Optimisation des systèmes de mesure de température à thermistance : un défi

Cet article est le premier d'une série en deux parties. Il aborde d'abord l'histoire et les défis de conception detempérature basée sur une thermistanceSystèmes de mesure, ainsi que leur comparaison avec les systèmes de mesure de température à thermistance (RTD). Il décrira également le choix de la thermistance, les compromis de configuration et l'importance des convertisseurs analogique-numérique (CAN) sigma-delta dans ce domaine d'application. Le deuxième article détaillera l'optimisation et l'évaluation du système de mesure final à thermistance.
Comme décrit dans la série d'articles précédente, « Optimisation des systèmes de capteurs de température RTD », un RTD est une résistance dont la valeur varie avec la température. Les thermistances fonctionnent de manière similaire aux RTD. Contrairement aux RTD, qui ont uniquement un coefficient de température positif, une thermistance peut avoir un coefficient de température positif ou négatif. Les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) voient leur résistance diminuer avec la température, tandis que les thermistances à coefficient de température positif (CTP) l'augmentent avec la température. La figure 1 présente les caractéristiques de réponse des thermistances CTN et CTP typiques et les compare aux courbes des RTD.
En termes de plage de température, la courbe RTD est presque linéaire et le capteur couvre une plage de température beaucoup plus large que les thermistances (généralement de -200 °C à +850 °C) en raison de la nature non linéaire (exponentielle) de la thermistance. Les RTD sont généralement fournis avec des courbes standardisées bien connues, tandis que les courbes des thermistances varient selon le fabricant. Nous aborderons ce sujet en détail dans la section « Guide de sélection des thermistances » de cet article.
Les thermistances sont fabriquées à partir de matériaux composites, généralement des céramiques, des polymères ou des semi-conducteurs (généralement des oxydes métalliques) et de métaux purs (platine, nickel ou cuivre). Elles détectent les variations de température plus rapidement que les RTD, offrant ainsi une rétroaction plus rapide. Par conséquent, elles sont couramment utilisées par les capteurs dans des applications nécessitant un faible coût, une taille réduite, une réponse plus rapide, une sensibilité accrue et une plage de température limitée, telles que le contrôle électronique, la régulation des bâtiments et des maisons, les laboratoires scientifiques ou la compensation de soudure froide pour les thermocouples dans les applications commerciales ou industrielles. Applications.
Dans la plupart des cas, les thermistances CTN sont utilisées pour des mesures de température précises, et non les thermistances PTC. Certaines thermistances CTN sont disponibles et peuvent être utilisées dans les circuits de protection contre les surintensités ou comme fusibles réarmables pour les applications de sécurité. La courbe résistance-température d'une thermistance CTN présente une très petite zone CTN avant d'atteindre le point de commutation (ou point de Curie), au-delà duquel la résistance augmente brusquement de plusieurs ordres de grandeur dans une plage de plusieurs degrés Celsius. En cas de surintensité, la thermistance CTN génère un fort auto-échauffement lorsque la température de commutation est dépassée, et sa résistance augmente fortement, ce qui réduit le courant d'entrée du système et évite ainsi tout dommage. Le point de commutation des thermistances CTN se situe généralement entre 60 °C et 120 °C et ne convient pas au contrôle des mesures de température dans de nombreuses applications. Cet article se concentre sur les thermistances CTN, qui peuvent généralement mesurer ou surveiller des températures comprises entre -80 °C et +150 °C. Les thermistances CTN ont des résistances nominales allant de quelques ohms à 10 MΩ à 25 °C. Comme le montre la figure 1, la variation de résistance par degré Celsius est plus prononcée pour les thermistances que pour les thermomètres à résistance. Comparées aux thermistances, leur grande sensibilité et leur valeur de résistance élevée simplifient leur circuit d'entrée, car elles ne nécessitent aucune configuration de câblage particulière, telle que 3 ou 4 fils, pour compenser la résistance des fils. La conception des thermistances repose sur une configuration simple à 2 fils.
La mesure de température de haute précision basée sur une thermistance nécessite un traitement précis du signal, une conversion analogique-numérique, une linéarisation et une compensation, comme illustré dans la fig. 2.
Bien que la chaîne de signal puisse paraître simple, plusieurs complexités affectent la taille, le coût et les performances de la carte mère. La gamme de convertisseurs analogique-numérique (CAN) de précision d'ADI comprend plusieurs solutions intégrées, telles que l'AD7124-4/AD7124-8, qui offrent de nombreux avantages pour la conception de systèmes thermiques, car la plupart des composants nécessaires à une application sont intégrés. Cependant, la conception et l'optimisation de solutions de mesure de température à thermistances posent divers défis.
Cet article aborde 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 dethermistances NTCActuellement, il existe de nombreuses thermistances sur le marché. Choisir la thermistance adaptée à votre application peut donc s'avérer complexe. Notez que les thermistances sont classées par valeur nominale, qui correspond à leur résistance nominale à 25 °C. Ainsi, une thermistance de 10 kΩ présente une résistance nominale de 10 kΩ à 25 °C. Les thermistances ont des valeurs de résistance nominale ou de base allant de quelques ohms à 10 MΩ. Les thermistances à faible résistance nominale (10 kΩ ou moins) supportent généralement des plages de températures plus basses, telles que -50 °C à +70 °C. Les thermistances à résistance plus élevée peuvent supporter des températures allant jusqu'à 300 °C.
L'élément de thermistance est en oxyde métallique. Les thermistances sont disponibles en forme de bille, radiale et CMS. Les billes de thermistance sont recouvertes d'époxy ou encapsulées dans du verre pour une protection accrue. Les thermistances à bille, radiales et de surface recouvertes d'époxy conviennent à des températures allant jusqu'à 150 °C. Les thermistances à billes de verre conviennent à la mesure de températures élevées. Tous les types de revêtements/emballages offrent également une protection contre la corrosion. Certaines thermistances sont également dotées d'un boîtier supplémentaire pour une protection accrue dans les environnements difficiles. Les thermistances à billes ont un temps de réponse plus rapide que les thermistances radiales/CMS. Cependant, leur durabilité est moindre. Par conséquent, le type de thermistance utilisé dépend de l'application finale et de l'environnement dans lequel elle est installée. La stabilité à long terme d'une thermistance dépend de son matériau, de son emballage et de sa conception. Par exemple, une thermistance CTN recouverte d'époxy peut varier de 0,2 °C par an, tandis qu'une thermistance scellée ne varie que de 0,02 °C par an.
Les thermistances ont des précisions variables. Les thermistances standard ont généralement une précision de 0,5 °C à 1,5 °C. La résistance nominale et la valeur bêta (rapport 25 °C à 50 °C/85 °C) de la thermistance présentent une tolérance. Notez que la valeur bêta de la thermistance varie selon le fabricant. Par exemple, les thermistances CTN de 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. Leur précision est de 0,1 °C ou 0,2 °C sur une plage de températures de 0 °C à 70 °C. Par conséquent, la plage de températures mesurables et la précision requise sur cette plage déterminent l'adéquation des thermistances à cette application. Veuillez noter que plus la précision de la série Omega 44xxx est élevée, plus son coût est élevé.
Pour convertir la résistance en degrés Celsius, on utilise généralement la valeur bêta. Cette valeur est déterminée en connaissant les deux points de température et la résistance correspondante à chaque point.
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 thermistances indiquent une valeur bêta, ainsi qu'une tolérance de résistance à 25 °C et une tolérance pour la valeur bêta.
Les thermistances et les solutions de terminaison de haute précision, telles que la série Omega 44xxx, utilisent l'équation de Steinhart-Hart pour convertir la résistance en degrés Celsius. L'équation 2 requiert les trois constantes A, B et C, fournies par le fabricant du capteur. Les coefficients de l'équation étant générés à partir de trois points de température, l'équation résultante minimise l'erreur introduite par la linéarisation (généralement 0,02 °C).
A, B et C sont des constantes dérivées de trois consignes de température. R = résistance de la thermistance en ohms ; T = température en degrés K.
La figure 3 illustre le courant d'excitation du capteur. Un courant d'excitation est appliqué à la thermistance et à la résistance de précision ; cette dernière sert de référence pour la mesure. La valeur de la résistance de référence doit être supérieure ou égale à la valeur maximale de la résistance de la thermistance (en fonction de la température la plus basse mesurée dans le système).
Lors de la sélection du courant d'excitation, la résistance maximale de la thermistance doit être prise en compte. Cela garantit que la tension aux bornes du capteur et de la résistance de référence reste toujours à un niveau acceptable pour l'électronique. La source de courant de champ nécessite une certaine marge de sécurité ou une adaptation de sortie. Si la thermistance présente une résistance élevée à la température la plus basse mesurable, le courant d'attaque sera très faible. Par conséquent, la tension générée aux bornes de la thermistance à haute température est faible. Des étages de gain programmables peuvent être utilisés pour optimiser la mesure de ces signaux de faible niveau. Cependant, le gain doit être programmé dynamiquement, car le niveau du signal de la thermistance varie fortement avec la température.
Une autre option consiste à régler le gain tout en utilisant un courant de commande dynamique. Ainsi, lorsque le niveau du signal de la thermistance varie, la valeur du courant de commande évolue de manière dynamique, de sorte que la tension développée aux bornes de la thermistance reste dans la plage d'entrée spécifiée du dispositif électronique. L'utilisateur doit s'assurer que la tension développée aux bornes de la résistance de référence est également à un niveau acceptable pour l'électronique. Les deux options nécessitent un niveau de contrôle élevé et une surveillance constante de la tension aux bornes de la thermistance afin que l'électronique puisse mesurer le signal. Existe-t-il une solution plus simple ? Envisagez l'excitation par tension.
Lorsqu'une tension continue est appliquée à la thermistance, le courant qui la traverse s'adapte automatiquement à sa résistance. L'utilisation d'une résistance de mesure de précision plutôt que d'une résistance de référence permet de calculer le courant traversant la thermistance, permettant ainsi de calculer sa résistance. La tension de commande servant également de signal de référence au CAN, aucun étage de gain n'est requis. Le processeur n'a pas pour mission de surveiller la tension de la thermistance, de déterminer si le niveau du signal peut être mesuré par l'électronique et de calculer la valeur gain/courant de commande à ajuster. C'est la méthode utilisée dans cet article.
Si la thermistance présente une faible résistance nominale et une faible plage de résistance, une excitation par tension ou par courant peut être utilisée. Dans ce cas, le courant d'attaque et le gain peuvent être fixes. Le circuit sera alors celui illustré à la figure 3. Cette méthode est pratique car elle permet de contrôler le courant traversant le capteur et la résistance de référence, ce qui est particulièrement utile dans les applications de faible puissance. De plus, l'auto-échauffement de la thermistance est minimisé.
L'excitation par tension peut également être utilisée pour les thermistances à faible résistance. Cependant, l'utilisateur doit toujours s'assurer que le courant traversant le capteur n'est pas trop élevé pour le capteur ou l'application.
L'excitation par tension simplifie la mise en œuvre lors de l'utilisation d'une thermistance dotée d'une résistance nominale élevée et d'une large plage de températures. Une résistance nominale plus élevée permet d'obtenir 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 températures supportée par l'application.
Les CAN sigma-delta offrent plusieurs avantages pour la conception d'un système de mesure par thermistance. Premièrement, comme ils rééchantillonnent l'entrée analogique, le filtrage externe est réduit au minimum et un simple filtre RC suffit. Ils offrent une grande flexibilité quant au type de filtre et au débit de sortie. Un filtrage numérique intégré permet de supprimer les interférences dans les appareils alimentés par le secteur. Les appareils 24 bits tels que l'AD7124-4/AD7124-8 offrent une résolution maximale de 21,7 bits, offrant ainsi une haute résolution.
L'utilisation d'un CAN sigma-delta simplifie considérablement la conception de la thermistance tout en réduisant les spécifications, le coût du système, l'espace sur la carte et le délai de mise sur le marché.
Cet article utilise l'AD7124-4/AD7124-8 comme ADC car ce sont des ADC à faible bruit, à faible courant et de précision avec PGA intégré, référence intégrée, entrée analogique et tampon de référence.
Que vous utilisiez le courant ou la tension d'excitation, une configuration ratiométrique est recommandée, dans laquelle la tension de référence et la tension du capteur proviennent de la même source d'excitation. Ainsi, toute modification de la source d'excitation n'affectera pas la précision de la mesure.
La figure 5 montre le courant d'attaque constant pour la thermistance et la résistance de précision RREF, la tension développée aux bornes de RREF est la tension de référence pour la mesure de la thermistance.
Le courant de champ n'a pas besoin d'être précis et peut être moins stable, car toute erreur de courant de champ est éliminée dans cette configuration. En général, l'excitation par courant est préférée à l'excitation par tension en raison d'un meilleur contrôle de la sensibilité et d'une meilleure immunité au bruit lorsque le capteur est situé à distance. Ce type de méthode de polarisation est généralement utilisé pour les RTD ou les thermistances à faible résistance. Cependant, pour une thermistance à résistance et sensibilité plus élevées, le niveau du signal généré par chaque variation de température sera plus élevé ; c'est pourquoi l'excitation par tension est utilisée. Par exemple, une thermistance de 10 kΩ a une résistance de 10 kΩ à 25 °C. À -50 °C, la résistance d'une thermistance CTN est de 441,117 kΩ. Le courant de commande minimal de 50 µA fourni par l'AD7124-4/AD7124-8 génère 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, ce qui est trop élevé et hors de la plage de fonctionnement de la plupart des CAN disponibles dans ce domaine d'application. De plus, des thermistances sont généralement connectées ou situées à proximité de l'électronique, ce qui rend inutile l'immunité au courant de commande.
L'ajout d'une résistance de détection en série comme circuit diviseur de tension limitera le courant traversant la thermistance à sa valeur de résistance minimale. Dans cette configuration, la valeur de la résistance de détection RSENSE doit être égale à la valeur de la résistance de la thermistance à une température de référence de 25 °C, de sorte que la tension de sortie soit égale au point médian de la tension de référence à sa température nominale de 25 °C. De même, si une thermistance de 10 kΩ avec une résistance de 10 kΩ à 25 °C est utilisée, RSENSE doit être de 10 kΩ. Lorsque la température varie, la résistance de la thermistance CTN change également, ainsi que le rapport de la tension de commande aux bornes de la thermistance, ce qui entraîne une tension de sortie proportionnelle à la résistance de la thermistance CTN.
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 polarisée pour être supprimée.
Notez que la résistance de détection (pilotée par la tension) ou la résistance de référence (pilotée par le courant) doit avoir une faible tolérance initiale et une faible dérive, car les deux variables peuvent affecter la précision de l'ensemble du système.
Lors de l'utilisation de plusieurs thermistances, une seule tension d'excitation peut être utilisée. Cependant, chaque thermistance doit disposer de sa propre résistance de mesure de précision, comme illustré à la figure 8. Une autre option consiste à utiliser un multiplexeur externe ou un commutateur à faible résistance à l'état passant, ce qui permet de partager une résistance de mesure de précision. Avec cette configuration, chaque thermistance nécessite un temps de stabilisation lors de la mesure.
En résumé, la conception d'un système de mesure de température à thermistances soulève de nombreuses questions : choix du capteur, câblage du capteur, compromis entre les composants, configuration du CAN et impact de ces différentes variables sur la précision globale du système. Le prochain article de cette série explique comment optimiser la conception de votre système et sa marge d'erreur globale pour atteindre vos objectifs de performance.