Este é o primeiro artigo em uma série de duas partes. Este artigo discutirá primeiro os desafios de história e design detemperatura baseada no termistorSistemas de medição, bem como sua comparação com os sistemas de medição de temperatura do termômetro de resistência (RTD). Ele também descreverá a escolha do termistor, as compensações de configuração e a importância dos conversores analógicos para digitais Sigma-Delta (ADCs) nesta área de aplicação. O segundo artigo detalhará como otimizar e avaliar o sistema de medição final baseado em termistor.
Conforme descrito na série de artigos anteriores, otimizando os sistemas de sensores de temperatura RTD, um RTD é um resistor cuja resistência varia com a temperatura. Os termistores funcionam de maneira semelhante aos RTDs. Ao contrário dos RTDs, que possuem apenas um coeficiente de temperatura positivo, um termistor pode ter um coeficiente de temperatura positivo ou negativo. Os termistores do coeficiente de temperatura negativa (NTC) diminuem sua resistência à medida que a temperatura aumenta, enquanto os termistores do coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentam sua resistência à medida que a temperatura aumenta. Na fig. 1 mostra as características de resposta dos termistores NTC e PTC típicos e os compara às curvas de RTD.
Em termos de faixa de temperatura, a curva RTD é quase linear e o sensor cobre uma faixa de temperatura muito maior que os termistores (normalmente -200 ° C a +850 ° C) devido à natureza não linear (exponencial) do termistor. Os RTDs geralmente são fornecidos em curvas padronizadas bem conhecidas, enquanto as curvas do termistor variam pelo fabricante. Discutiremos isso em detalhes na seção Guia de Seleção do Termistor deste artigo.
Os termistores são feitos de materiais compósitos, geralmente cerâmica, polímeros ou semicondutores (geralmente óxidos metálicos) e metais puros (platina, níquel ou cobre). Os termistores podem detectar mudanças de temperatura mais rapidamente que as RTDs, fornecendo feedback mais rápido. Portanto, os termistores são comumente usados por sensores em aplicações que requerem baixo custo, tamanho pequeno, resposta mais rápida, maior sensibilidade e faixa de temperatura limitada, como controle eletrônico, controle de casa e edifício, laboratórios científicos ou compensação de junção a frio para termopares em comerciais ou aplicações industriais. propósitos. Aplicações.
Na maioria dos casos, os termistores do NTC são usados para medição precisa da temperatura, não os termistores PTC. Alguns termistores de PTC estão disponíveis que podem ser usados em circuitos de proteção de sobrecorrente ou como fusíveis reastáveis para aplicações de segurança. A curva de resistência à temperatura de um termistor PTC mostra uma região NTC muito pequena antes de atingir o ponto de interruptor (ou ponto curie), acima do qual a resistência aumenta acentuadamente por várias ordens de magnitude na faixa de vários graus Celsius. Sob condições de sobrecorrente, o termistor do PTC gerará forte auto-aquecimento quando a temperatura de comutação for excedida e sua resistência aumentará acentuadamente, o que reduzirá a corrente de entrada para o sistema, impedindo os danos. O ponto de comutação dos termistores PTC é tipicamente entre 60 ° C e 120 ° C e não é adequado para controlar as medições de temperatura em uma ampla gama de aplicações. Este artigo se concentra nos termistores NTC, que normalmente podem medir ou monitorar as temperaturas que variam de -80 ° C a +150 ° C. Os termistores NTC têm classificações de resistência que variam de alguns ohms a 10 MΩ a 25 ° C. Como mostrado na FIG. 1, a mudança na resistência por grau Celsius para termistores é mais pronunciada do que para termômetros de resistência. Comparado aos termistores, o valor de alta sensibilidade e alta resistência do termistor simplifica seus circuitos de entrada, pois os termistores não requerem nenhuma configuração especial de fiação, como 3 ou 4 fios, para compensar a resistência ao chumbo. O design do termistor usa apenas uma configuração simples de 2 fios.
A medição de temperatura baseada em termistor de alta precisão requer processamento preciso de sinal, conversão analógica em digital, linearização e compensação, como mostrado na FIG. 2.
Embora a cadeia de sinal possa parecer simples, existem várias complexidades que afetam o tamanho, o custo e o desempenho de toda a placa -mãe. O portfólio ADC de precisão da ADI inclui várias soluções integradas, como o AD7124-4/AD7124-8, que fornecem várias vantagens para o design do sistema térmico, pois a maioria dos blocos de construção necessários para uma aplicação é interna. No entanto, existem vários desafios na criação e otimização de soluções de medição de temperatura baseadas em termistores.
Este artigo discute cada uma dessas questões e fornece recomendações para resolvê -las e simplificar ainda mais o processo de design para esses sistemas.
Há uma grande variedade deTermistores NTCNo mercado hoje, escolhendo o termistor certo para o seu aplicativo pode ser uma tarefa assustadora. Observe que os termistores estão listados por seu valor nominal, que é sua resistência nominal a 25 ° C. Portanto, um termistor de 10 kΩ tem uma resistência nominal de 10 kΩ a 25 ° C. Os termistores têm valores de resistência nominal ou básico que variam de alguns ohms a 10 MΩ. Os termistores com baixas classificações de resistência (resistência nominal de 10 kΩ ou menos) geralmente suportam faixas de temperatura mais baixa, como -50 ° C a +70 ° C. Os termistores com classificações de resistência mais altas podem suportar temperaturas de até 300 ° C.
O elemento termistor é feito de óxido de metal. Os termistores estão disponíveis em formas de bola, radial e SMD. As esferas termistoras são revestidas com epóxi ou vidro encapsulado para proteção adicional. Termistores de bola revestidos com epóxi, termistores radiais e de superfície são adequados para temperaturas de até 150 ° C. Os termistores de contas de vidro são adequados para medir altas temperaturas. Todos os tipos de revestimentos/embalagens também protegem contra a corrosão. Alguns termistores também terão caixas adicionais para proteção adicional em ambientes agressivos. Os termistores de contas têm um tempo de resposta mais rápido que os termistores radiais/SMD. No entanto, eles não são tão duráveis. Portanto, o tipo de termistor usado depende da aplicação final e do ambiente em que o termistor está localizado. A estabilidade a longo prazo de um termistor depende de seu material, embalagem e design. Por exemplo, um termistor NTC revestido com epóxi pode alterar 0,2 ° C por ano, enquanto um termistor selado altera apenas 0,02 ° C por ano.
Os termistores vêm em uma precisão diferente. Os termistores padrão geralmente têm precisão de 0,5 ° C a 1,5 ° C. A classificação de resistência ao termistor e o valor beta (razão de 25 ° C a 50 ° C/85 ° C) têm uma tolerância. Observe que o valor beta do termistor varia pelo fabricante. Por exemplo, os termistores NTC de 10 kΩ de diferentes fabricantes terão valores beta diferentes. Para sistemas mais precisos, os termistores como a série Omega ™ 44xxx podem ser usados. Eles têm uma precisão de 0,1 ° C ou 0,2 ° C em uma faixa de temperatura de 0 ° C a 70 ° C. Portanto, a faixa de temperaturas que podem ser medidas e a precisão necessária sobre essa faixa de temperatura determina se os termistores são adequados para esta aplicação. Observe que quanto maior a precisão da série Omega 44xxx, maior o custo.
Para converter resistência em graus Celsius, o valor beta é geralmente usado. O valor beta é determinado pelo conhecimento dos dois pontos de temperatura e pela resistência correspondente em cada ponto de temperatura.
RT1 = Resistência à temperatura 1 RT2 = Resistência à temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
O usuário usa o valor beta mais próximo da faixa de temperatura usada no projeto. A maioria das folhas de dados de termistores liste um valor beta, juntamente com uma tolerância à resistência a 25 ° C e uma tolerância ao valor beta.
Termistores de maior precisão e soluções de terminação de alta precisão, como a série Omega 44xxx, usam a equação de Steinhart-Hart para converter a resistência em graus Celsius. A equação 2 requer as três constantes A, B e C, novamente fornecidas pelo fabricante do sensor. Como os coeficientes de equação são gerados usando três pontos de temperatura, a equação resultante minimiza o erro introduzido pela linearização (normalmente 0,02 ° C).
A, B e C são constantes derivadas de três pontos de ajuste de temperatura. R = resistência ao termistor em ohms t = temperatura em K graus
Na fig. 3 mostra a excitação atual do sensor. A corrente de unidade é aplicada ao termistor e a mesma corrente é aplicada ao resistor de precisão; Um resistor de precisão é usado como referência para medição. O valor do resistor de referência deve ser maior ou igual ao valor mais alto da resistência do termistor (dependendo da temperatura mais baixa medida no sistema).
Ao selecionar a corrente de excitação, a resistência máxima do termistor deve ser levada novamente em consideração. Isso garante que a tensão através do sensor e o resistor de referência sejam sempre em um nível aceitável aos eletrônicos. A fonte de corrente de campo requer uma correspondência de espaço ou saída. Se o termistor tiver uma alta resistência na temperatura mensurável mais baixa, isso resultará em uma corrente de acionamento muito baixa. Portanto, a tensão gerada no termistor em alta temperatura é pequena. Os estágios de ganho programáveis podem ser usados para otimizar a medição desses sinais de baixo nível. No entanto, o ganho deve ser programado dinamicamente porque o nível de sinal do termistor varia muito com a temperatura.
Outra opção é definir o ganho, mas usar a corrente dinâmica da unidade. Portanto, à medida que o nível de sinal das mudanças do termistor, o valor da corrente da unidade muda dinamicamente para que a tensão desenvolvida no termistor esteja dentro da faixa de entrada especificada do dispositivo eletrônico. O usuário deve garantir que a tensão desenvolvida no resistor de referência também seja aceitável para os eletrônicos. Ambas as opções requerem um alto nível de controle, monitoramento constante da tensão no termistor para que os eletrônicos possam medir o sinal. Existe uma opção mais fácil? Considere a excitação de tensão.
Quando a tensão CC é aplicada ao termistor, a corrente através do termistor é dimensionada automaticamente à medida que a resistência do termistor muda. Agora, usando um resistor de medição de precisão em vez de um resistor de referência, seu objetivo é calcular a corrente que flui através do termistor, permitindo que a resistência do termistor seja calculada. Como a tensão da unidade também é usada como sinal de referência do ADC, nenhum estágio de ganho é necessário. O processador não possui o trabalho de monitorar a tensão do termistor, determinando se o nível de sinal pode ser medido pelos eletrônicos e calculando qual ganho de acionamento/valor atual precisa ser ajustado. Este é o método usado neste artigo.
Se o termistor tiver uma pequena classificação de resistência e faixa de resistência, poderá ser usada tensão ou excitação de corrente. Nesse caso, a corrente e o ganho da unidade podem ser corrigidos. Assim, o circuito será como mostrado na Figura 3. Esse método é conveniente, pois é possível controlar a corrente através do sensor e do resistor de referência, o que é valioso em aplicações de baixa potência. Além disso, o auto-aquecimento do termistor é minimizado.
A excitação de tensão também pode ser usada para termistores com baixa resistência. No entanto, o usuário deve sempre garantir que a corrente através do sensor não seja muito alta para o sensor ou aplicação.
A excitação de tensão simplifica a implementação ao usar um termistor com uma grande classificação de resistência e uma ampla faixa de temperatura. Maior resistência nominal fornece um nível aceitável de corrente nominal. No entanto, os designers precisam garantir que a corrente esteja em um nível aceitável em toda a faixa de temperatura suportada pelo aplicativo.
Os ADCs Sigma-Delta oferecem várias vantagens ao projetar um sistema de medição de termistor. Primeiro, como o Sigma-Delta ADC reamose a entrada analógica, a filtragem externa é mantida no mínimo e o único requisito é um filtro RC simples. Eles fornecem flexibilidade no tipo de filtro e taxa de transmissão de saída. A filtragem digital embutida pode ser usada para suprimir qualquer interferência em dispositivos alimentados pela rede elétrica. Dispositivos de 24 bits, como o AD7124-4/AD7124-8, têm uma resolução completa de até 21,7 bits, para que eles forneçam alta resolução.
O uso de um ADC Sigma-Delta simplifica bastante o design do termistor, reduzindo a especificação, o custo do sistema, o espaço da placa e o tempo para o mercado.
Este artigo usa o AD7124-4/AD7124-8 como o ADC porque são ADCs de baixa corrente, baixa corrente e precisão com PGA integrado, referência interna, entrada analógica e tampão de referência.
Independentemente de você estar usando a corrente de unidade ou a tensão da unidade, recomenda -se uma configuração ratiométrica na qual a tensão de referência e a tensão do sensor vêm da mesma fonte de unidade. Isso significa que qualquer alteração na fonte de excitação não afetará a precisão da medição.
Na fig. 5 mostra a corrente de acionamento constante do termistor e do resistor de precisão RREF, a tensão desenvolvida através do RREF é a tensão de referência para medir o termistor.
A corrente de campo não precisa ser precisa e pode ser menos estável, pois quaisquer erros no campo Corrente serão eliminados nesta configuração. Geralmente, a excitação atual é preferida em relação à excitação de tensão devido ao controle de sensibilidade superior e melhor imunidade ao ruído quando o sensor está localizado em locais remotos. Esse tipo de método de polarização é normalmente usado para RTDs ou termistores com baixos valores de resistência. No entanto, para um termistor com maior valor de resistência e maior sensibilidade, o nível de sinal gerado por cada alteração de temperatura será maior; portanto, a excitação de tensão é usada. Por exemplo, um termistor de 10 km tem uma resistência de 10 kΩ a 25 ° C. A -50 ° C, a resistência do termistor NTC é de 441,117 kΩ. A corrente mínima de acionamento de 50 µA fornecida pelo AD7124-4/AD7124-8 gera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, que é muito alta e fora da faixa operacional da maioria dos ADCs disponíveis usados nesta área de aplicação. Os termistores também são geralmente conectados ou localizados perto dos eletrônicos, portanto, a imunidade para acionar a corrente não é necessária.
A adição de um resistor sensorial em série como um circuito de divisor de tensão limitará a corrente através do termistor ao seu valor mínimo de resistência. Nesta configuração, o valor do resistor sensorial deve ser igual ao valor da resistência do termistor a uma temperatura de referência de 25 ° C, de modo que a tensão de saída seja igual ao ponto médio da tensão de referência à sua temperatura nominal de 25 ° CC Da mesma forma, se um termistor de 10 kΩ com resistência de 10 kΩ a 25 ° C for usado, o RSense deve ser de 10 kΩ. À medida que a temperatura muda, a resistência do termistor NTC também muda e a razão da tensão de acionamento no termistor também muda, resultando na tensão de saída proporcional à resistência do termistor NTC.
Se a referência de tensão selecionada usada para alimentar o termistor e/ou o RSense corresponder à tensão de referência do ADC usada para medição, o sistema será definido como medição ratiométrica (Figura 7) para que qualquer fonte de tensão de erro relacionada à excitação seja tendenciosa para remover.
Observe que o resistor sensorial (acionado por tensão) ou o resistor de referência (acionado por corrente) devem ter uma baixa tolerância e desvio baixo, pois ambas as variáveis podem afetar a precisão de todo o sistema.
Ao usar vários termistores, uma tensão de excitação pode ser usada. No entanto, cada termistor deve ter seu próprio resistor de senso de precisão, como mostrado na FIG. 8. Outra opção é usar um multiplexador externo ou um interruptor de baixa resistência no estado ON, o que permite compartilhar um resistor de senso de precisão. Com essa configuração, cada termistor precisa de algum tempo de acomodação quando medido.
Em resumo, ao projetar um sistema de medição de temperatura baseado em termistor, há muitas perguntas a serem consideradas: seleção de sensores, fiação do sensor, compensações de seleção de componentes, configuração do ADC e como essas várias variáveis afetam a precisão geral do sistema. O próximo artigo desta série explica como otimizar o design do seu sistema e o orçamento geral do erro do sistema para atingir seu desempenho de destino.
Hora de postagem: set-30-2022