מיטוב מערכות מדידת טמפרטורה מבוססות תרמיסטור: אתגר

זהו המאמר הראשון בסדרה של שני חלקים. מאמר זה ידון תחילה בהיסטוריה ובאתגרי העיצוב שלטמפרטורה מבוססת תרמיסטורמערכות מדידה, כמו גם ההשוואה שלהן למערכות מדידת טמפרטורת מדחום התנגדות (RTD). זה יתאר גם את הבחירה בתרמיסטור, פיצויים בתצורה ואת החשיבות של ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים של סיגמא-דלטה (ADCs) בתחום יישום זה. המאמר השני יפרט כיצד לייעל ולהעריך את מערכת המדידה הסופית מבוססת תרמיסטור.
כמתואר בסדרות המאמרים הקודמות, מיטוב מערכות חיישני טמפרטורת RTD, RTD הוא נגן שההתנגדות שלו משתנה עם הטמפרטורה. תרמיסטורים עובדים באופן דומה ל- RTDs. בניגוד ל- RTDs, שיש להם רק מקדם טמפרטורה חיובי, תרמיסטור יכול להיות מקדם טמפרטורה חיובי או שלילי. תרמיסטורים של מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) מורידים את ההתנגדות שלהם ככל שהטמפרטורה עולה, ואילו תרמיסטורי מקדם טמפרטורה חיוביים (PTC) מגדילים את ההתנגדות שלהם ככל שהטמפרטורה עולה. באיור. 1 מציג את מאפייני התגובה של תרמיסטורים NTC ו- PTC טיפוסיים ומשווה אותם לעקומות RTD.
מבחינת טווח הטמפרטורות, עקומת ה- RTD כמעט ליניארית, והחיישן מכסה טווח טמפרטורה רחב בהרבה מאשר תרמיסטורים (בדרך כלל -200 מעלות צלזיוס עד +850 מעלות צלזיוס) בגלל האופי הלא -לינארי (האקספוננציאלי) של התרמיסטור. RTDs מסופקים בדרך כלל בעקומות סטנדרטיות ידועות, ואילו עקומות התרמיסטור משתנות לפי היצרן. נדון בכך בפירוט בסעיף מדריך הבחירות של Thermistor במאמר זה.
תרמיסטורים מיוצרים מחומרים מורכבים, בדרך כלל קרמיקה, פולימרים או מוליכים למחצה (בדרך כלל תחמוצות מתכת) ומתכות טהורות (פלטינה, ניקל או נחושת). תרמיסטורים יכולים לאתר שינויי טמפרטורה מהר יותר מ- RTDs, ולספק משוב מהיר יותר. לפיכך, תרמיסטורים משמשים לרוב על ידי חיישנים ביישומים הדורשים עלות נמוכה, גודל קטן, תגובה מהירה יותר, רגישות גבוהה יותר וטווח טמפרטורות מוגבל, כגון בקרת אלקטרוניקה, בקרת בית ובנייה, מעבדות מדעיות, או פיצוי צומת קר עבור צמד תרמי ביישומים מסחריים או תעשייתיים. מטרות. יישומים.
ברוב המקרים, תרמיסטורים של NTC משמשים למדידת טמפרטורה מדויקת, ולא תרמיסטורים PTC. קיימים כמה תרמיסטורים של PTC שניתן להשתמש בהם במעגלי הגנה על זרם יתר או כנתיכים הניתנים להתייצבות מחדש ליישומי בטיחות. עקומת טמפרטורת ההתנגדות של תרמיסטור PTC מציגה אזור NTC קטן מאוד לפני שמגיעים לנקודת המתג (או נקודת הקארי), שמעליה ההתנגדות עולה בחדות על ידי מספר סדרי גודל בטווח של כמה מעלות צלזיוס. בתנאים זרם יתר, תרמיסטור PTC יפיק חימום עצמי חזק כאשר חריגה בטמפרטורת המיתוג, והתנגדותו תעלה בחדות, מה שיפחית את זרם הקלט למערכת, ובכך ימנע נזק. נקודת המיתוג של תרמיסטורים PTC היא בדרך כלל בין 60 מעלות צלזיוס ל 120 מעלות צלזיוס ואינה מתאימה לבקרת מדידות טמפרטורה במגוון רחב של יישומים. מאמר זה מתמקד בתרמיסטורים של NTC, שיכולים בדרך כלל למדוד או לפקח על טמפרטורות הנעות בין -80 מעלות צלזיוס ל- +150 מעלות צלזיוס. לתרמיסטורים של NTC יש דירוגי התנגדות הנעים בין כמה אוהם ל -10 MΩ ב 25 מעלות צלזיוס. כפי שמוצג באיור. 1, שינוי ההתנגדות לכל מעלות צלזיוס עבור תרמיסטורים בולט יותר מאשר עבור חום התנגדות. בהשוואה לתרמיסטורים, הרגישות הגבוהה של התרמיסטור וערך ההתנגדות הגבוה מפשטים את מעגלי הקלט שלו, מכיוון שמרמיסטורים אינם דורשים תצורת חיווט מיוחדת, כגון 3 חוטים או 4 חוטים, כדי לפצות על עמידות בפני עופרת. עיצוב התרמיסטור משתמש רק בתצורה פשוטה של ​​2 חוטים.
מדידת טמפרטורה מבוססת תרמיסטור בעלת דיוק גבוה דורשת עיבוד אותות מדויק, המרה אנלוגית לדיגיטלית, לינאריזציה ופיצוי, כפי שמוצג באיור. 2.
למרות ששרשרת האותות עשויה להיראות פשוטה, ישנם כמה מורכבות המשפיעות על גודל, עלות וביצוע של לוח האם כולו. תיק ה- ADC של ADI של ADI כולל מספר פתרונות משולבים, כמו AD7124-4/AD7124-8, המספקים מספר יתרונות לתכנון מערכת תרמית שכן מרבית אבני הבניין הדרושות ליישום מובנות. עם זאת, ישנם אתגרים שונים בעיצוב ובמיטוב של פתרונות מדידת טמפרטורה מבוססי תרמיסטור.
מאמר זה דן בכל אחד מהנושאים הללו ומספק המלצות לפיתרוןם ולפישוט עוד יותר את תהליך העיצוב של מערכות כאלה.
יש מגוון רחב שלתרמיסטורים NTCבשוק כיום, ולכן בחירת התרמיסטור המתאים ליישום שלך יכולה להיות משימה מפחידה. שימו לב כי תרמיסטורים רשומים לפי הערך הנומינלי שלהם, שהוא ההתנגדות הנומינלית שלהם בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. לפיכך, לתרמיסטור של 10 ק"ג יש התנגדות נומינלית של 10 קילו ב 25 מעלות צלזיוס. לתרמיסטורים ערכי התנגדות נומינליים או בסיסיים הנעים בין כמה אוהם ל 10 MΩ. תרמיסטורים עם דירוגי התנגדות נמוכים (התנגדות נומינלית של 10 קילוגרם או פחות) תומכים בדרך כלל בטווחי טמפרטורה נמוכים יותר, כגון -50 מעלות צלזיוס ל- +70 מעלות צלזיוס. תרמיסטורים עם דירוג התנגדות גבוה יותר יכולים לעמוד בטמפרטורות של עד 300 מעלות צלזיוס.
אלמנט התרמיסטור עשוי תחמוצת מתכת. תרמיסטורים זמינים בצורות כדור, רדיאליות ו- SMD. חרוזי תרמיסטור הם מצופים אפוקסי או זכוכית מכוסה להגנה נוספת. תרמיסטורי כדור מצופה אפוקסי, תרמיסטורים רדיאליים ומשטח מתאימים לטמפרטורות של עד 150 מעלות צלזיוס. תרמיסטורי חרוז זכוכית מתאימים למדידת טמפרטורות גבוהות. כל סוגי הציפויים/האריזה מגנים גם מפני קורוזיה. בחלק מהתרמיסטורים יש גם בתי מגורים נוספים להגנה נוספת בסביבות קשות. לתרמיסטורי חרוזים זמן תגובה מהיר יותר מאשר תרמיסטורים רדיאליים/SMD. עם זאת, הם אינם עמידים. לפיכך, סוג התרמיסטור המשמש תלוי ביישום הקצה ובסביבה בה נמצא התרמיסטור. היציבות לטווח הארוך של תרמיסטור תלויה בחומר, באריזה ובעיצוב שלו. לדוגמה, תרמיסטור NTC מצופה אפוקסי יכול להשתנות 0.2 מעלות צלזיוס לשנה, ואילו תרמיסטור אטום משתנה רק 0.02 מעלות צלזיוס לשנה.
תרמיסטורים מגיעים ברמת דיוק שונה. בדרך כלל יש דיוק של תרמיסטורים סטנדרטיים של 0.5 מעלות צלזיוס עד 1.5 מעלות צלזיוס. לדירוג ההתנגדות התרמיסטור וערך הבטא (יחס של 25 מעלות צלזיוס עד 50 מעלות צלזיוס/85 מעלות צלזיוס) סובלנות. שים לב שערך הבטא של התרמיסטור משתנה לפי היצרן. לדוגמה, ל -10 kΩ תרמיסטורים NTC של יצרנים שונים יהיו בעלי ערכי בטא שונים. עבור מערכות מדויקות יותר, ניתן להשתמש בתרמיסטורים כמו סדרת Omega ™ 44xxx. יש להם דיוק של 0.1 מעלות צלזיוס או 0.2 מעלות צלזיוס בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס עד 70 מעלות צלזיוס. לפיכך, טווח הטמפרטורות הניתנות למדוד והדיוק הנדרש על פני טווח טמפרטורות קובע אם תרמיסטורים מתאימים ליישום זה. שימו לב שככל שהדיוק של סדרת אומגה 44xxx גבוהה יותר, כך העלות גבוהה יותר.
כדי להמיר התנגדות למעלות צלזיוס, בדרך כלל משתמשים בערך הבטא. ערך הבטא נקבע על ידי הכרת שתי נקודות הטמפרטורה וההתנגדות המתאימה בכל נקודת טמפרטורה.
RT1 = התנגדות לטמפרטורה 1 RT2 = התנגדות לטמפרטורה 2 T1 = טמפרטורה 1 (k) T2 = טמפרטורה 2 (k)
המשתמש משתמש בערך הבטא הקרוב ביותר לטווח הטמפרטורות המשמש בפרויקט. מרבית גיליונות הנתונים של Thermistor מפרטים ערך בטא יחד עם סובלנות להתנגדות ב 25 מעלות צלזיוס וסובלנות לערך הבטא.
תרמיסטורים מדויקים גבוהים יותר ופתרונות סיום דיוק גבוה כמו סדרת אומגה 44xxx משתמשים במשוואת שטיינהרט-הארט כדי להמיר את ההתנגדות למעלות צלזיוס. משוואה 2 דורשת את שלושת הקבועים A, B ו- C, שוב המסופקים על ידי יצרן החיישנים. מכיוון שמקדמי המשוואה נוצרים באמצעות שלוש נקודות טמפרטורה, המשוואה המתקבלת ממזערת את השגיאה שהוצגה על ידי לינאריזציה (בדרך כלל 0.02 מעלות צלזיוס).
A, B ו- C הם קבועים הנגזרים משלוש נקודות הגדרת טמפרטורה. R = התנגדות תרמיסטור באוהם t = טמפרטורה במעלות k
באיור. 3 מראה את העירור הנוכחי של החיישן. זרם הכונן מוחל על התרמיסטור ואותו זרם מוחל על הנגד הדיוק; נגד דיוק משמש כהפניה למדידה. הערך של נגד ההתייחסות חייב להיות גדול או שווה לערך הגבוה ביותר של ההתנגדות התרמיסטורית (תלוי בטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדת במערכת).
בבחירת זרם העירור, יש לקחת בחשבון את ההתנגדות המרבית של התרמיסטור. זה מבטיח שהמתח על פני החיישן ונגן ההתייחסות תמיד ברמה המקובלת על האלקטרוניקה. המקור הנוכחי בשדה דורש התאמת חדר ראש או פלט. אם לתרמיסטור יש התנגדות גבוהה בטמפרטורה הנמוכה ביותר למדידה, זה יביא לזרם כונן נמוך מאוד. לפיכך, המתח שנוצר על פני התרמיסטור בטמפרטורה גבוהה הוא קטן. ניתן להשתמש בשלבי רווח לתכנות כדי לייעל את המדידה של אותות רמה נמוכה אלה. עם זאת, יש לתכנת את הרווח באופן דינמי מכיוון שרמת האות מהתרמיסטור משתנה מאוד עם הטמפרטורה.
אפשרות נוספת היא להגדיר את הרווח אך השתמש בזרם הכונן הדינמי. 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 להבטיח כי המתח שפותח על פני נגדי ההתייחסות הוא גם ברמה המקובלת על האלקטרוניקה. שתי האפשרויות דורשות רמה גבוהה של בקרה, ניטור מתמיד אחר המתח על פני התרמיסטור כך שהאלקטרוניקה תוכל למדוד את האות. האם יש אפשרות קלה יותר? שקול עירור מתח.
כאשר מתח DC מוחל על התרמיסטור, הזרם דרך התרמיסטור מתרחש באופן אוטומטי ככל שההתנגדות של התרמיסטור משתנה. כעת, בעזרת נגן מדידה מדויקת במקום בנגד התייחסות, מטרתו לחשב את הזרם הזורם דרך התרמיסטור, ובכך לאפשר לחישוב התנגדות התרמיסטור. מכיוון שמתח הכונן משמש גם כאות ההתייחסות של ADC, אין צורך בשלב רווח. למעבד אין את התפקיד במעקב אחר מתח התרמיסטור, לקבוע אם ניתן למדוד את רמת האות על ידי האלקטרוניקה, ולחשב איזה רווח/ערך נוכחי יש להתאים. זוהי השיטה המשמשת במאמר זה.
אם לתרמיסטור יש דירוג התנגדות קטן וטווח התנגדות, ניתן להשתמש בעירור מתח או זרם. במקרה זה, ניתן לתקן את זרם הכונן והרווח. לפיכך, המעגל יהיה כפי שמוצג באיור 3. שיטה זו נוחה בכך שניתן לשלוט על הזרם דרך החיישן ונגן ההתייחסות, שהוא בעל ערך ביישומי הספק נמוך. בנוסף, חימום עצמי של התרמיסטור ממוזער.
עירור מתח יכול לשמש גם עבור תרמיסטורים עם דירוגי התנגדות נמוכים. עם זאת, על המשתמש תמיד להבטיח שהזרם דרך החיישן אינו גבוה מדי עבור החיישן או היישום.
עירור מתח מפשט את היישום בעת שימוש בתרמיסטור עם דירוג התנגדות גדול וטווח טמפרטורות רחב. התנגדות נומינלית גדולה יותר מספקת רמה מקובלת של זרם מדורג. עם זאת, מעצבים צריכים להבטיח שהזרם יהיה ברמה מקובלת על כל טווח הטמפרטורות הנתמך על ידי היישום.
ADCs של Sigma-Delta מציעים מספר יתרונות בעת תכנון מערכת מדידה של תרמיסטור. ראשית, מכיוון ש- ADC של Sigma-Delta מדגם מחדש את הקלט האנלוגי, סינון חיצוני נשמר למינימום והדרישה היחידה היא פילטר RC פשוט. הם מספקים גמישות בסוג המסנן ובקצב Baud פלט. ניתן להשתמש בסינון דיגיטלי מובנה כדי לדכא כל הפרעה במכשירים המופעלים על ידי חשמל. למכשירים של 24 סיביות כמו AD7124-4/AD7124-8 יש רזולוציה מלאה של עד 21.7 ביטים, כך שהם מספקים רזולוציה גבוהה.
השימוש ב- ADC של Sigma-Delta מפשט מאוד את תכנון התרמיסטור תוך הפחתת המפרט, עלות המערכת, שטח הלוח וזמן השוק.
מאמר זה משתמש ב- AD7124-4/AD7124-8 כ- ADC מכיוון שהם רעש נמוך, זרם נמוך, ADCs מדויקים עם PGA מובנה, הפניה מובנית, קלט אנלוגי ומאגר הפניה.
לא משנה אם אתה משתמש בזרם הכונן או במתח הכונן, מומלץ לתצורה יחסית של מתח ההתייחסות ומתח חיישן מגיעים מאותו מקור כונן. המשמעות היא שכל שינוי במקור העירור לא ישפיע על דיוק המדידה.
באיור. 5 מציג את זרם הכונן הקבוע עבור התרמיסטור ונגד הדיוק RREF, המתח שפותח על פני RREF הוא מתח ההתייחסות למדידת התרמיסטור.
זרם השדה אינו צריך להיות מדויק ועשוי להיות פחות יציב מכיוון שכל שגיאות בזרם השדה יבוטלו בתצורה זו. באופן כללי, העדיף עירור נוכחי על פני עירור מתח בגלל בקרת רגישות מעולה וחסינות רעש טובה יותר כאשר החיישן ממוקם במיקומים מרוחקים. שיטת הטיה מסוג זה משמשת בדרך כלל עבור RTDs או תרמיסטורים עם 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 משתמשים בעירור מתח. לדוגמה, לתרמיסטור של 10 קילו יש התנגדות של 10 קילו ב 25 מעלות צלזיוס. ב -50 מעלות צלזיוס, ההתנגדות של התרמיסטור NTC היא 441.117 קילו. זרם הכונן המינימלי של 50 μA המסופק על ידי AD7124-4/AD7124-8 מייצר 441.117 KΩ × 50 μA = 22 וולט, שהוא גבוה מדי ומחוצה לטווח ההפעלה של ה- ADCs הזמינים ביותר המשמשים באזור יישום זה. תרמיסטורים מחוברים בדרך כלל או ממוקמים בסמוך לאלקטרוניקה, ולכן אין צורך בחסינות לנהיגה בזרם.
הוספת נגדי Sense בסדרה כמעגל מחלק מתח יגביל את הזרם דרך התרמיסטור לערך ההתנגדות המינימלי שלו. בתצורה זו, הערך של הנגד החושש על הנגד צריך להיות שווה לערך ההתנגדות התרמיסטורית בטמפרטורת התייחסות של 25 מעלות צלזיוס, כך שמתח היציאה יהיה שווה לנקודת האמצע של מתח ההתייחסות בטמפרטורה הנומינלית שלו של 25 מעלות סמ"ק באופן דומה, אם נעשה שימוש ב -10 קילוגרם. ככל שהטמפרטורה משתנה, גם ההתנגדות של התרמיסטור NTC משתנה, ויחס מתח הכונן על פני התרמיסטור משתנה גם הוא, וכתוצאה מכך מתח היציאה הוא פרופורציונלי להתנגדות של התרמיסטור NTC.
אם הפניה למתח שנבחר המשמשת להפעלת התרמיסטור ו/או RSENSE תואמת את מתח ההתייחסות של ADC המשמש למדידה, המערכת מוגדרת למדידה יחסית (איור 7) כך שכל מקור מתח שגיאה הקשור לעירור יהיה מוטה להסרה.
שים לב כי נגן החוש (מונע מתח) או לנגד ההתייחסות (מונע זרם) צריך להיות בעל סובלנות ראשונית נמוכה וסחף נמוך, מכיוון ששני המשתנים יכולים להשפיע על הדיוק של המערכת כולה.
בעת שימוש במספר תרמיסטורים, ניתן להשתמש במתח עירור אחד. עם זאת, לכל תרמיסטור צריך להיות נגן תחושת דיוק משלו, כפי שמוצג באיור. 8. אפשרות נוספת היא להשתמש במולב מרבב חיצוני או במתג עמידות נמוך במצב ON, המאפשר לשתף נגן תחושת דיוק אחד. בעזרת תצורה זו, כל תרמיסטור זקוק לזמן יישוב כלשהו כשמדד.
לסיכום, בעת תכנון מערכת מדידת טמפרטורה מבוססת תרמיסטור, ישנן שאלות רבות שיש לקחת בחשבון: בחירת חיישנים, חיווט חיישנים, סחר בחירת רכיבים, תצורת ADC וכיצד משתנים שונים אלה משפיעים על הדיוק הכולל של המערכת. המאמר הבא בסדרה זו מסביר כיצד לייעל את עיצוב המערכת שלך ואת תקציב שגיאות המערכת הכולל כדי להשיג את ביצועי היעד שלך.