Sensor Systems, RTD הוא נגד שההתנגדות שלו משתנה עם הטמפרטורה. תרמיסטורים פועלים באופן דומה ל- RTDs. שלא כמו RTDs, שיש להם רק מקדם טמפרטורה חיובי, לתרמיסטור יכול להיות מקדם טמפרטורה חיובי או שלילי. תרמיסטורים של מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) מפחיתים את ההתנגדות שלהם עם עליית הטמפרטורה, בעוד תרמיסורים מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) מגבירים את ההתנגדות שלהם עם עליית הטמפרטורה. על איור. 1 מציג את מאפייני התגובה של תרמיסטורי NTC ו-PTC טיפוסיים ומשווה אותם לעקומות RTD.
במונחים של טווח טמפרטורות, עקומת ה-RTD היא כמעט ליניארית, והחיישן מכסה טווח טמפרטורות רחב בהרבה מתרמיסטורים (בדרך כלל -200 מעלות צלזיוס עד +850 מעלות צלזיוס) בשל האופי הלא ליניארי (מעריכי) של התרמיסטור. RTDs מסופקים בדרך כלל בעקומות סטנדרטיות ידועות, בעוד עקומות תרמיסטור משתנות בהתאם ליצרן. נדון בכך בפירוט בחלק המדריך לבחירת תרמיסטור 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 RTDs, ומספקים משוב מהיר יותר. לכן, תרמיסטורים משמשים בדרך כלל חיישנים ביישומים הדורשים עלות נמוכה, גודל קטן, תגובה מהירה יותר, רגישות גבוהה יותר וטווח טמפרטורות מוגבל, כגון בקרת אלקטרוניקה, בקרת בית ובקרה, מעבדות מדעיות או פיצוי צומת קר עבור צמדים תרמיים במסחר או יישומים תעשייתיים. מטרות. יישומים.
ברוב המקרים, תרמיסטורים NTC משמשים למדידת טמפרטורה מדויקת, לא תרמיסטורי PTC. ישנם תרמיסטורי PTC זמינים שיכולים לשמש במעגלי הגנה מפני זרם יתר או כנתיכים הניתנים לאיפוס עבור יישומי בטיחות. עקומת ההתנגדות-טמפרטורה של תרמיסטור PTC מציגה אזור NTC קטן מאוד לפני ההגעה לנקודת המעבר (או נקודת ה- Curie), שמעליה ההתנגדות עולה בחדות במספר סדרי גודל בטווח של כמה מעלות צלזיוס. בתנאי זרם יתר, התרמיסטור PTC יפיק חימום עצמי חזק כאשר חריגה מטמפרטורת המיתוג, וההתנגדות שלו תעלה בחדות, מה שיפחית את זרם הכניסה למערכת, ובכך ימנע נזק. נקודת המיתוג של תרמיסטורי 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, שבדרך כלל יכולים למדוד או לנטר טמפרטורות הנעות בין -80°C ל-+150°C. לתרמיסטורים NTC יש דירוגי התנגדות הנעים בין כמה אוהם ל-10 MΩ ב-25°C. כפי שמוצג באיור. 1, השינוי בהתנגדות למעלה צלזיוס עבור תרמיסטורים בולט יותר מאשר עבור מדי חום התנגדות. בהשוואה לתרמיסטורים, הרגישות הגבוהה וערך ההתנגדות הגבוה של התרמיסטור מפשטים את מעגלי הקלט שלו, שכן תרמיסטורים אינם דורשים שום תצורת חיווט מיוחדת, כגון 3 או 4 חוטים, כדי לפצות על התנגדות העופרת. עיצוב התרמיסטור משתמש רק בתצורה פשוטה של ​​2 חוטים.
מדידת טמפרטורה מבוססת תרמיסטור מדויקת דורשת עיבוד אותות מדויק, המרה אנלוגית לדיגיטלית, לינאריזציה ופיצוי, כפי שמוצג באיור. 2.
למרות ששרשרת האותות עשויה להיראות פשוטה, ישנן מספר מורכבויות שמשפיעות על הגודל, העלות והביצועים של לוח האם כולו. תיק ה-ADC המדויק של ADI כולל מספר פתרונות משולבים, כגון AD7124-4/AD7124-8, המספקים מספר יתרונות לתכנון מערכת תרמית שכן רוב אבני הבניין הדרושות ליישום מובנות. עם זאת, ישנם אתגרים שונים בתכנון ואופטימיזציה של פתרונות מדידת טמפרטורה מבוססי תרמיסטור.
מאמר זה דן בכל אחת מהנושאים הללו ומספק המלצות לפתרונן ולפישוט נוסף של תהליך התכנון של מערכות כאלה.
יש מגוון רחב שלתרמיסטורים NTCבשוק היום, אז בחירת התרמיסטור המתאים ליישום שלך יכולה להיות משימה לא פשוטה. שימו לב שתרמיסטורים מופיעים לפי הערך הנומינלי שלהם, שהוא ההתנגדות הנומינלית שלהם ב-25 מעלות צלזיוס. לכן, לתרמיסטור של 10 kΩ יש התנגדות נומינלית של 10 kΩ ב-25 מעלות צלזיוס. לתרמיסטורים יש ערכי התנגדות נומינליים או בסיסיים הנעים בין כמה אוהם ל-10 MΩ. תרמיסטורים עם דירוגי התנגדות נמוכים (התנגדות נומינלית של 10 kΩ או פחות) תומכים בדרך כלל בטווחי טמפרטורות נמוכים יותר, כגון -50°C עד +70°C. תרמיסטורים בעלי דירוג התנגדות גבוה יותר יכולים לעמוד בטמפרטורות של עד 300 מעלות צלזיוס.
אלמנט התרמיסטור עשוי תחמוצת מתכת. תרמיסטורים זמינים בצורות כדור, רדיאלי ו-SMD. חרוזי תרמיסטור מצופים באפוקסי או מכוסים בזכוכית להגנה נוספת. תרמיסטורים כדוריים מצופים אפוקסי, תרמיסטורים רדיאליים ומשטחים מתאימים לטמפרטורות של עד 150 מעלות צלזיוס. תרמיסטור חרוזי זכוכית מתאימים למדידת טמפרטורות גבוהות. כל סוגי הציפויים/אריזה מגנים גם מפני קורוזיה. לתרמיסטורים מסוימים יהיו גם תאים נוספים להגנה נוספת בסביבות קשות. לתרמיסטורים של חרוזים יש זמן תגובה מהיר יותר מאשר לתרמיסטורים רדיאליים/SMD. עם זאת, הם לא כל כך עמידים. לכן, סוג התרמיסטור בו נעשה שימוש תלוי ביישום הסופי ובסביבה בה נמצא התרמיסטור. היציבות ארוכת הטווח של תרמיסטור תלויה בחומר, באריזה ובעיצוב שלו. לדוגמה, תרמיסטור NTC מצופה אפוקסי יכול לשנות 0.2 מעלות צלזיוס בשנה, בעוד תרמיסטור אטום משתנה רק 0.02 מעלות צלזיוס בשנה.
תרמיסטורים מגיעים בדיוק שונה. תרמיסטורים סטנדרטיים הם בדרך כלל בעלי דיוק של 0.5 מעלות צלזיוס עד 1.5 מעלות צלזיוס. לדירוג ההתנגדות לתרמיסטור ולערך בטא (יחס של 25°C עד 50°C/85°C) יש סובלנות. שימו לב שערך הבטא של התרמיסטור משתנה לפי יצרן. לדוגמה, תרמיסטורים NTC של 10 kΩ מיצרנים שונים יהיו בעלי ערכי בטא שונים. למערכות מדויקות יותר, ניתן להשתמש בתרמיסטורים כגון 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 הטמפרטורות הזה קובע אם תרמיסטורים מתאימים ליישום זה. שימו לב שככל שהדיוק של סדרת אומגה 44xxx גבוה יותר, כך העלות גבוהה יותר.
כדי להמיר התנגדות למעלות צלזיוס, משתמשים בדרך כלל בערך הבטא. 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 גליונות הנתונים של התרמיסטור מציגים ערך בטא יחד עם סובלנות התנגדות ב-25°C וסובלנות לערך בטא.
תרמיסטורים דיוק גבוה יותר ופתרונות סיום דיוק גבוה כגון סדרת Omega 44xxx משתמשים במשוואת Steinhart-Hart כדי להמיר התנגדות למעלות צלזיוס. משוואה 2 דורשת את שלושת הקבועים A, B ו-C, שוב מסופקים על ידי יצרן החיישנים. מכיוון שמקדמי המשוואה נוצרים באמצעות שלוש נקודות טמפרטורה, המשוואה המתקבלת ממזערת את השגיאה שהוצגה על ידי ליניאריזציה (בדרך כלל 0.02 מעלות צלזיוס).
A, B ו-C הם קבועים הנגזרים משלוש נקודות קביעת טמפרטורה. R = התנגדות תרמיסטור באוהם T = טמפרטורה ב-K מעלות
על איור. 3 מציג את העירור הנוכחי של החיישן. זרם הכונן מופעל על התרמיסטור ואותו זרם מופעל על הנגד המדויק; נגד דיוק משמש כאסמכתא למדידה. הערך של הנגד 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 החיישן ונגד הייחוס תמיד ברמה המקובלת על האלקטרוניקה. מקור זרם השדה דורש התאמה מסוימת של מרווח ראש או פלט. אם לתרמיסטור יש התנגדות גבוהה בטמפרטורה הנמוכה ביותר הניתנת למדידה, הדבר יגרום לזרם הנעה נמוך מאוד. לכן, המתח שנוצר על פני התרמיסטור בטמפרטורה גבוהה הוא קטן. ניתן להשתמש בשלבי ההגברה הניתנים לתכנות כדי לייעל את המדידה של אותות ברמה נמוכה אלו. עם זאת, הרווח חייב להיות מתוכנת באופן דינמי מכיוון שרמת האות מהתרמיסטור משתנה מאוד עם הטמפרטורה.
אפשרות נוספת היא להגדיר את הרווח אך להשתמש בזרם כונן דינמי. לכן, ככל שרמת האות מהתרמיסטור משתנה, ערך זרם הכונן משתנה באופן דינמי כך שהמתח שפותח על פני התרמיסטור נמצא בטווח הקלט שצוין של המכשיר האלקטרוני. על המשתמש לוודא שהמתח שפותח על פני הנגד הייחוס הוא גם ברמה המקובלת על האלקטרוניקה. שתי האפשרויות דורשות רמה גבוהה של בקרה, ניטור מתמיד של המתח על פני התרמיסטור כדי שהאלקטרוניקה תוכל למדוד את האות. האם יש אפשרות קלה יותר? שקול עירור מתח.
כאשר מתח DC מופעל על התרמיסטור, הזרם דרך התרמיסטור משתנה באופן אוטומטי כאשר ההתנגדות של התרמיסטור משתנה. כעת, באמצעות נגד מדידה מדויק במקום נגד ייחוס, מטרתו היא לחשב את הזרם הזורם דרך התרמיסטור, ובכך לאפשר את חישוב התנגדות התרמיסטור. מכיוון שמתח ההנעה משמש גם כאות הייחוס של ADC, אין צורך בשלב ההגברה. למעבד אין את העבודה לנטר את מתח התרמיסטור, לקבוע אם ניתן למדוד את רמת האות על ידי האלקטרוניקה, ולחשב איזה ערך רווח/זרם של הכונן צריך להיות מותאם. זו השיטה בה משתמשים במאמר זה.
אם לתרמיסטור יש דירוג התנגדות וטווח התנגדות קטנים, ניתן להשתמש במתח או בעירור זרם. במקרה זה, ניתן לתקן את זרם הכונן והרווח. לפיכך, המעגל יהיה כפי שמוצג באיור 3. שיטה זו נוחה בכך שניתן לשלוט בזרם דרך החיישן ונגד הייחוס, שהוא בעל ערך ביישומי הספק נמוך. בנוסף, החימום העצמי של התרמיסטור ממוזער.
עירור מתח יכול לשמש גם עבור תרמיסטורים עם דירוגי התנגדות נמוכים. עם זאת, המשתמש חייב תמיד לוודא 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 נקוב. עם זאת, מעצבים צריכים להבטיח שהזרם יהיה ברמה מקובלת על פני כל טווח הטמפרטורות הנתמך על ידי האפליקציה.
Sigma-Delta ADCs מציעים מספר יתרונות בעת תכנון מערכת מדידה תרמיסטור. ראשית, מכיוון שה-sigma-delta ADC דוגם מחדש את הקלט האנלוגי, הסינון החיצוני נשמר למינימום והדרישה היחידה היא מסנן RC פשוט. הם מספקים גמישות בסוג המסנן ובקצב ההחזרה של הפלט. ניתן להשתמש בסינון דיגיטלי מובנה כדי לדכא כל הפרעה במכשירים המופעלים על רשת החשמל. התקני 24 סיביות כגון AD7124-4/AD7124-8 הם בעלי רזולוציה מלאה של עד 21.7 סיביות, כך שהם מספקים רזולוציה גבוהה.
השימוש ב-sigma-delta ADC מפשט מאוד את תכנון התרמיסטור תוך הפחתת המפרט, עלות המערכת, שטח הלוח והזמן לשוק.
מאמר זה משתמש ב-AD7124-4/AD7124-8 כ-ADC מכיוון שהם רעש נמוך, זרם נמוך, ADC מדויק עם PGA מובנה, התייחסות מובנית, קלט אנלוגי ומאגר התייחסות.
לא משנה אם אתה משתמש בזרם כונן או במתח כונן, מומלצת תצורה יחסית שבה מתח הייחוס ומתח החיישן מגיעים מאותו מקור כונן. המשמעות היא שכל שינוי במקור העירור לא ישפיע על דיוק המדידה.
על איור. 5 מציג את זרם ההנעה הקבוע עבור התרמיסטור ונגד הדיוק RREF, המתח שפותח על פני RREF הוא מתח הייחוס למדידת התרמיסטור.
זרם השדה אינו צריך להיות מדויק ועשוי להיות פחות יציב מכיוון שכל השגיאות בזרם השדה יבוטלו בתצורה זו. בדרך כלל, עירור זרם מועדף על פני עירור מתח בשל בקרת רגישות מעולה וחסינות טובה יותר לרעש כאשר החיישן ממוקם במקומות מרוחקים. סוג זה של שיטת הטיה משמש בדרך כלל עבור RTDs או thermistors עם ערכי התנגדות נמוכים. עם זאת, עבור תרמיסטור עם ערך התנגדות גבוה יותר ורגישות גבוהה יותר, רמת האות שנוצרת על ידי כל שינוי טמפרטורה תהיה גדולה יותר, ולכן נעשה שימוש בעוררות מתח. לדוגמה, לתרמיסטור של 10 kΩ יש התנגדות של 10 kΩ ב-25 מעלות צלזיוס. ב-50 מעלות צלזיוס, ההתנגדות של תרמיסטור NTC היא 441.117 kΩ. זרם הכונן המינימלי של 50 µA המסופק על ידי AD7124-4/AD7124-8 מייצר 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, שהוא גבוה מדי ומחוץ לטווח הפעולה של רוב ה-ADCs הזמינים המשמשים באזור יישום זה. תרמיסטורים מחוברים בדרך כלל או ממוקמים ליד האלקטרוניקה, כך שחסינות להנעת זרם אינה נדרשת.
הוספת נגד חישה בסדרה כמעגל מחלק מתח תגביל את הזרם דרך התרמיסטור לערך ההתנגדות המינימלי שלו. בתצורה זו, הערך של 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. 25°CC באופן דומה, אם נעשה שימוש בתרמיסטור של 10 kΩ עם התנגדות של 10 kΩ ב-25°C, RSENSE צריך להיות 10 kΩ. ככל שהטמפרטורה משתנה, משתנה גם ההתנגדות של תרמיסטור NTC, וגם היחס בין מתח ההנעה על פני התרמיסטור משתנה, וכתוצאה מכך מתח המוצא פרופורציונלי להתנגדות התרמיסטור NTC.
אם התייחסות המתח שנבחרה המשמשת להפעלת התרמיסטור ו/או RSENSE תואמת את מתח הייחוס של ה-ADC המשמש למדידה, המערכת מוגדרת למדידה יחס (איור 7) כך שכל מקור מתח שגיאה הקשור לעירור יהיה מוטה להסרה.
שימו לב שנגד החישה (מונע במתח) או נגד הייחוס (מונע זרם) צריכים להיות בעלי סובלנות ראשונית נמוכה וסחיפה נמוכה, מכיוון ששני המשתנים יכולים להשפיע על הדיוק של 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. עם תצורה זו, כל תרמיסטור זקוק לזמן התייצבות בזמן מדידה.
לסיכום, בעת תכנון מערכת מדידת טמפרטורה מבוססת תרמיסטור, ישנן שאלות רבות שיש לקחת בחשבון: בחירת חיישנים, חיווט חיישנים, פשרות לבחירת רכיבים, תצורת ADC וכיצד משתנים שונים אלו משפיעים על הדיוק הכולל של המערכת. המאמר הבא בסדרה זו מסביר כיצד לייעל את עיצוב המערכת ואת תקציב השגיאות הכולל של המערכת כדי להשיג את ביצועי היעד.