Ceci est le premier article d’une série en deux parties. Cet article abordera d'abord l'histoire et les défis de conception detempérature basée sur la thermistancesystèmes de mesure, ainsi que leur comparaison avec les systèmes de mesure de température par thermomètre à résistance (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 comment optimiser et évaluer le système de mesure final basé sur une thermistance.
Comme décrit dans la série d'articles précédente, Optimisation des systèmes de capteurs de température RTD, un RTD est une résistance dont la résistance varie en fonction de la température. Les thermistances fonctionnent de la même manière que les RTD. 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 à coefficient de température négatif (NTC) diminuent leur résistance à mesure que la température augmente, tandis que les thermistances à 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 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 selon des courbes standardisées bien connues, tandis que les courbes des thermistances varient selon le fabricant. Nous en discuterons en détail dans la section Guide de sélection des thermistances de cet article.
Les thermistances sont fabriquées à partir de matériaux composites, généralement de céramiques, 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 ainsi un retour d'information plus rapide. Par conséquent, les thermistances sont couramment utilisées par les capteurs dans des applications qui nécessitent un faible coût, une petite taille, une réponse plus rapide, une sensibilité plus élevée et une plage de température limitée, telles que le contrôle électronique, le contrôle des maisons et des bâtiments, les laboratoires scientifiques ou la compensation de soudure froide pour les thermocouples dans les applications commerciales. ou applications industrielles. fins. Applications.
Dans la plupart des cas, les thermistances NTC sont utilisées pour une mesure précise de la température, et non les thermistances PTC. Certaines thermistances PTC 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 PTC montre une très petite région NTC avant d'atteindre le point de commutation (ou point de Curie), au-dessus duquel 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 un fort auto-échauffement lorsque la température de commutation est dépassée, et sa résistance augmentera fortement, ce qui réduira le courant d'entrée du système, évitant ainsi les dommages. Le point de commutation des thermistances PTC se situe généralement entre 60°C et 120°C et ne convient pas au contrôle des mesures de température dans une large gamme d'applications. Cet article se concentre sur les thermistances NTC, qui peuvent généralement mesurer ou surveiller des températures allant de -80°C à +150°C. Les thermistances NTC ont des valeurs de résistance allant de quelques ohms à 10 MΩ à 25°C. Comme le montre la fig. 1, la variation de résistance par degré Celsius pour les thermistances est plus prononcée que pour les thermomètres à résistance. Par rapport aux thermistances, la sensibilité élevée 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 du fil. La conception de la thermistance utilise uniquement une simple configuration 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 le montre la fig. 2.
Bien que la chaîne de signal puisse paraître simple, il existe plusieurs complexités qui affectent la taille, le coût et les performances de l'ensemble de la carte mère. La gamme ADC 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 éléments de base nécessaires à une application sont intégrés. Cependant, la conception et l'optimisation de solutions de mesure de température basées sur des thermistances posent de nombreux défis.
Cet article aborde chacun de ces problèmes et fournit des recommandations pour les résoudre et simplifier davantage le processus de conception de tels systèmes.
Il existe une grande variété deThermistances CTNsur le marché aujourd'hui, choisir la bonne thermistance pour votre application peut donc être une tâche ardue. 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 de faibles valeurs de résistance (résistance nominale de 10 kΩ ou moins) prennent généralement en charge des plages de température inférieures, telles que -50°C à +70°C. Les thermistances avec des valeurs 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 sous forme de billes, radiales et CMS. Les perles de thermistance sont recouvertes d'époxy ou encapsulées dans du verre pour une protection supplémentaire. Les thermistances à bille à revêtement époxy, les thermistances radiales et de surface 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 protègent également contre la corrosion. Certaines thermistances auront également des boîtiers supplémentaires pour une protection supplémentaire dans les environnements difficiles. Les thermistances à billes 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 finale 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 varier de 0,2 °C par an, tandis qu'une thermistance scellée ne change que de 0,02 °C par an.
Les thermistances ont des précisions différentes. Les thermistances standard ont généralement une précision de 0,5°C à 1,5°C. L'indice de résistance de 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, les thermistances NTC de 10 kΩ provenant 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 pouvant être mesurée et la précision requise sur cette plage de températures déterminent si les thermistances sont adaptées 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 des thermistances indiquent une valeur bêta ainsi qu'une tolérance de résistance à 25 °C et une tolérance pour la valeur bêta.
Des thermistances de plus haute précision et des 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 nécessite les trois constantes A, B et C, encore une fois fournies par le fabricant du capteur. Étant donné que les coefficients de l'équation sont générés à l'aide 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 points de consigne de température. R = résistance de la thermistance en ohms T = température en K degrés
Sur la fig. La figure 3 montre le courant d'excitation du capteur. Le courant de commande 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 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 à nouveau être prise en compte. Cela garantit que la tension aux bornes du capteur et de la résistance de référence est toujours à un niveau acceptable pour l'électronique. La source de courant de terrain nécessite une certaine marge ou une correspondance de sortie. Si la thermistance présente une résistance élevée à la température mesurable la plus basse, cela entraînera un courant de commande 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 de manière dynamique car le niveau du signal provenant de la thermistance varie considérablement avec la température.
Une autre option consiste à définir le gain mais à utiliser le courant de commande dynamique. Par conséquent, à mesure que le niveau du signal provenant de la thermistance change, la valeur du courant de commande change de manière dynamique de sorte que la tension développée aux bornes de la thermistance se situe 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 élevé de contrôle, une surveillance constante de la tension aux bornes de la thermistance afin que l'électronique puisse mesurer le signal. Existe-t-il une option plus simple ? Considérez l'excitation en tension.
Lorsqu'une tension continue est appliquée à la thermistance, le courant traversant la thermistance évolue automatiquement à mesure que la résistance de la thermistance change. Désormais, en utilisant une résistance de mesure de précision au lieu d'une résistance de référence, son objectif est de calculer le courant circulant à travers la thermistance, permettant ainsi de calculer la résistance de la thermistance. Étant donné que la tension de commande est également utilisée comme signal de référence ADC, aucun étage de gain n'est requis. Le processeur n'a pas pour tâche de surveiller la tension de la thermistance, de déterminer si le niveau du signal peut être mesuré par l'électronique et de calculer quelle valeur de gain/courant de commande doit être ajustée. C'est la méthode utilisée dans cet article.
Si la thermistance a une faible résistance nominale et une petite plage de résistance, une excitation en tension ou en courant peut être utilisée. Dans ce cas, le courant et le gain du variateur peuvent être fixes. Ainsi, le circuit sera tel que montré sur la figure 3. Cette méthode est pratique dans la mesure où il est possible de contrôler le courant à travers le capteur et la résistance de référence, ce qui est précieux dans les applications à faible consommation. De plus, l'auto-échauffement de la thermistance est minimisé.
L'excitation en tension peut également être utilisée pour les thermistances à faible résistance nominale. 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 en tension simplifie la mise en œuvre lors de l'utilisation d'une thermistance avec une résistance nominale élevée et une large plage de températures. Une résistance nominale plus grande fournit un niveau acceptable de courant nominal. Cependant, les concepteurs doivent s'assurer que le courant se situe à un niveau acceptable sur toute la plage de températures prise en charge par l'application.
Les CAN Sigma-Delta offrent plusieurs avantages lors de la conception d'un système de mesure à thermistance. Premièrement, comme l'ADC sigma-delta rééchantillonne l'entrée analogique, le filtrage externe est réduit au minimum et la seule exigence est un simple filtre RC. Ils offrent une flexibilité en matière de type de filtre et de débit en bauds de sortie. Le filtrage numérique intégré peut être utilisé pour supprimer toute interférence dans les appareils alimentés sur secteur. Les appareils 24 bits tels que l'AD7124-4/AD7124-8 ont une résolution complète allant jusqu'à 21,7 bits, ils offrent donc 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 les délais de commercialisation.
Cet article utilise l'AD7124-4/AD7124-8 comme CAN car ce sont des CAN de précision à faible bruit et à faible courant avec PGA intégré, référence intégrée, entrée analogique et tampon de référence.
Que vous utilisiez un courant de commande ou une tension de commande, une configuration ratiométrique est recommandée dans laquelle la tension de référence et la tension du capteur proviennent de la même source de commande. 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 de commande constant pour la thermistance et la résistance de précision RREF, la tension développée aux bornes de 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 toute erreur dans le courant de champ sera éliminée dans cette configuration. Généralement, l'excitation en courant est préférée à l'excitation en tension en raison d'un contrôle de sensibilité supérieur et d'une meilleure immunité au bruit lorsque le capteur est situé dans des endroits éloignés. Ce type de méthode de polarisation est généralement utilisé pour les RTD ou les thermistances avec de faibles valeurs de résistance. Cependant, pour une thermistance avec une valeur de résistance et une sensibilité plus élevées, le niveau de signal généré par chaque changement de température sera plus grand, c'est pourquoi une excitation en 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 de commande 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 CAN disponibles utilisés dans ce domaine d'application. Les thermistances sont également généralement connectées ou situées à proximité de l'électronique, de sorte que l'immunité au courant de commande n'est pas requise.
L'ajout d'une résistance de détection en série en tant que 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°CC 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. À mesure que la température change, la résistance de la thermistance NTC change également et le rapport de la tension de commande aux bornes de la thermistance change également, ce qui fait que la tension de sortie est proportionnelle à la résistance de la thermistance NTC.
Si la référence de tension sélectionnée utilisée pour alimenter la thermistance et/ou le RSENSE correspond à la tension de référence ADC utilisée pour la mesure, le système est réglé sur une mesure ratiométrique (Figure 7) afin que toute source de tension d'erreur liée à l'excitation soit 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 avoir sa propre résistance de détection de précision, comme le montre la fig. 8. Une autre option consiste à utiliser un multiplexeur externe ou un interrupteur à faible résistance à l'état passant, ce qui permet de partager une résistance de détection de précision. Avec cette configuration, chaque thermistance a besoin d'un certain temps de stabilisation lors de la mesure.
En résumé, lors de la conception d'un système de mesure de température basé sur une thermistance, de nombreuses questions doivent être prises en compte : sélection du capteur, câblage du capteur, compromis de sélection des composants, configuration du CAN et comment ces différentes 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 les performances cibles.
Heure de publication : 30 septembre 2022