Ceci est le premier article d'une série en deux parties. Cet article discutera d'abord des défis de l'histoire et de la conception deTempérature basée sur la thermistanceSystèmes de mesure, ainsi que leur comparaison avec les systèmes de mesure de la température du thermomètre de résistance (RTD). Il décrira également le choix de la thermistance, les compromis de configuration et l'importance des convertisseurs analogiques-numériques (ADC) de Sigma-Delta dans cette zone d'application. Le deuxième article détaillera comment optimiser et évaluer le système de mesure final basé sur la thermistance.
Comme décrit dans la série d'articles précédents, optimisant les systèmes de capteurs de température RTD, un RTD est une résistance dont la résistance varie avec la température. Les thermistances fonctionnent de manière similaire à RTDS. Contrairement aux RTD, qui n'ont qu'un coefficient de température positif, une thermistance peut avoir un coefficient de température positif ou négatif. Les thermistances de coefficient de température négatives (NTC) diminuent leur résistance à mesure que la température augmente, tandis que les thermistances de coefficient de température positif (PTC) augmentent leur résistance à mesure que la température augmente. Sur la fig. 1 montre les caractéristiques de réponse des thermistances NTC et PTC typiques et les compare aux courbes RTD.
En termes de plage de températures, la courbe RTD est presque linéaire et le capteur couvre une plage de température beaucoup plus large que les thermistances (généralement -200 ° C à + 850 ° C) en raison de la nature non linéaire (exponentielle) de la thermistance. Les RTD sont généralement fournis dans des courbes standardisées bien connues, tandis que les courbes de thermistance varient selon le fabricant. Nous en discuterons en détail dans la section Guide de sélection de la thermistance de cet article.
Les thermistances sont fabriquées à partir de matériaux composites, généralement de céramique, de polymères ou de semi-conducteurs (généralement des oxydes métalliques) et de métaux purs (platine, nickel ou cuivre). Les thermistances peuvent détecter les changements de température plus rapidement que les RTD, fournissant une rétroaction plus rapide. Par conséquent, les thermistances sont couramment utilisées par les capteurs dans des applications qui nécessitent un coût à faible coût, une petite taille, une réponse plus rapide, une sensibilité plus élevée et une plage de température limitée, telles que le contrôle de l'électronique, le contrôle des maisons et du bâtiment, des laboratoires scientifiques ou une compensation de jonction froide pour les thermocouples dans des applications commerciales ou industrielles. fins. Applications.
Dans la plupart des cas, les thermistances NTC sont utilisées pour une mesure précise de la température, pas des thermistances PTC. Certains thermistances PTC sont disponibles qui peuvent être utilisées dans des circuits de protection contre les surintensités ou comme fusibles réinitialisés pour les applications de sécurité. La courbe de résistance à la température d'une thermistance PTC montre une très petite région NTC avant d'atteindre le point de commutation (ou le point de curie), au-dessus de laquelle la résistance augmente fortement de plusieurs ordres de grandeur dans la plage de plusieurs degrés Celsius. Dans des conditions de surintensité, la thermistance PTC générera une forte auto-chauffage lorsque la température de commutation sera dépassée, et sa résistance augmentera fortement, ce qui réduira le courant d'entrée au système, empêchant ainsi les dommages. Le point de commutation des thermistances PTC se situe généralement entre 60 ° C et 120 ° C et ne convient pas pour contrôler les mesures de température dans une large gamme d'applications. Cet article se concentre sur les thermistances NTC, qui peuvent généralement mesurer ou surveiller les températures allant de -80 ° C à + 150 ° C. Les thermistances NTC ont des cotes de résistance allant de quelques ohms à 10 MΩ à 25 ° C. Comme le montre la Fig. 1, le changement de résistance par degré Celsius pour les thermistances est plus prononcé que pour les thermomètres de résistance. Par rapport aux thermistances, la forte sensibilité et la valeur de résistance élevée de la thermistance simplifient ses circuits d'entrée, car les thermistances ne nécessitent aucune configuration de câblage spéciale, telle que 3 fils ou 4 fils, pour compenser la résistance au plomb. La conception de la thermistance utilise seulement une configuration simple à 2 fils.
La mesure de la température basée sur la thermistance à haute précision nécessite un traitement précis du signal, une conversion, une linéarisation et une compensation analogiques analogiques-numériques, comme le montre la Fig. 2
Bien que la chaîne de signaux puisse sembler simple, il existe plusieurs complexités qui affectent la taille, le coût et les performances de toute la carte mère. Le portefeuille ADC de précision d'ADI comprend plusieurs solutions intégrées, telles que l'AD7124-4 / AD7124-8, qui offrent un certain nombre d'avantages pour la conception du système thermique, car la plupart des blocs de construction nécessaires à une application sont intégrés. Cependant, il existe différents défis dans la conception et l'optimisation des solutions de mesure de la température à base de thermistance.
Cet article traite de chacun de ces problèmes et fournit des recommandations pour les résoudre et simplifier davantage le processus de conception de ces systèmes.
Il existe une grande variété deThermistations NTCSur le marché aujourd'hui, donc le choix de la bonne thermistance pour votre application peut être une tâche intimidante. Notez que les thermistances sont répertoriées par leur valeur nominale, qui est leur résistance nominale à 25 ° C. Par conséquent, une thermistance de 10 kΩ a une résistance nominale de 10 kΩ à 25 ° C. Les thermistances ont des valeurs de résistance nominales ou de base allant de quelques ohms à 10 MΩ. Les thermistances avec des cotes de résistance faibles (résistance nominale de 10 kΩ ou moins) prennent généralement en charge les plages de température plus basses, telles que -50 ° C à + 70 ° C. Les thermistances avec des cotes de résistance plus élevées peuvent résister à des températures allant jusqu'à 300 ° C.
L'élément de thermistance est en oxyde métallique. Les thermistances sont disponibles en formes de balle, radiales et SMD. Les billes de thermistance sont enduites d'époxy ou en verre encapsulées pour une protection supplémentaire. Les thermistances à billes revêtues époxy, les thermistances radiales et de surface conviennent aux températures allant jusqu'à 150 ° C. Les thermistances de perles de verre conviennent à la mesure des températures élevées. Tous les types de revêtements / emballages protègent également contre la corrosion. Certaines thermistances auront également des boîtiers supplémentaires pour une protection supplémentaire dans des environnements difficiles. Les thermistances de perles ont un temps de réponse plus rapide que les thermistances radiales / SMD. Cependant, ils ne sont pas aussi durables. Par conséquent, le type de thermistance utilisé dépend de l'application d'extrémité et de l'environnement dans lequel se trouve la thermistance. La stabilité à long terme d'une thermistance dépend de son matériau, de son emballage et de sa conception. Par exemple, une thermistance NTC à revêtement époxy peut changer 0,2 ° C par an, tandis qu'une thermistance scellée ne change que 0,02 ° C par an.
Les thermistances sont disponibles dans une précision différente. Les thermistances standard ont généralement une précision de 0,5 ° C à 1,5 ° C. La cote de résistance à la thermistance et la valeur bêta (rapport de 25 ° C à 50 ° C / 85 ° C) ont une tolérance. Notez que la valeur bêta de la thermistance varie selon le fabricant. Par exemple, des thermistances NTC à 10 kΩ de différents fabricants auront des valeurs bêta différentes. Pour des systèmes plus précis, des thermistances telles que la série Omega ™ 44xxx peuvent être utilisées. Ils ont une précision de 0,1 ° C ou 0,2 ° C sur une plage de température de 0 ° C à 70 ° C. Par conséquent, la plage de températures qui peuvent être mesurées et la précision requise sur cette plage de température détermine si les thermistances conviennent à cette application. Veuillez noter que plus la précision de la série Omega 44xxx est élevée, plus le coût est élevé.
Pour convertir la résistance en degrés Celsius, la valeur bêta est généralement utilisée. La valeur bêta est déterminée en connaissant les deux points de température et la résistance correspondante à chaque point de température.
RT1 = résistance à la température 1 RT2 = résistance à la température 2 T1 = température 1 (k) T2 = température 2 (k)
L'utilisateur utilise la valeur bêta la plus proche de la plage de température utilisée dans le projet. La plupart des fiches techniques de thermistance répertorient une valeur bêta ainsi qu'une tolérance de résistance à 25 ° C et une tolérance pour la valeur bêta.
Des thermistances de précision supérieure et des solutions de terminaison de haute précision telles que la série oméga 44xxx utilisent l'équation Steinhart-Hart pour convertir la résistance en degrés Celsius. L'équation 2 nécessite les trois constantes A, B et C, à nouveau fournies par le fabricant du capteur. Étant donné que les coefficients d'équation sont générés en utilisant trois points de température, l'équation résultante minimise l'erreur introduite par linéarisation (généralement 0,02 ° C).
A, B et C sont des constantes dérivées de trois points de consigne de température. R = résistance à la thermistance dans les ohms t = température en k degrés
Sur la fig. 3 montre l'excitation actuelle du capteur. Le courant d'entraînement est appliqué à la thermistance et le même courant est appliqué à la résistance de précision; Une résistance de précision est utilisée comme référence pour la mesure. La valeur de la résistance de référence doit être supérieure ou égale à la valeur la plus élevée de la résistance à la thermistance (selon la température la plus basse mesurée dans le système).
Lors de la sélection du courant d'excitation, la résistance maximale de la thermistance doit à nouveau être prise en compte. Cela garantit que la tension à travers le capteur et la résistance de référence est toujours à un niveau acceptable pour l'électronique. La source de courant de champ nécessite une correspondance de marge ou de sortie. Si la thermistance a une résistance élevée à la température mesurable la plus basse, cela entraînera un courant d'entraînement très faible. Par conséquent, la tension générée à travers la thermistance à haute température est petite. Les étapes de gain programmables peuvent être utilisées pour optimiser la mesure de ces signaux de bas niveau. Cependant, le gain doit être programmé dynamiquement car le niveau de signal de la thermistance varie considérablement avec la température.
Une autre option consiste à définir le gain mais à utiliser le courant de lecteur dynamique. Par conséquent, à mesure que le niveau de signal à partir de la thermistance change, la valeur de courant d'entraînement change dynamiquement de sorte que la tension développée à travers la thermistance se situe dans la plage d'entrée spécifiée du dispositif électronique. L'utilisateur doit s'assurer que la tension développée à travers la résistance de référence est également à un niveau acceptable pour l'électronique. Les deux options nécessitent un niveau de contrôle élevé, une surveillance constante de la tension à travers la thermistance afin que l'électronique puisse mesurer le signal. Y a-t-il une option plus facile? Considérez l'excitation de tension.
Lorsque la tension DC est appliquée à la thermistance, le courant à travers la thermistance évolue automatiquement à mesure que la résistance de la thermistance change. Maintenant, en utilisant une résistance de mesure de précision au lieu d'une résistance de référence, son objectif est de calculer le courant qui coule à travers la thermistance, permettant ainsi à la résistance à la thermistance. Étant donné que la tension d'entraînement est également utilisée comme signal de référence ADC, aucune étape de gain n'est requise. Le processeur n'a pas le travail de surveillance de la tension de thermistance, de déterminer si le niveau de signal peut être mesuré par l'électronique et de calculer la valeur du gain / actuel de conduite doit être ajustée. Ceci est la méthode utilisée dans cet article.
Si la thermistance a une petite plage de résistance et de résistance, une excitation de tension ou de courant peut être utilisée. Dans ce cas, le courant de lecteur et le gain peuvent être fixés. Ainsi, le circuit sera comme illustré à la figure 3. Cette méthode est pratique en ce qu'il est possible de contrôler le courant via le capteur et la résistance de référence, ce qui est précieux dans les applications à faible puissance. De plus, l'auto-chauffage de la thermistance est minimisée.
L'excitation de tension peut également être utilisée pour les thermistances avec des cotes de résistance faibles. Cependant, l'utilisateur doit toujours s'assurer que le courant via le capteur n'est pas trop élevé pour le capteur ou l'application.
L'excitation de tension simplifie la mise en œuvre lors de l'utilisation d'une thermistance avec une grande résistance et une large plage de températures. Une plus grande résistance nominale fournit un niveau de courant nominal acceptable. Cependant, les concepteurs doivent s'assurer que le courant est à un niveau acceptable sur toute la plage de température soutenue par l'application.
Les ADC Sigma-Delta offrent plusieurs avantages lors de la conception d'un système de mesure de la thermistance. Premièrement, parce que l'ADC Sigma-Delta réduit l'entrée analogique, le filtrage externe est réduit au minimum et la seule exigence est un filtre RC simple. Ils offrent une flexibilité dans le type de filtre et le taux de bauds de sortie. Le filtrage numérique intégré peut être utilisé pour supprimer toute interférence dans les appareils alimentés dans le secteur. Les dispositifs 24 bits tels que l'AD7124-4 / AD7124-8 ont une résolution complète allant jusqu'à 21,7 bits, ils assurent donc une haute résolution.
L'utilisation d'un Sigma-Delta ADC simplifie considérablement la conception de la thermistance tout en réduisant les spécifications, le coût du système, l'espace du conseil d'administration et le temps de commercialisation.
Cet article utilise l'AD7124-4 / AD7124-8 comme ADC car ce sont des ADC à faible bruit, à faible courant, à précision avec PGA intégré, référence intégrée, entrée analogique et tampon de référence.
Que vous utilisiez le courant d'entraînement ou la tension d'entraînement, une configuration ratiométrique est recommandée dans laquelle la tension de référence et la tension du capteur proviennent de la même source d'entraînement. Cela signifie que tout changement dans la source d'excitation n'affectera pas la précision de la mesure.
Sur la fig. 5 montre le courant d'entraînement constant pour la thermistance et la résistance de précision RREF, la tension développée à travers le RREF est la tension de référence pour mesurer la thermistance.
Le courant de champ n'a pas besoin d'être précis et peut être moins stable car toutes les erreurs dans le courant de champ seront éliminées dans cette configuration. Généralement, l'excitation du courant est préférée à l'excitation de tension en raison d'un contrôle de sensibilité supérieur et d'une meilleure immunité du bruit lorsque le capteur est situé dans des endroits éloignés. Ce type de méthode de biais est généralement utilisé pour les RTD ou les thermistances avec de faibles valeurs de résistance. Cependant, pour une thermistance avec une valeur de résistance plus élevée et une sensibilité plus élevée, le niveau de signal généré par chaque changement de température sera plus grand, donc l'excitation de tension est utilisée. Par exemple, une thermistance de 10 kΩ a une résistance de 10 kΩ à 25 ° C. À -50 ° C, la résistance de la thermistance NTC est de 441,117 kΩ. Le courant d'entraînement minimum de 50 µA fourni par l'AD7124-4 / AD7124-8 génère 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, ce qui est trop élevé et en dehors de la plage de fonctionnement de la plupart des ADC disponibles utilisés dans cette zone d'application. Les thermistances sont également généralement connectées ou situées à proximité de l'électronique, donc l'immunité pour conduire le courant n'est pas requise.
L'ajout d'une résistance sensorielle en série en tant que circuit de diviseur de tension limitera le courant à travers la thermistance à sa valeur de résistance minimale. Dans cette configuration, la valeur de la résistance de sens doit être égale à la valeur de la résistance thermidimensionnelle à une température de référence de 25 ° C, de sorte que la tension de sortie sera égale au point médian de la tension de référence à sa température nominale de 25 ° CC de la même manière, si une thernistance de 10 kΩ avec une résistance de 10 kΩ à 25 ° C est utilisée, RSENSED devait être 10 k. À mesure que la température change, la résistance de la thermistance NTC change également, et le rapport de la tension d'entraînement à travers la thermistance change également, entraînant la tension de sortie proportionnelle à la résistance de la thermistance NTC.
Si la référence de tension sélectionnée utilisée pour alimenter la thermistance et / ou Rsense correspond à la tension de référence ADC utilisée pour la mesure, le système est réglé sur la mesure ratiométrique (figure 7) de sorte que toute source de tension d'erreur liée à l'excitation sera biaisée pour retirer.
Notez que la résistance de sens (entraînée de tension) ou la résistance de référence (entraînée au courant) doit avoir une faible tolérance initiale et une faible dérive, car les deux variables peuvent affecter la précision de l'ensemble du système.
Lorsque vous utilisez plusieurs thermistances, une tension d'excitation peut être utilisée. Cependant, chaque thermistance doit avoir sa propre résistance de sens de précision, comme le montre la Fig. 8. Une autre option consiste à utiliser un multiplexeur externe ou un commutateur à faible résistance à l'état ON, ce qui permet de partager une résistance de sens de précision. Avec cette configuration, chaque thermistance a besoin d'un peu de temps de décantation lorsqu'il est mesuré.
En résumé, lors de la conception d'un système de mesure de la température basé sur la thermistance, il existe de nombreuses questions à considérer: sélection des capteurs, câblage des capteurs, compromis de sélection des composants, configuration ADC et comment ces diverses variables affectent la précision globale du système. Le prochain article de cette série explique comment optimiser la conception de votre système et le budget global d'erreur du système pour atteindre vos performances cibles.
Heure du poste: sept-30-2022