Este es el primer artículo de una serie de dos partes. En primer lugar, analizaremos la historia y los desafíos de diseño detemperatura basada en termistorSistemas de medición, así como su comparación con los sistemas de medición de temperatura mediante termómetros de resistencia (RTD). También se describirá la elección del termistor, las ventajas y desventajas de la configuración y la importancia de los convertidores analógico-digitales (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 describió 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 forma similar a los RTD. A diferencia de estos, que solo 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 al aumentar la temperatura, mientras que los de coeficiente de temperatura positivo (PTC) la aumentan. La figura 1 muestra las características de respuesta de los termistores NTC y PTC típicos y las compara con las curvas de RTD.
En cuanto al rango de temperatura, la curva del RTD es prácticamente lineal, y el sensor cubre un rango de temperatura mucho más amplio que los termistores (normalmente de -200 °C a +850 °C) debido a la naturaleza no lineal (exponencial) del termistor. Los RTD suelen presentarse en curvas estandarizadas conocidas, mientras que las curvas de los termistores varían según el fabricante. Analizaremos esto en detalle en la sección "Guía de selección de termistores" de este artículo.
Los termistores se fabrican con 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 rápidamente que los RTD, lo que proporciona una retroalimentación más rápida. Por lo tanto, los termistores se utilizan comúnmente en sensores en aplicaciones que requieren bajo costo, tamaño pequeño, respuesta más rápida, mayor sensibilidad y un rango de temperatura limitado, como el control electrónico, el control de viviendas y edificios, los laboratorios científicos o la compensación de unión fría para termopares en aplicaciones comerciales o industriales.
En la mayoría de los casos, se utilizan termistores NTC, no termistores PTC, para mediciones precisas de temperatura. Algunos termistores PTC se pueden utilizar en circuitos de protección contra sobrecorriente o como fusibles reiniciables para aplicaciones de seguridad. La curva de 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 al superar la temperatura de conmutación, y su resistencia aumentará bruscamente, lo que reducirá la corriente de entrada al sistema y evitará 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 suelen medir o monitorizar temperaturas de entre -80 °C y +150 °C. Los termistores NTC tienen valores de resistencia que van desde unos pocos ohmios hasta 10 MΩ a 25 °C. Como se muestra en la figura 1, la variación de resistencia por grado Celsius en los termistores es más pronunciada que en los termómetros de resistencia. En comparación con los termistores, su alta sensibilidad y alta resistencia simplifican su circuito de entrada, ya que no requieren una configuración de cableado especial, como 3 o 4 hilos, para compensar la resistencia de los conductores. El diseño del termistor utiliza únicamente una configuración simple de 2 hilos.
La medición de temperatura basada en termistores de alta precisión requiere procesamiento de señal preciso, conversión de analógico a digital, linealización y compensación, como se muestra en la figura 2.
Aunque la cadena de señal pueda parecer simple, existen varias complejidades que afectan el tamaño, el costo y el rendimiento de toda la placa base. La cartera de convertidores analógico-digitales (ADC) de precisión de ADI incluye varias soluciones integradas, como el AD7124-4/AD7124-8, que ofrecen numerosas ventajas para el diseño de sistemas térmicos, ya que la mayoría de los componentes necesarios para una aplicación están integrados. Sin embargo, existen diversos desafíos en el diseño y la optimización de soluciones de medición de temperatura basadas en termistores.
En este artículo se analiza cada uno de estos problemas y se ofrecen recomendaciones para resolverlos y simplificar aún más el proceso de diseño de dichos sistemas.
Hay una amplia variedad deTermistores NTCActualmente, existen muchos termistores en el mercado, por lo que elegir el adecuado para su aplicación puede ser una tarea abrumadora. Tenga en cuenta que los termistores se clasifican por su valor nominal, que corresponde a 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 valores de resistencia bajos (resistencia nominal de 10 kΩ o menos) suelen soportar rangos de temperatura más bajos, como de -50 °C a +70 °C. Los termistores con valores de resistencia más altos pueden soportar temperaturas de hasta 300 °C.
El elemento termistor está hecho de óxido metálico. Los termistores están disponibles en forma de bola, 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 con recubrimiento de epoxi son adecuados para temperaturas de hasta 150 °C. Los termistores de perlas de vidrio son adecuados para medir altas temperaturas. Todos los tipos de recubrimientos/envases también protegen contra la corrosión. Algunos termistores también tendrán carcasas adicionales para mayor protección en entornos hostiles. Los termistores de perlas 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 ubica 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 diferentes niveles de precisión. Los termistores estándar suelen tener una precisión de 0,5 °C a 1,5 °C. La resistencia nominal 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 valores beta diferentes. Para sistemas más precisos, se pueden utilizar 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 determinan 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 coste.
Para convertir la resistencia a grados Celsius, se suele utilizar el valor beta. Este valor se determina conociendo los dos puntos de temperatura y la resistencia correspondiente en cada uno.
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 empleado en el proyecto. La mayoría de las hojas de datos de termistores indican un valor beta junto con una tolerancia de resistencia a 25 °C y una tolerancia para dicho valor.
Los termistores de mayor precisión y las soluciones de terminación de alta precisión, como la serie Omega 44xxx, utilizan la ecuación de Steinhart-Hart para convertir la resistencia a grados Celsius. La ecuación 2 requiere las tres constantes A, B y C, proporcionadas también por el fabricante del sensor. Dado 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 valores de ajuste de temperatura: R = resistencia del termistor en ohmios; T = temperatura en grados K.
La figura 3 muestra la corriente de excitación del sensor. Se aplica una corriente de excitación al termistor y la misma corriente a la resistencia de precisión; esta resistencia se utiliza como referencia para la medición. El valor de la resistencia de referencia debe ser mayor o igual que el valor máximo 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 la tensión entre el sensor y la resistencia de referencia se mantenga siempre a un nivel aceptable para la electrónica. La fuente de corriente de campo requiere cierto margen de maniobra o adaptación de la salida. Si el termistor presenta una resistencia alta a la temperatura más baja medible, la corriente de excitación será muy baja. Por lo tanto, la tensión generada en el termistor a alta temperatura es pequeña. Se pueden utilizar etapas de ganancia programables para optimizar la medición de estas señales de bajo nivel. Sin embargo, la ganancia debe programarse dinámicamente, ya que el nivel de la señal del termistor varía considerablemente con la temperatura.
Otra opción es ajustar la ganancia pero usar una corriente de excitación dinámica. Por lo tanto, a medida que cambia el nivel de la señal del termistor, el valor de la corriente de excitación cambia dinámicamente, de modo que la tensión desarrollada en el termistor se encuentra dentro del rango de entrada especificado del dispositivo electrónico. El usuario debe asegurarse de que la tensión desarrollada en la resistencia de referencia también se encuentre a un nivel aceptable para la electrónica. Ambas opciones requieren un alto nivel de control y una monitorización constante de la tensión en el termistor para que la electrónica pueda medir la señal. ¿Existe una opción más sencilla? Considere la excitación por tensión.
Al aplicar tensión continua al termistor, la corriente que lo atraviesa se ajusta automáticamente a medida que cambia su resistencia. Ahora, al usar una resistencia de medición de precisión en lugar de una resistencia de referencia, se calcula la corriente que fluye a través del termistor, lo que permite calcular su resistencia. Dado que la tensión de excitación también se utiliza como señal de referencia del ADC, no se requiere una etapa de ganancia. El procesador no tiene la función de monitorizar la tensión del termistor, determinar si la electrónica puede medir el nivel de la señal ni calcular el valor de ganancia/corriente de excitación que debe ajustarse. Este es el método utilizado en este artículo.
Si el termistor tiene una resistencia nominal y un rango de resistencia pequeños, se puede usar excitación por voltaje o corriente. En este caso, la corriente de excitación y la ganancia pueden ser fijas. Por lo tanto, el circuito será como se muestra en la Figura 3. Este método es conveniente porque permite 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 puede utilizarse para termistores con baja resistencia nominal. Sin embargo, el usuario debe asegurarse siempre de que la corriente que circula 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 alta resistencia nominal y un amplio rango de temperatura. Una mayor resistencia nominal proporciona un nivel aceptable de corriente nominal. Sin embargo, los diseñadores deben garantizar que la corriente se mantenga a un nivel aceptable en todo el rango de temperatura de la aplicación.
Los ADC sigma-delta ofrecen varias ventajas al diseñar un sistema de medición de termistores. En primer lugar, dado que el ADC sigma-delta remuestrea la entrada analógica, el filtrado externo se minimiza y el único requisito es un filtro RC simple. Ofrecen flexibilidad en cuanto al tipo de filtro y la velocidad de transmisión de salida. El filtrado digital integrado permite suprimir cualquier interferencia en dispositivos conectados a la red eléctrica. Los dispositivos de 24 bits, como el AD7124-4/AD7124-8, tienen una resolución completa de hasta 21,7 bits, lo que proporciona 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 en la placa y el tiempo de comercialización.
Este artículo utiliza el AD7124-4/AD7124-8 como ADC porque son ADC de precisión, bajo ruido y baja corriente con PGA integrado, referencia integrada, entrada analógica y búfer de referencia.
Independientemente de si se utiliza corriente o tensión de excitación, se recomienda una configuración radiométrica donde la tensión de referencia y la tensión del sensor provengan de la misma fuente de excitación. Esto significa que cualquier cambio en la fuente de excitación no afectará la precisión de la medición.
En la figura 5 se 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. Generalmente, se prefiere la excitación por corriente a la por voltaje debido a un mayor control de la sensibilidad y una mejor inmunidad al ruido cuando el sensor se ubica en ubicaciones remotas. Este tipo de método de polarización se utiliza típicamente para RTD o termistores con valores de resistencia bajos. Sin embargo, para un termistor con un valor de resistencia y sensibilidad más altos, el nivel de señal generado por cada cambio de temperatura será mayor, por lo que se utiliza la 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 de 441,117 kΩ. La corriente de excitación mínima de 50 µA proporcionada por el AD7124-4/AD7124-8 genera 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, una corriente excesiva que se encuentra fuera del rango operativo de la mayoría de los ADC disponibles para esta aplicación. Los termistores suelen estar conectados o ubicados cerca de la electrónica, por lo que no se requiere inmunidad a la corriente de excitación.
Añadir una resistencia de detección en serie como circuito divisor de tensión 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 la tensión de salida sea igual al punto medio de la tensión de referencia a su temperatura nominal de 25 °C. De forma similar, si se utiliza un termistor de 10 kΩ con una resistencia de 10 kΩ a 25 °C, RSENSE debe ser 10 kΩ. A medida que cambia la temperatura, la resistencia del termistor NTC también cambia, y la relación de la tensión de excitación a través del termistor también cambia, lo que resulta en que la tensión 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 utilizado para la medición, el sistema se configura en medición raciométrica (Figura 7) de modo que cualquier fuente de voltaje de error relacionada con la excitación se polarizará para eliminarla.
Tenga en cuenta que tanto la resistencia de detección (accionada por voltaje) como la resistencia de referencia (accionada por corriente) deben tener una tolerancia inicial baja y una deriva baja, ya que ambas variables pueden afectar la precisión de todo el sistema.
Al usar varios termistores, se puede usar una sola tensión de excitación. Sin embargo, cada termistor debe tener su propia resistencia de detección de precisión, como se muestra en la figura 8. Otra opción es usar un multiplexor externo o un interruptor de baja resistencia en estado activado, lo que permite compartir una resistencia de detección de precisión. Con esta configuración, cada termistor necesita un tiempo de estabilización durante la medición.
En resumen, al diseñar un sistema de medición de temperatura basado en termistores, hay muchas cuestiones a considerar: selección del sensor, cableado del sensor, ventajas y desventajas en la selección de componentes, configuración del ADC y cómo estas variables afectan la precisión general del sistema. El siguiente artículo de esta serie explica cómo optimizar el diseño del sistema y el presupuesto de error general para alcanzar el rendimiento deseado.
Hora de publicación: 30 de septiembre de 2022