Este é o primeiro artigo de uma série de duas partes. Este artigo discutirá primeiro a história e os desafios de design detemperatura baseada em termistorsistemas de medição, bem como sua comparação com sistemas de medição de temperatura com termômetro de resistência (RTD). Ele também descreverá a escolha do termistor, as compensações de configuração e a importância dos conversores analógico-digital (ADCs) sigma-delta 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 anterior, Otimizando sistemas de sensores de temperatura RTD, um RTD é um resistor cuja resistência varia com a temperatura. Os termistores funcionam de forma 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 de coeficiente de temperatura negativo (NTC) diminuem sua resistência à medida que a temperatura aumenta, enquanto os termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentam sua resistência à medida que a temperatura aumenta. Na fig. 1 mostra as características de resposta de termistores NTC e PTC típicos e as compara com curvas RTD.
Em termos de faixa de temperatura, a curva RTD é quase linear e o sensor cobre uma faixa de temperatura muito mais ampla do 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 dos termistores variam de acordo com o fabricante. Discutiremos isso em detalhes na seção do guia de seleção de termistores 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 os RTDs, fornecendo feedback mais rápido. Portanto, os termistores são comumente usados por sensores em aplicações que exigem baixo custo, tamanho pequeno, resposta mais rápida, maior sensibilidade e faixa de temperatura limitada, como controle eletrônico, controle residencial e predial, laboratórios científicos ou compensação de junta fria para termopares em aplicações comerciais. ou aplicações industriais. propósitos. Aplicações.
Na maioria dos casos, os termistores NTC são usados para medição precisa de temperatura, e não os termistores PTC. Estão disponíveis alguns termistores PTC que podem ser usados em circuitos de proteção contra sobrecorrente ou como fusíveis reinicializáveis para aplicações de segurança. A curva resistência-temperatura de um termistor PTC mostra uma região NTC muito pequena antes de atingir o ponto de comutação (ou ponto Curie), acima do qual a resistência aumenta acentuadamente em várias ordens de grandeza na faixa de vários graus Celsius. Sob condições de sobrecorrente, o termistor PTC gerará forte autoaquecimento quando a temperatura de comutação for excedida e sua resistência aumentará acentuadamente, o que reduzirá a corrente de entrada do sistema, evitando assim danos. O ponto de comutação dos termistores PTC está normalmente entre 60°C e 120°C e não é adequado para controlar medições de temperatura em uma ampla gama de aplicações. Este artigo se concentra nos termistores NTC, que normalmente podem medir ou monitorar 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. Em comparação com os termistores, a alta sensibilidade e o alto valor de resistência do termistor simplificam seu circuito de entrada, uma vez que os termistores não requerem nenhuma configuração de fiação especial, como 3 ou 4 fios, para compensar a resistência do condutor. O projeto 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 analógico-digital, linearização e compensação, conforme mostrado na fig. 2.
Embora a cadeia de sinal possa parecer simples, existem diversas complexidades que afetam o tamanho, o custo e o desempenho de toda a placa-mãe. O portfólio de ADC de precisão da ADI inclui diversas soluções integradas, como o AD7124-4/AD7124-8, que oferecem uma série de vantagens para o projeto de sistemas térmicos, já que a maioria dos blocos de construção necessários para uma aplicação são integrados. No entanto, existem vários desafios no projeto e otimização de soluções de medição de temperatura baseadas em termistores.
Este artigo discute cada um desses problemas e fornece recomendações para resolvê-los e simplificar ainda mais o processo de design de tais sistemas.
Há uma grande variedade deTermistores NTCno mercado hoje, portanto, escolher o termistor certo para sua aplicação pode ser uma tarefa difícil. Observe que os termistores são listados pelo seu valor nominal, que é a sua resistência nominal a 25°C. Portanto, um termistor de 10 kΩ tem uma resistência nominal de 10 kΩ a 25°C. Os termistores possuem valores de resistência nominais ou básicos que variam de alguns ohms a 10 MΩ. Termistores com classificações de resistência baixas (resistência nominal de 10 kΩ ou menos) normalmente suportam faixas de temperatura mais baixas, como -50°C a +70°C. Termistores com classificações de resistência mais altas podem suportar temperaturas de até 300°C.
O elemento termistor é feito de óxido metálico. Os termistores estão disponíveis nos formatos esférico, radial e SMD. As esferas do termistor são revestidas com epóxi ou encapsuladas em vidro para proteção adicional. Termistores de esfera revestidos com epóxi, termistores radiais e de superfície são adequados para temperaturas de até 150°C. Os termistores de esfera de vidro são adequados para medir altas temperaturas. Todos os tipos de revestimentos/embalagens também protegem contra a corrosão. Alguns termistores também terão invólucros adicionais para proteção adicional em ambientes agressivos. Os termistores de cordão têm um tempo de resposta mais rápido do que os termistores radiais/SMD. No entanto, eles não são tão duráveis. Portanto, o tipo de termistor utilizado 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 mudar 0,2°C por ano, enquanto um termistor selado muda apenas 0,02°C por ano.
Os termistores vêm com precisão diferente. Os termistores padrão normalmente têm uma precisão de 0,5°C a 1,5°C. A classificação de resistência do termistor e o valor beta (proporção de 25°C a 50°C/85°C) têm uma tolerância. Observe que o valor beta do termistor varia de acordo com o fabricante. Por exemplo, termistores NTC de 10 kΩ de fabricantes diferentes terão valores beta diferentes. Para sistemas mais precisos, termistores como o da 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 pode ser medida e a precisão necessária nessa faixa de temperatura determinam se os termistores são adequados para esta aplicação. Observe que quanto maior a precisão da série Omega 44xxx, maior será o custo.
Para converter a resistência em graus Celsius, geralmente é usado o valor beta. O valor beta é determinado conhecendo os dois pontos de temperatura e a 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 utiliza o valor beta mais próximo da faixa de temperatura utilizada no projeto. A maioria das planilhas de dados de termistores lista um valor beta junto com uma tolerância de resistência a 25°C e uma tolerância para o 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 da 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 do termistor em ohms T = temperatura em K graus
Na fig. 3 mostra a excitação atual do sensor. A corrente de acionamento 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 novamente levada em consideração. Isso garante que a tensão no sensor e no resistor de referência esteja sempre em um nível aceitável para a eletrônica. A fonte de corrente de campo requer algum headroom ou correspondência de saída. Se o termistor tiver uma resistência alta 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. Estágios de ganho programáveis podem ser usados para otimizar a medição desses sinais de baixo nível. Entretanto, o ganho deve ser programado dinamicamente porque o nível do sinal do termistor varia muito com a temperatura.
Outra opção é definir o ganho, mas usar a corrente dinâmica do drive. Portanto, à medida que o nível do sinal do termistor muda, o valor da corrente do inversor muda dinamicamente, de modo que a tensão desenvolvida através do termistor esteja dentro da faixa de entrada especificada do dispositivo eletrônico. O usuário deve garantir que a tensão desenvolvida no resistor de referência também esteja em um nível aceitável para a eletrônica. Ambas as opções exigem um alto nível de controle e monitoramento constante da tensão no termistor para que a eletrônica possa medir o sinal. Existe uma opção mais fácil? Considere a excitação por tensão.
Quando a tensão CC é aplicada ao termistor, a corrente através do termistor aumenta automaticamente conforme 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 assim calcular a resistência do termistor. Como a tensão do inversor também é usada como sinal de referência ADC, nenhum estágio de ganho é necessário. O processador não tem a função de monitorar a tensão do termistor, determinar se o nível do sinal pode ser medido pela eletrônica e calcular qual valor de ganho/corrente do inversor precisa ser ajustado. Este é o método usado neste artigo.
Se o termistor tiver uma classificação de resistência e faixa de resistência pequenas, a excitação por tensão ou corrente pode ser usada. Neste caso, a corrente e o ganho do inversor podem ser corrigidos. Assim, o circuito ficará conforme mostrado na Figura 3. Este método é conveniente porque 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 autoaquecimento do termistor é minimizado.
A excitação por tensão também pode ser usada para termistores com classificações de baixa resistência. Entretanto, o usuário deve sempre garantir que a corrente através do sensor não seja muito alta para o sensor ou aplicação.
A excitação por tensão simplifica a implementação ao usar um termistor com uma grande resistência nominal e uma ampla faixa de temperatura. Maior resistência nominal fornece um nível aceitável de corrente nominal. Contudo, os projetistas precisam garantir que a corrente esteja em um nível aceitável em toda a faixa de temperatura suportada pela aplicação.
Os ADCs Sigma-Delta oferecem diversas vantagens ao projetar um sistema de medição de termistor. Primeiro, como o ADC sigma-delta faz uma nova amostragem da 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 na taxa de transmissão de saída. A filtragem digital integrada pode ser usada para suprimir qualquer interferência em dispositivos alimentados pela rede elétrica. Dispositivos de 24 bits, como AD7124-4/AD7124-8, têm resolução total de até 21,7 bits, portanto, fornecem alta resolução.
O uso de um ADC sigma-delta simplifica muito o projeto do termistor, ao mesmo tempo que reduz as especificações, o custo do sistema, o espaço da placa e o tempo de lançamento no mercado.
Este artigo usa o AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque eles são ADCs de baixo ruído, baixa corrente e precisão com PGA integrado, referência integrada, entrada analógica e buffer de referência.
Independentemente de você estar usando corrente ou tensão do inversor, recomenda-se uma configuração raciométrica na qual a tensão de referência e a tensão do sensor venham da mesma fonte do inversor. Isto significa que qualquer alteração na fonte de excitação não afetará a precisão da medição.
Na fig. 5 mostra a corrente de acionamento constante para o termistor e o 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 na corrente de campo serão eliminados nesta configuração. Geralmente, a excitação por corrente é preferida à excitação por tensão devido ao controle de sensibilidade superior e melhor imunidade a ruído quando o sensor está localizado em locais remotos. Este tipo de método de polarização é normalmente usado para RTDs ou termistores com baixos valores de resistência. Porém, para um termistor com maior valor de resistência e maior sensibilidade, o nível do sinal gerado por cada mudança de temperatura será maior, portanto, é utilizada excitação por tensão. Por exemplo, um termistor de 10 kΩ tem uma resistência de 10 kΩ a 25°C. A -50°C, a resistência do termistor NTC é 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, o que é muito alto e está fora da faixa operacional da maioria dos ADCs disponíveis usados nesta área de aplicação. Os termistores também costumam ser conectados ou localizados próximos aos componentes eletrônicos, portanto, não é necessária imunidade à corrente de acionamento.
Adicionar um resistor de detecção em série como um circuito divisor de tensão limitará a corrente através do termistor ao seu valor mínimo de resistência. Nesta configuração, o valor do resistor sensor RSENSE deve ser igual ao valor da resistência do termistor na temperatura de referência de 25°C, para que a tensão de saída seja igual ao ponto médio da tensão de referência na sua temperatura nominal de 25°CC Da mesma forma, se for usado um termistor de 10 kΩ com uma resistência de 10 kΩ a 25°C, o RSENSE deverá ser 10 kΩ. À medida que a temperatura muda, a resistência do termistor NTC também muda, e a relação da tensão de acionamento através do termistor também muda, resultando na tensão de saída sendo proporcional à resistência do termistor NTC.
Se a referência de tensão selecionada usada para alimentar o termistor e/ou RSENSE corresponder à tensão de referência ADC usada para medição, o sistema será configurado para medição raciométrica (Figura 7) para que qualquer fonte de tensão de erro relacionada à excitação seja polarizada para remoção.
Observe que o resistor de detecção (acionado por tensão) ou o resistor de referência (acionado por corrente) deve ter uma tolerância inicial baixa e um 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. Entretanto, cada termistor deve ter seu próprio resistor de detecção de precisão, conforme mostrado na fig. 8. Outra opção é usar um multiplexador externo ou chave de baixa resistência no estado ligado, o que permite compartilhar um resistor de detecção de precisão. Com esta configuração, cada termistor precisa de algum tempo de estabilização quando medido.
Em resumo, ao projetar um sistema de medição de temperatura baseado em termistor, há muitas questões a serem consideradas: seleção do sensor, fiação do sensor, compensações na seleção de componentes, configuração do ADC e como essas diversas variáveis afetam a precisão geral do sistema. O próximo artigo desta série explica como otimizar o design do sistema e o orçamento geral de erros do sistema para atingir o desempenho desejado.
Horário da postagem: 30 de setembro de 2022