Este es el primer artículo de una serie de dos partes. Este artículo discutirá primero la historia y los desafíos de diseño detemperatura basada en termistorsistemas de medición, así como su comparación con los sistemas de medición de temperatura de termómetros de resistencia (RTD). También describirá la elección del termistor, las compensaciones de configuración y la importancia de los convertidores analógico-digital (ADC) sigma-delta en esta área de aplicación. El segundo artículo detallará cómo optimizar y evaluar el sistema de medición final basado en termistores.
Como se describe en la serie de artículos anterior, Optimización de sistemas de sensores de temperatura RTD, un RTD es una resistencia cuya resistencia varía con la temperatura. Los termistores funcionan de manera similar a los RTD. A diferencia de los RTD, que sólo tienen un coeficiente de temperatura positivo, un termistor puede tener un coeficiente de temperatura positivo o negativo. Los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) disminuyen su resistencia a medida que aumenta la temperatura, mientras que los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentan su resistencia a medida que aumenta la temperatura. En la fig. 1 muestra las características de respuesta de los termistores NTC y PTC típicos y las compara con las curvas RTD.
En términos de rango de temperatura, la curva RTD es casi lineal y el sensor cubre un rango de temperatura mucho más amplio que los termistores (normalmente -200 °C a +850 °C) debido a la naturaleza no lineal (exponencial) del termistor. Los RTD generalmente se proporcionan en curvas estandarizadas bien conocidas, mientras que las curvas de los termistores varían según el fabricante. Discutiremos esto en detalle en la sección de la guía de selección de termistores de este artículo.
Los termistores están hechos de materiales compuestos, generalmente cerámicas, polímeros o semiconductores (generalmente óxidos metálicos) y metales puros (platino, níquel o cobre). Los termistores pueden detectar cambios de temperatura más rápido que los RTD, proporcionando una retroalimentación más rápida. Por lo tanto, los sensores suelen utilizar termistores en aplicaciones que requieren bajo costo, tamaño pequeño, respuesta más rápida, mayor sensibilidad y rango de temperatura limitado, como control electrónico, control de hogares y edificios, laboratorios científicos o compensación de unión fría para termopares en aplicaciones comerciales. o aplicaciones industriales. propósitos. Aplicaciones.
En la mayoría de los casos, se utilizan termistores NTC para medir la temperatura con precisión, no termistores PTC. Hay algunos termistores PTC disponibles que se pueden usar en circuitos de protección contra sobrecorriente o como fusibles reajustables para aplicaciones de seguridad. La curva resistencia-temperatura de un termistor PTC muestra una región NTC muy pequeña antes de alcanzar el punto de conmutación (o punto de Curie), por encima del cual la resistencia aumenta bruscamente en varios órdenes de magnitud en el rango de varios grados Celsius. En condiciones de sobrecorriente, el termistor PTC generará un fuerte autocalentamiento cuando se exceda la temperatura de conmutación y su resistencia aumentará bruscamente, lo que reducirá la corriente de entrada al sistema, evitando así daños. El punto de conmutación de los termistores PTC suele estar entre 60 °C y 120 °C y no es adecuado para controlar mediciones de temperatura en una amplia gama de aplicaciones. Este artículo se centra en los termistores NTC, que normalmente pueden medir o monitorear temperaturas que oscilan entre -80 °C y +150 °C. Los termistores NTC tienen clasificaciones de resistencia que van desde unos pocos ohmios hasta 10 MΩ a 25 °C. Como se muestra en la fig. 1, el cambio en la resistencia por grado Celsius para los termistores es más pronunciado que para los termómetros de resistencia. En comparación con los termistores, la alta sensibilidad y el alto valor de resistencia del termistor simplifican su circuito de entrada, ya que los termistores no requieren ninguna configuración de cableado especial, como 3 o 4 cables, para compensar la resistencia de los cables. El diseño del termistor utiliza sólo una configuración simple de 2 cables.
La medición de temperatura basada en termistores de alta precisión requiere un procesamiento de señal preciso, conversión de analógico a digital, linealización y compensación, como se muestra en la fig. 2.
Aunque la cadena de señal puede parecer simple, existen varias complejidades que afectan el tamaño, el costo y el rendimiento de toda la placa base. La cartera de ADC de precisión de ADI incluye varias soluciones integradas, como AD7124-4/AD7124-8, que brindan una serie de ventajas para el diseño de sistemas térmicos, ya que la mayoría de los componentes básicos necesarios para una aplicación están integrados. Sin embargo, existen varios desafíos en el diseño y optimización de soluciones de medición de temperatura basadas en termistores.
Este artículo analiza cada uno de estos problemas y proporciona recomendaciones para resolverlos y simplificar aún más el proceso de diseño de dichos sistemas.
Hay una gran variedad determistores NTCen el mercado hoy en día, por lo que elegir el termistor adecuado para su aplicación puede ser una tarea desalentadora. Tenga en cuenta que los termistores se enumeran por su valor nominal, que es su resistencia nominal a 25 °C. Por lo tanto, un termistor de 10 kΩ tiene una resistencia nominal de 10 kΩ a 25°C. Los termistores tienen valores de resistencia nominal o básica que van desde unos pocos ohmios hasta 10 MΩ. Los termistores con clasificaciones de resistencia bajas (resistencia nominal de 10 kΩ o menos) generalmente admiten rangos de temperatura más bajos, como -50 °C a +70 °C. Los termistores con clasificaciones de resistencia más altas pueden soportar temperaturas de hasta 300 °C.
El elemento termistor está hecho de óxido metálico. Los termistores están disponibles en forma esférica, radial y SMD. Las perlas del termistor están recubiertas de epoxi o encapsuladas en vidrio para mayor protección. Los termistores de bola, radiales y de superficie recubiertos de epoxi son adecuados para temperaturas de hasta 150 °C. Los termistores de perlas de vidrio son adecuados para medir altas temperaturas. Todo tipo de revestimientos/envases también protegen contra la corrosión. Algunos termistores también tendrán carcasas adicionales para mayor protección en entornos hostiles. Los termistores de cuentas tienen un tiempo de respuesta más rápido que los termistores radiales/SMD. Sin embargo, no son tan duraderos. Por lo tanto, el tipo de termistor utilizado depende de la aplicación final y del entorno en el que se encuentra el termistor. La estabilidad a largo plazo de un termistor depende de su material, embalaje y diseño. Por ejemplo, un termistor NTC recubierto de epoxi puede cambiar 0,2 °C por año, mientras que un termistor sellado solo cambia 0,02 °C por año.
Los termistores tienen diferente precisión. Los termistores estándar suelen tener una precisión de 0,5 °C a 1,5 °C. La clasificación de resistencia del termistor y el valor beta (relación de 25 °C a 50 °C/85 °C) tienen una tolerancia. Tenga en cuenta que el valor beta del termistor varía según el fabricante. Por ejemplo, los termistores NTC de 10 kΩ de diferentes fabricantes tendrán diferentes valores beta. Para sistemas más precisos, se pueden utilizar termistores como los de la serie Omega™ 44xxx. Tienen una precisión de 0,1°C o 0,2°C en un rango de temperatura de 0°C a 70°C. Por lo tanto, el rango de temperaturas que se puede medir y la precisión requerida en ese rango de temperatura determina si los termistores son adecuados para esta aplicación. Tenga en cuenta que cuanto mayor sea la precisión de la serie Omega 44xxx, mayor será el costo.
Para convertir la resistencia a grados Celsius se suele utilizar el valor beta. El valor beta se determina conociendo los dos puntos de temperatura y la resistencia correspondiente en cada punto de temperatura.
RT1 = Resistencia a la temperatura 1 RT2 = Resistencia a la temperatura 2 T1 = Temperatura 1 (K) T2 = Temperatura 2 (K)
El usuario utiliza el valor beta más cercano al rango de temperatura utilizado en el proyecto. La mayoría de las hojas de datos de termistores enumeran un valor beta junto con una tolerancia de resistencia a 25 °C y una tolerancia para el valor beta.
Los termistores de mayor precisión y las soluciones de terminación de alta precisión, como la serie Omega 44xxx, utilizan la ecuación Steinhart-Hart para convertir la resistencia a grados Celsius. La ecuación 2 requiere las tres constantes A, B y C, nuevamente proporcionadas por el fabricante del sensor. Debido a que los coeficientes de la ecuación se generan utilizando tres puntos de temperatura, la ecuación resultante minimiza el error introducido por la linealización (normalmente 0,02 °C).
A, B y C son constantes derivadas de tres puntos de ajuste de temperatura. R = resistencia del termistor en ohmios T = temperatura en K grados
En la fig. 3 muestra la excitación actual del sensor. La corriente de excitación se aplica al termistor y la misma corriente se aplica a la resistencia de precisión; Se utiliza una resistencia de precisión como referencia para la medición. El valor de la resistencia de referencia debe ser mayor o igual al valor más alto de la resistencia del termistor (dependiendo de la temperatura más baja medida en el sistema).
Al seleccionar la corriente de excitación, se debe tener en cuenta nuevamente la resistencia máxima del termistor. Esto garantiza que el voltaje entre el sensor y la resistencia de referencia esté siempre en un nivel aceptable para la electrónica. La fuente de corriente del campo requiere cierto margen de maniobra o coincidencia de salida. Si el termistor tiene una resistencia alta a la temperatura más baja medible, esto dará como resultado una corriente de accionamiento muy baja. Por lo tanto, el voltaje generado a través del termistor a alta temperatura es pequeño. Se pueden utilizar etapas de ganancia programables para optimizar la medición de estas señales de bajo nivel. Sin embargo, la ganancia debe programarse dinámicamente porque el nivel de señal del termistor varía mucho con la temperatura.
Otra opción es configurar la ganancia pero usar corriente de accionamiento dinámico. Por lo tanto, a medida que cambia el nivel de la señal del termistor, el valor de la corriente del variador cambia dinámicamente de modo que el voltaje desarrollado a través del termistor esté dentro del rango de entrada especificado del dispositivo electrónico. El usuario debe asegurarse de que el voltaje desarrollado a través de la resistencia de referencia también esté en un nivel aceptable para la electrónica. Ambas opciones requieren un alto nivel de control, monitoreo constante del voltaje a través del termistor para que la electrónica pueda medir la señal. ¿Existe una opción más fácil? Considere la excitación por voltaje.
Cuando se aplica voltaje CC al termistor, la corriente a través del termistor escala automáticamente a medida que cambia la resistencia del termistor. Ahora, al utilizar una resistencia de medición de precisión en lugar de una resistencia de referencia, su propósito es calcular la corriente que fluye a través del termistor, permitiendo así calcular la resistencia del termistor. Dado que el voltaje del variador también se utiliza como señal de referencia del ADC, no se requiere ninguna etapa de ganancia. El procesador no tiene la tarea de monitorear el voltaje del termistor, determinar si el nivel de la señal puede ser medido por la electrónica y calcular qué valor de ganancia/corriente del variador debe ajustarse. Este es el método utilizado en este artículo.
Si el termistor tiene una clasificación de resistencia y un rango de resistencia pequeños, se puede utilizar excitación de voltaje o corriente. En este caso, la corriente y la ganancia del variador se pueden fijar. Por lo tanto, el circuito será como se muestra en la Figura 3. Este método es conveniente porque es posible controlar la corriente a través del sensor y la resistencia de referencia, lo cual es valioso en aplicaciones de baja potencia. Además, se minimiza el autocalentamiento del termistor.
La excitación por voltaje también se puede utilizar para termistores con clasificaciones de resistencia bajas. Sin embargo, el usuario siempre debe asegurarse de que la corriente que pasa por el sensor no sea demasiado alta para el sensor o la aplicación.
La excitación por voltaje simplifica la implementación cuando se utiliza un termistor con una clasificación de resistencia grande y un amplio rango de temperaturas. Una resistencia nominal mayor proporciona un nivel aceptable de corriente nominal. Sin embargo, los diseñadores deben asegurarse de que la corriente esté en un nivel aceptable en todo el rango de temperatura admitido por la aplicación.
Los ADC Sigma-Delta ofrecen varias ventajas al diseñar un sistema de medición de termistores. Primero, debido a que el ADC sigma-delta vuelve a muestrear la entrada analógica, el filtrado externo se mantiene al mínimo y el único requisito es un filtro RC simple. Proporcionan flexibilidad en el tipo de filtro y la velocidad de transmisión en baudios de salida. El filtrado digital incorporado se puede utilizar para suprimir cualquier interferencia en dispositivos alimentados por la red eléctrica. Los dispositivos de 24 bits como el AD7124-4/AD7124-8 tienen una resolución completa de hasta 21,7 bits, por lo que proporcionan alta resolución.
El uso de un ADC sigma-delta simplifica enormemente el diseño del termistor y al mismo tiempo reduce las especificaciones, el costo del sistema, el espacio en la placa y el tiempo de comercialización.
Este artículo utiliza el AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque son ADC de precisión, baja corriente y bajo ruido con PGA incorporado, referencia incorporada, entrada analógica y búfer de referencia.
Independientemente de si está utilizando corriente o voltaje del variador, se recomienda una configuración ratiométrica en la que el voltaje de referencia y el voltaje del sensor provengan de la misma fuente del variador. Esto significa que cualquier cambio en la fuente de excitación no afectará la precisión de la medición.
En la fig. 5 muestra la corriente de excitación constante para el termistor y la resistencia de precisión RREF, el voltaje desarrollado a través de RREF es el voltaje de referencia para medir el termistor.
No es necesario que la corriente de campo sea precisa y puede ser menos estable ya que cualquier error en la corriente de campo se eliminará en esta configuración. Generalmente, se prefiere la excitación de corriente a la excitación de voltaje debido a un control de sensibilidad superior y una mejor inmunidad al ruido cuando el sensor está ubicado en ubicaciones remotas. Este tipo de método de polarización se utiliza normalmente para RTD o termistores con valores de resistencia bajos. Sin embargo, para un termistor con un valor de resistencia más alto y una sensibilidad más alta, el nivel de señal generado por cada cambio de temperatura será mayor, por lo que se utiliza excitación por voltaje. Por ejemplo, un termistor de 10 kΩ tiene una resistencia de 10 kΩ a 25°C. A -50°C, la resistencia del termistor NTC es 441,117 kΩ. La corriente de accionamiento mínima de 50 µA proporcionada por el AD7124-4/AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, lo cual es demasiado alto y está fuera del rango operativo de la mayoría de los ADC disponibles utilizados en esta área de aplicación. Los termistores también suelen estar conectados o ubicados cerca de los componentes electrónicos, por lo que no se requiere inmunidad a la corriente de excitación.
Agregar una resistencia de detección en serie como circuito divisor de voltaje limitará la corriente a través del termistor a su valor mínimo de resistencia. En esta configuración, el valor de la resistencia de detección RSENSE debe ser igual al valor de la resistencia del termistor a una temperatura de referencia de 25°C, de modo que el voltaje de salida será igual al punto medio del voltaje de referencia a su temperatura nominal de 25°CC De manera similar, si se usa un termistor de 10 kΩ con una resistencia de 10 kΩ a 25°C, RSENSE debe ser de 10 kΩ. A medida que cambia la temperatura, la resistencia del termistor NTC también cambia y la relación del voltaje de accionamiento a través del termistor también cambia, lo que da como resultado que el voltaje de salida sea proporcional a la resistencia del termistor NTC.
Si la referencia de voltaje seleccionada utilizada para alimentar el termistor y/o RSENSE coincide con el voltaje de referencia del ADC usado para la medición, el sistema se configura en medición ratiométrica (Figura 7) para que cualquier fuente de voltaje de error relacionada con la excitación se polarice para eliminar.
Tenga en cuenta que la resistencia de detección (impulsada por voltaje) o la resistencia de referencia (impulsada por corriente) deben tener una tolerancia inicial baja y una deriva baja, ya que ambas variables pueden afectar la precisión de todo el sistema.
Cuando se utilizan varios termistores, se puede utilizar un voltaje de excitación. Sin embargo, cada termistor debe tener su propia resistencia de detección de precisión, como se muestra en la fig. 8. Otra opción es utilizar un multiplexor externo o un interruptor de baja resistencia en estado encendido, que permite compartir una resistencia de detección de precisión. Con esta configuración, cada termistor necesita un tiempo de estabilización cuando se mide.
En resumen, al diseñar un sistema de medición de temperatura basado en termistores, hay muchas preguntas a considerar: selección de sensores, cableado de sensores, compensaciones en la selección de componentes, configuración del ADC y cómo estas diversas variables afectan la precisión general del sistema. El siguiente artículo de esta serie explica cómo optimizar el diseño de su sistema y el presupuesto general de errores del sistema para lograr el rendimiento objetivo.
Hora de publicación: 30 de septiembre de 2022