Este es el primer artículo de una serie de dos partes. Este artículo primero discutirá la historia y los desafíos de diseño detemperatura basada en termistorSistemas de medición, así como su comparación con los sistemas de medición de temperatura del termómetro de resistencia (RTD). También describirá la elección del termistor, las compensaciones de configuración y la importancia de los convertidores analógicos (ADC) de 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 anteriores, optimizando los sistemas de sensores de temperatura RTD, un RTD es una resistencia cuya resistencia varía con la temperatura. Los termistores funcionan de manera similar a las RTD. A diferencia de las RTD, que solo tienen un coeficiente de temperatura positivo, un termistor puede tener un coeficiente de temperatura positivo o negativo. Los termistores del coeficiente de temperatura negativa (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 los 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 (típicamente -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 termistor varían según el fabricante. Discutiremos esto en detalle en la sección Guía de selección del termistor de este artículo.
Los termistores están hechos de materiales compuestos, generalmente cerámica, polímeros o semiconductores (generalmente óxidos metálicos) y metales puros (platino, níquel o cobre). Los termistores pueden detectar cambios de temperatura más rápido que las RTD, proporcionando retroalimentación más rápida. Por lo tanto, los termistores son comúnmente utilizados por sensores en aplicaciones que requieren bajo costo, tamaño pequeño, respuesta más rápida, mayor sensibilidad y rango de temperatura limitada, como control electrónico, control de viviendas y edificios, laboratorios científicos o compensación de unión fría para termopares en aplicaciones comerciales o industriales. propósitos. Aplicaciones.
En la mayoría de los casos, los termistores NTC se utilizan para una medición precisa de la temperatura, no de los termistores PTC. Algunos termistores PTC están disponibles que pueden usarse en circuitos de protección contra sobrecorriente o como fusibles reiniciables para aplicaciones de seguridad. La curva de resistencia a la temperatura de un termistor PTC muestra una región NTC muy pequeña antes de alcanzar el punto de interruptor (o el punto de curie), por encima del cual la resistencia aumenta bruscamente por varios órdenes de magnitud en el rango de varios grados Celsius. En condiciones de sobrecorriente, el termistor PTC generará una fuerte autocalación cuando se exceda la temperatura de conmutación, y su resistencia aumentará bruscamente, lo que reducirá la corriente de entrada al sistema, evitando así el daño. El punto de conmutación de los termistores PTC es típicamente entre 60 ° C y 120 ° C y no es adecuado para controlar las mediciones de temperatura en una amplia gama de aplicaciones. Este artículo se centra en los termistores NTC, que generalmente pueden medir o monitorear temperaturas que van desde -80 ° C a +150 ° C. Los termistores NTC tienen clasificaciones de resistencia que van desde unos pocos ohmios a 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 del termistor y el alto valor de resistencia simplifican sus circuitos de entrada, ya que los termistores no requieren ninguna configuración de cableado especial, como 3 alambres o 4 hilos, para compensar la resistencia al plomo. El diseño del termistor utiliza solo una configuración simple de 2 hilos.
La medición de temperatura basada en el termistor de alta precisión requiere un procesamiento preciso de señal, conversión análoga a digital, linealización y compensación, como se muestra en la Fig. 2.
Aunque la cadena de señal puede parecer simple, hay 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 el AD7124-4/AD7124-8, que proporcionan una serie de ventajas para el diseño del sistema térmico, ya que la mayoría de los bloques de construcción necesarios para una aplicación están incorporados. 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 temas y proporciona recomendaciones para resolverlos y simplificar aún más el proceso de diseño para dichos sistemas.
Hay una amplia variedad deTermistores NTCEn el mercado hoy, elegir el termistor adecuado para su aplicación puede ser una tarea desalentadora. Tenga en cuenta que los termistores figuran 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 nominales o básicos que van desde unos pocos ohmios hasta 10 MΩ. Los termistores con bajas clasificaciones de resistencia (resistencia nominal de 10 kΩ o menos) generalmente admiten rangos de temperatura más bajos, como -50 ° C a +70 ° C. Los termistores con mayores clasificaciones de resistencia pueden soportar temperaturas de hasta 300 ° C.
El elemento termistor está hecho de óxido de metal. Los termistores están disponibles en formas de pelota, radial y SMD. Las cuentas de termistor están recubiertas con epoxi o se encapsulan en vidrio para una mayor protección. Los termistores de bola recubiertos con epoxi, los termistores radiales y superficiales son adecuados para temperaturas de hasta 150 ° C. Los termistores de cuentas de vidrio son adecuados para medir altas temperaturas. Todos los tipos de recubrimientos/empaques 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 vienen con diferente precisión. Los termistores estándar generalmente tienen una precisión de 0.5 ° C a 1.5 ° C. La clasificación de resistencia al 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 usar termistores como 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 pueden 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, el valor beta generalmente se usa. 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 usa el valor beta más cercano al rango de temperatura utilizado en el proyecto. La mayoría de las hojas de datos del termistor enumeran un valor beta junto con una tolerancia a la 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, usan 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 linealización (típicamente 0.02 ° C).
A, B y C son constantes derivadas de tres puntos de ajuste de temperatura. R = resistencia al termistor en ohmios t = temperatura en k grados
En la fig. 3 muestra la excitación actual del sensor. La corriente de accionamiento 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 al termistor (dependiendo de la temperatura más baja medida en el sistema).
Al seleccionar la corriente de excitación, la resistencia máxima del termistor debe tenerse en cuenta nuevamente. Esto asegura que el voltaje a través del sensor y la resistencia de referencia siempre estén en un nivel aceptable para la electrónica. La fuente de corriente de campo requiere una coincidencia de espacio para la cabeza o salida. Si el termistor tiene una alta resistencia 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 usar 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 establecer la ganancia pero usar la corriente de unidad dinámica. Por lo tanto, a medida que cambia el nivel de señal desde el termistor, el valor de corriente de accionamiento cambia dinámicamente para 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 en 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 de voltaje.
Cuando el voltaje de CC se aplica al termistor, la corriente a través del termistor escala automáticamente a medida que cambia la resistencia del termistor. Ahora, utilizando 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, lo que permite calcular la resistencia del termistor. Dado que el voltaje de la unidad también se usa como señal de referencia ADC, no se requiere una etapa de ganancia. El procesador no tiene el trabajo de monitorear el voltaje del termistor, determinar si el nivel de señal puede ser medido por la electrónica y calcular qué valor de unidad/valor de corriente debe ajustarse. Este es el método utilizado en este artículo.
Si el termistor tiene una pequeña calificación de resistencia y un rango de resistencia, se puede usar voltaje o excitación de corriente. En este caso, la corriente de accionamiento y la ganancia se pueden solucionar. 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, que es valiosa en aplicaciones de baja potencia. Además, se minimiza el autocalecimiento del termistor.
La excitación de voltaje también se puede usar para termistores con bajas clasificaciones de resistencia. Sin embargo, el usuario siempre debe asegurarse de que la corriente a través del sensor no sea demasiado alta para el sensor o la aplicación.
La excitación de voltaje simplifica la implementación cuando se usa un termistor con una gran clasificación de resistencia y un amplio rango de temperatura. La mayor resistencia nominal proporciona un nivel aceptable de corriente nominal. Sin embargo, los diseñadores deben asegurarse de que la corriente esté en un nivel aceptable durante todo el rango de temperatura respaldado por la aplicación.
Los ADC Sigma-Delta ofrecen varias ventajas al diseñar un sistema de medición de termistor. 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 tasa de transmisión de salida. El filtrado digital incorporado se puede utilizar para suprimir cualquier interferencia en los dispositivos alimentados por la red. Los dispositivos de 24 bits, como el AD7124-4/AD7124-8, tienen una resolución completa de hasta 21.7 bits, por lo que proporcionan una alta resolución.
El uso de un ADC Sigma-Delta simplifica enormemente el diseño del termistor al tiempo que reduce las especificaciones, el costo del sistema, el espacio de la placa y el tiempo de mercado.
Este artículo utiliza el AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque son ADC de bajo ruido, baja corriente, precisión con PGA incorporado, referencia incorporada, entrada analógica y tampón de referencia.
Independientemente de si está utilizando la corriente de unidad o el voltaje de la unidad, se recomienda una configuración ratiométrica en la que el voltaje de referencia y el voltaje del sensor provienen de la misma fuente de accionamiento. 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 accionamiento 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.
La corriente de campo no necesita ser precisa y puede ser menos estable, ya que cualquier error en la corriente de campo se eliminará en esta configuración. En general, se prefiere la excitación actual sobre la excitación de voltaje debido al control de sensibilidad superior y una mejor inmunidad de ruido cuando el sensor se encuentra en ubicaciones remotas. Este tipo de método de sesgo se usa típicamente para RTD o termistores con valores de resistencia bajos. Sin embargo, para un termistor con un valor de resistencia más alto y una mayor sensibilidad, el nivel de señal generado por cada cambio de temperatura será mayor, por lo que se utiliza la excitación de 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 mínima de accionamiento de 50 µA proporcionada por el AD7124-4/AD7124-8 genera 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V, que es demasiado alto y fuera del rango operativo de la mayoría de los ADC disponibles utilizados en este área de aplicación. Los termistores también generalmente están conectados o ubicados cerca de la electrónica, por lo que no se requiere inmunidad a la corriente de conducción.
Agregar una resistencia sensorial en serie como un circuito de divisor de voltaje limitará la corriente a través del termistor a su valor de resistencia mínima. En esta configuración, el valor de la resistencia sensorial se debe ser igual al valor de la resistencia al 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 un termistor de 10 kΩ con una resistencia de 10 kΩ a 25 ° C se usa, Rsense debería ser 10 k 100 kΩ. A medida que cambia la temperatura, la resistencia del termistor NTC también cambia, y la relación del voltaje del accionamiento a través del termistor también cambia, lo que resulta en 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 ADC utilizado para la medición, el sistema está configurado en medición ratiométrica (Figura 7) para que cualquier fuente de voltaje de error relacionada con la excitación sea sesgado para eliminar.
Tenga en cuenta que la resistencia sensorial (accionada por voltaje) o la resistencia de referencia (conducida por corriente) deben tener una baja tolerancia inicial y baja deriva, ya que ambas variables pueden afectar la precisión de todo el sistema.
Cuando se usa múltiples termistores, se puede usar un voltaje de excitación. Sin embargo, cada termistor debe tener su propia resistencia de sentido de precisión, como se muestra en la Fig. 8. Otra opción es usar un multiplexor externo o un interruptor de baja resistencia en el estado ON, lo que permite compartir una resistencia de sentido de precisión. Con esta configuración, cada termistor necesita algo de tiempo de asentamiento cuando se mide.
En resumen, al diseñar un sistema de medición de temperatura basado en termistor, hay muchas preguntas a considerar: selección de sensores, cableado del sensor, compensaciones de selección de componentes, configuración de 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 de su objetivo.
Tiempo de publicación: Sep-30-2022