بهینه سازی سیستم های اندازه گیری دما مبتنی بر ترمیستور: یک چالش

این اولین مقاله در یک سری دو قسمتی است. در این مقاله ابتدا در مورد تاریخ و چالش های طراحی بحث خواهد شددمای مبتنی بر ترمیستورسیستم های اندازه گیری و همچنین مقایسه آنها با سیستم های اندازه گیری دما دماسنج مقاومت (RTD). همچنین انتخاب ترمیستور ، معاملات پیکربندی و اهمیت مبدل های آنالوگ به دیجیتال Sigma-Delta (ADC) در این منطقه کاربردی را شرح می دهد. مقاله دوم نحوه بهینه سازی و ارزیابی سیستم اندازه گیری نهایی ترمیستور را به تفصیل ارائه می دهد.
همانطور که در سری مقاله های قبلی توضیح داده شده است ، بهینه سازی سیستم های سنسور دما RTD ، RTD مقاومت است که مقاومت آن با دما متفاوت است. ترمیستورها به طور مشابه با RTD ها کار می کنند. بر خلاف RTD ، که فقط ضریب دمای مثبت دارند ، یک ترمیستور می تواند ضریب دمای مثبت یا منفی داشته باشد. ضریب دمای منفی (NTC) با افزایش درجه حرارت ، مقاومت خود را کاهش می دهد ، در حالی که ترمیستورهای ضریب دمای مثبت (PTC) با افزایش دما ، مقاومت خود را افزایش می دهند. در شکل 1 ویژگی های پاسخ ترمیستورهای معمولی NTC و PTC را نشان می دهد و آنها را با منحنی های RTD مقایسه می کند.
از نظر دامنه دما ، منحنی RTD تقریباً خطی است و سنسور دامنه دمای بسیار وسیع تری نسبت به ترمیستورها (به طور معمول -200 درجه سانتیگراد تا +850 درجه سانتیگراد) به دلیل ماهیت غیر خطی (نمایی) ترمیستور پوشش می دهد. RTD ها معمولاً در منحنی های استاندارد شناخته شده ارائه می شوند ، در حالی که منحنی های ترمیستور توسط سازنده متفاوت است. ما در بخش راهنمای انتخاب ترمیستور این مقاله به تفصیل در مورد این موضوع بحث خواهیم کرد.
ترمیستورها از مواد کامپوزیت ، معمولاً سرامیک ، پلیمرها یا نیمه هادی ها (معمولاً اکسیدهای فلزی) و فلزات خالص (پلاتین ، نیکل یا مس) ساخته می شوند. ترمیستورها می توانند تغییرات دما را سریعتر از RTD ها تشخیص دهند و بازخورد سریع تری ارائه دهند. بنابراین ، ترمیستورها معمولاً توسط سنسورها در برنامه هایی که نیاز به هزینه کم ، اندازه کوچک ، پاسخ سریعتر ، حساسیت بالاتر و دامنه دمای محدود مانند کنترل الکترونیک ، کنترل خانه و ساختمان ، آزمایشگاه های علمی یا جبران اتصال به ترموکوپل ها در تجارت دارند ، استفاده می شود. یا برنامه های صنعتی اهداف برنامه ها
در بیشتر موارد ، از ترمیستورهای NTC برای اندازه گیری دقیق دما استفاده می شود ، نه ترمیستورهای PTC. برخی از ترمیستورهای PTC در دسترس هستند که می توانند در مدارهای حفاظت بیش از حد یا به عنوان فیوزهای قابل تنظیم برای برنامه های ایمنی استفاده شوند. منحنی مقاومت در دمای یک ترمیستور PTC یک منطقه NTC بسیار کوچک را قبل از رسیدن به نقطه سوئیچ (یا نقطه کوری) نشان می دهد ، که بالاتر از آن مقاومت با چندین مرتبه در محدوده چند درجه سانتیگراد به شدت افزایش می یابد. در شرایط بیش از حد ، ترمیستور PTC با افزایش دمای سوئیچینگ ، خود گرمایشی قوی ایجاد می کند و مقاومت آن به شدت افزایش می یابد و این باعث کاهش جریان ورودی به سیستم می شود و از این طریق مانع از آسیب می شود. نقطه تعویض ترمیستورهای PTC به طور معمول بین 60 درجه سانتیگراد و 120 درجه سانتیگراد است و برای کنترل اندازه گیری دما در طیف گسترده ای از برنامه ها مناسب نیست. این مقاله بر ترمیستورهای NTC متمرکز شده است ، که به طور معمول می تواند دمای مختلف از 80 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد را اندازه گیری یا نظارت کند. ترمیستورهای NTC دارای رتبه های مقاومت از چند اهم تا 10 MΩ در دمای 25 درجه سانتیگراد هستند. همانطور که در شکل نشان داده شده است. 1 ، تغییر مقاومت در هر درجه سانتیگراد برای ترمیستورها نسبت به دماسنجهای مقاومت برجسته تر است. در مقایسه با ترمیستورها ، حساسیت زیاد ترمیستور و مقدار مقاومت بالا ، مدار ورودی خود را ساده می کند ، زیرا ترمیستورها برای جبران مقاومت به سرب ، به پیکربندی ویژه سیم کشی مانند 3 سیم یا 4 سیم احتیاج ندارند. طراحی ترمیستور فقط از یک پیکربندی ساده 2 سیم استفاده می کند.
اندازه گیری دمای مبتنی بر ترمیستور با دقت بالا نیاز به پردازش دقیق سیگنال ، تبدیل آنالوگ به دیجیتال ، خطی سازی و جبران خسارت دارد ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 2
اگرچه ممکن است زنجیره سیگنال ساده به نظر برسد ، چندین پیچیدگی وجود دارد که بر اندازه ، هزینه و عملکرد کل مادربرد تأثیر می گذارد. پرتفوی دقیق ADC ADI شامل چندین راه حل یکپارچه مانند AD7124-4/AD7124-8 است که تعدادی از مزایای آن را برای طراحی سیستم حرارتی فراهم می کند زیرا بیشتر بلوک های ساختمان مورد نیاز برای یک برنامه ساخته شده است. با این حال ، در طراحی و بهینه سازی راه حل های اندازه گیری دما مبتنی بر ترمیستور ، چالش های مختلفی وجود دارد.
در این مقاله هر یک از این موضوعات مورد بحث قرار می گیرد و توصیه هایی را برای حل آنها و ساده تر کردن فرایند طراحی برای چنین سیستمهایی ارائه می دهد.
طیف گسترده ای وجود داردترمیستورهای NTCامروز در بازار ، بنابراین انتخاب ترمیستور مناسب برای برنامه شما می تواند یک کار دلهره آور باشد. توجه داشته باشید که ترمیستورها با ارزش اسمی آنها ذکر شده اند که مقاومت اسمی آنها در 25 درجه سانتیگراد است. بنابراین ، یک ترمیستور 10 کیلوگرم مقاومت اسمی 10 کیلو گرم در 25 درجه سانتیگراد دارد. ترمیستورها دارای مقادیر مقاومت اسمی یا اساسی از چند اهم تا 10 MΩ هستند. ترمیستورها با رتبه های مقاومت کم (مقاومت اسمی 10 کیلو یا کمتر) به طور معمول از دامنه دمای پایین تر مانند -50 درجه سانتیگراد تا +70 درجه سانتیگراد پشتیبانی می کنند. ترمیستورها با رتبه های مقاومت بالاتر می توانند در برابر دمای تا 300 درجه سانتیگراد مقاومت کنند.
عنصر ترمیستور از اکسید فلزی ساخته شده است. ترمیستورها در شکل های توپ ، شعاعی و SMD در دسترس هستند. مهره های ترمیستور برای محافظت بیشتر تحت پوشش اپوکسی یا شیشه ای قرار گرفته اند. ترمیستورهای توپ روکش شده با اپوکسی ، ترمیستورهای شعاعی و سطح برای دمای تا 150 درجه سانتیگراد مناسب هستند. ترمیستورهای مهره شیشه ای برای اندازه گیری درجه حرارت بالا مناسب هستند. انواع پوشش/بسته بندی نیز در برابر خوردگی محافظت می کند. برخی از ترمیستورها همچنین برای محافظت بیشتر در محیط های سخت دارای مسکن اضافی خواهند بود. ترمیستورهای مهره نسبت به ترمیستورهای شعاعی/SMD زمان پاسخ سریع تری دارند. با این حال ، آنها به اندازه دوام نیستند. بنابراین ، نوع ترمیستور مورد استفاده بستگی به کاربرد پایان و محیطی دارد که ترمیستور در آن قرار دارد. پایداری طولانی مدت یک ترمیستور به مواد ، بسته بندی ها و طراحی آن بستگی دارد. به عنوان مثال ، یک ترمیستور NTC با پوشش اپوکسی می تواند 0.2 درجه سانتیگراد در سال تغییر کند ، در حالی که یک ترمیستور مهر و موم شده فقط 0.02 درجه سانتیگراد در سال تغییر می کند.
ترمیستورها با دقت مختلفی قرار می گیرند. ترمیستورهای استاندارد به طور معمول از دقت 0.5 درجه سانتیگراد تا 1.5 درجه سانتیگراد برخوردار هستند. رتبه مقاومت ترمیستور و مقدار بتا (نسبت 25 درجه سانتیگراد به 50 درجه سانتیگراد/85 درجه سانتیگراد) تحمل دارند. توجه داشته باشید که مقدار بتا ترمیستور توسط سازنده متفاوت است. به عنوان مثال ، 10 ترمیستورهای NTC از تولید کنندگان مختلف مقادیر بتا متفاوتی خواهند داشت. برای سیستم های دقیق تر ، می توان از ترمیستورهایی مانند سری امگا 44xxx استفاده کرد. آنها دقت 0.1 درجه سانتیگراد یا 0.2 درجه سانتیگراد نسبت به محدوده دمای 0 درجه سانتیگراد تا 70 درجه سانتیگراد دارند. بنابراین ، دامنه دما که می توانند اندازه گیری شوند و صحت مورد نیاز نسبت به آن محدوده دما تعیین می کند که آیا ترمیستورها برای این برنامه مناسب هستند یا خیر. لطفاً توجه داشته باشید که هرچه دقت سری امگا 44xxx بالاتر باشد ، هزینه نیز بیشتر است.
برای تبدیل مقاومت در برابر درجه سانتیگراد ، معمولاً از مقدار بتا استفاده می شود. مقدار بتا با دانستن دو نقطه دما و مقاومت مربوطه در هر نقطه دما تعیین می شود.
RT1 = مقاومت دما 1 RT2 = مقاومت دما 2 T1 = دما 1 (k) T2 = دما 2 (k)
کاربر از مقدار بتا نزدیک به محدوده دمای مورد استفاده در پروژه استفاده می کند. بیشتر داده های ترمیستور مقدار بتا را به همراه تحمل مقاومت در 25 درجه سانتیگراد و تحمل برای مقدار بتا لیست می کنند.
ترمیستورهای با دقت بالاتر و راه حل های خاتمه با دقت بالا مانند سری امگا 44xxx از معادله Steinhart-Hart برای تبدیل مقاومت در برابر درجه سانتیگراد استفاده می کنند. معادله 2 به سه ثابت A ، B و C نیاز دارد که دوباره توسط سازنده سنسور تهیه شده است. از آنجا که ضرایب معادله با استفاده از سه نقطه دما تولید می شود ، معادله حاصل خطای معرفی شده توسط خطی (به طور معمول 0.02 درجه سانتیگراد) را به حداقل می رساند.
A ، B و C ثابت هستند که از سه نقطه تنظیم دما حاصل می شوند. R = مقاومت ترمیستور در اهم t = درجه حرارت در درجه k
در شکل 3 تحریک فعلی سنسور را نشان می دهد. جریان درایو به ترمیستور اعمال می شود و همان جریان برای مقاومت دقیق اعمال می شود. از مقاومت دقیق به عنوان مرجع برای اندازه گیری استفاده می شود. مقدار مقاومت مرجع باید بیشتر از یا مساوی با بالاترین مقدار مقاومت ترمیستور باشد (بسته به کمترین دمای اندازه گیری شده در سیستم).
هنگام انتخاب جریان تحریک ، حداکثر مقاومت ترمیستور باید دوباره در نظر گرفته شود. این تضمین می کند که ولتاژ در سراسر سنسور و مقاومت مرجع همیشه در سطح قابل قبول برای الکترونیک است. منبع جریان میدان نیاز به تطبیق اتاق یا خروجی دارد. اگر ترمیستور در کمترین دمای قابل اندازه گیری مقاومت بالایی داشته باشد ، این منجر به جریان بسیار کم درایو خواهد شد. بنابراین ، ولتاژ تولید شده در ترمیستور در دمای بالا اندک است. برای بهینه سازی اندازه گیری این سیگنال های سطح پایین می توان از مراحل افزایش قابل برنامه ریزی استفاده کرد. با این حال ، سود باید به صورت پویا برنامه ریزی شود زیرا سطح سیگنال از ترمیستور با درجه حرارت بسیار متفاوت است.
گزینه دیگر تنظیم سود اما استفاده از جریان Dynamic Drive است. بنابراین ، با تغییر سطح سیگنال از ترمیستور ، مقدار جریان درایو به صورت پویا تغییر می کند به طوری که ولتاژ توسعه یافته در ترمیستور در محدوده ورودی مشخص شده دستگاه الکترونیکی قرار دارد. کاربر باید اطمینان حاصل کند که ولتاژ ایجاد شده در سراسر مقاومت مرجع نیز در یک سطح قابل قبول برای الکترونیک است. هر دو گزینه نیاز به سطح بالایی از کنترل ، نظارت مداوم بر ولتاژ در ترمیستور دارند تا الکترونیک بتواند سیگنال را اندازه گیری کند. آیا گزینه ساده تر وجود دارد؟ تحریک ولتاژ را در نظر بگیرید.
هنگامی که ولتاژ DC برای ترمیستور اعمال می شود ، جریان از طریق ترمیستور با تغییر مقاومت ترمیستور به طور خودکار مقیاس می شود. اکنون ، با استفاده از یک مقاومت اندازه گیری دقیق به جای یک مقاومت مرجع ، هدف آن محاسبه جریان جریان از طریق ترمیستور است ، بنابراین اجازه می دهد مقاومت ترمیستور محاسبه شود. از آنجا که ولتاژ درایو نیز به عنوان سیگنال مرجع ADC استفاده می شود ، مرحله افزایش لازم نیست. این پردازنده وظیفه نظارت بر ولتاژ ترمیستور را ندارد ، تعیین می کند که آیا می توان سطح سیگنال را با استفاده از الکترونیک اندازه گیری کرد و محاسبه میزان افزایش/جریان درایو باید تنظیم شود. این روشی است که در این مقاله استفاده می شود.
اگر ترمیستور دارای رتبه مقاومت و مقاومت کمی باشد ، می توان از ولتاژ یا تحریک جریان استفاده کرد. در این حالت ، جریان درایو و افزایش می تواند برطرف شود. بنابراین ، مدار همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. این روش از این نظر راحت است که می توان جریان را از طریق سنسور و مقاومت مرجع کنترل کرد ، که در برنامه های کم مصرف با ارزش است. علاوه بر این ، خود گرم کردن ترمیستور به حداقل می رسد.
تحریک ولتاژ همچنین می تواند برای ترمیستورهایی که دارای مقاومت کم هستند استفاده شود. با این حال ، کاربر همیشه باید اطمینان حاصل کند که جریان از طریق سنسور برای سنسور یا برنامه خیلی زیاد نیست.
تحریک ولتاژ هنگام استفاده از ترمیستور با رتبه بزرگ مقاومت و دامنه دمای گسترده ، اجرای را ساده می کند. مقاومت اسمی بزرگتر سطح قابل قبولی از جریان دارای امتیاز را فراهم می کند. با این حال ، طراحان باید اطمینان حاصل کنند که جریان در سطح قابل قبولی در کل دامنه دما است که توسط برنامه پشتیبانی می شود.
ADC های Sigma-Delta هنگام طراحی یک سیستم اندازه گیری ترمیستور چندین مزیت ارائه می دهند. اول ، از آنجا که Sigma-Delta ADC ورودی آنالوگ را تغییر می دهد ، فیلتر خارجی به حداقل می رسد و تنها الزامات یک فیلتر RC ساده است. آنها انعطاف پذیری را در نوع فیلتر و میزان خروجی BAUD فراهم می کنند. از فیلتر دیجیتال داخلی می توان برای سرکوب هرگونه تداخل در دستگاه های اصلی استفاده کرد. دستگاه های 24 بیتی مانند AD7124-4/AD7124-8 وضوح کامل تا 21.7 بیت دارند ، بنابراین وضوح بالایی را ارائه می دهند.
استفاده از ADC Sigma-Delta ، ضمن کاهش مشخصات ، هزینه سیستم ، فضای هیئت مدیره و زمان بازار ، طراحی ترمیستور را بسیار ساده می کند.
در این مقاله از AD7124-4/AD7124-8 به عنوان ADC استفاده می شود زیرا آنها سر و صدای کم ، جریان کم ، ADC های دقیق با PGA داخلی ، مرجع داخلی ، ورودی آنالوگ و بافر مرجع دارند.
صرف نظر از اینکه شما از ولتاژ جریان درایو یا ولتاژ درایو استفاده می کنید ، پیکربندی نسبت سنجی توصیه می شود که در آن ولتاژ مرجع و ولتاژ سنسور از همان منبع درایو تهیه می شود. این بدان معنی است که هرگونه تغییر در منبع تحریک بر صحت اندازه گیری تأثیر نمی گذارد.
در شکل 5 جریان درایو ثابت را برای ترمیستور و مقاومت دقیق RREF نشان می دهد ، ولتاژ توسعه یافته در RREF ولتاژ مرجع برای اندازه گیری ترمیستور است.
جریان میدان نیازی به دقیق بودن ندارد و ممکن است پایدارتر باشد زیرا هرگونه خطایی در جریان میدان در این پیکربندی از بین می رود. به طور کلی ، تحریک فعلی بر تحریک ولتاژ به دلیل کنترل حساسیت برتر و ایمنی سر و صدای بهتر در هنگام قرار گرفتن سنسور در مکان های از راه دور ترجیح داده می شود. این نوع روش تعصب به طور معمول برای RTD ها یا ترمیستورها با مقادیر مقاومت کم استفاده می شود. با این حال ، برای یک ترمیستور با مقدار مقاومت بالاتر و حساسیت بالاتر ، سطح سیگنال تولید شده توسط هر تغییر دما بزرگتر خواهد بود ، بنابراین از تحریک ولتاژ استفاده می شود. به عنوان مثال ، یک ترمیستور 10 kΩ مقاومت 10 کیلو کیلوگرم در 25 درجه سانتیگراد دارد. در -50 درجه سانتیگراد ، مقاومت ترمیستور NTC 441.117 kΩ است. حداقل جریان درایو 50 میکرومتر ارائه شده توسط AD7124-4/AD7124-8 441.117 kΩ × 50 μA = 22 ولت تولید می کند ، که بسیار زیاد است و در خارج از محدوده عملیاتی اکثر ADC های موجود که در این منطقه کاربردی استفاده می شود. ترمیستورها نیز معمولاً در نزدیکی الکترونیک به هم متصل یا واقع شده اند ، بنابراین مصونیت از رانندگی جریان لازم نیست.
اضافه کردن یک مقاومت حس در سری به عنوان یک مدار تقسیم کننده ولتاژ ، جریان را از طریق ترمیستور به حداقل مقدار مقاومت آن محدود می کند. در این پیکربندی ، مقدار rsense مقاومت در برابر حس باید برابر با مقدار مقاومت ترمیستور در دمای مرجع 25 درجه سانتیگراد باشد ، به طوری که ولتاژ خروجی برابر با نقطه میانی ولتاژ مرجع در دمای اسمی آن خواهد بود 25 درجه سانتیگراد به طور مشابه ، اگر یک ترمیستور 10 کیلوگرم با مقاومت 10 کیلو کیلوگرم در دمای 25 درجه سانتیگراد استفاده شود ، rsense باید 10 kΩ باشد. با تغییر دما ، مقاومت ترمیستور NTC نیز تغییر می کند ، و نسبت ولتاژ درایو در سراسر ترمیستور نیز تغییر می کند و در نتیجه ولتاژ خروجی متناسب با مقاومت ترمیستور NTC است.
اگر مرجع ولتاژ انتخاب شده مورد استفاده ترمیستور و/یا RSENSE با ولتاژ مرجع ADC مورد استفاده برای اندازه گیری استفاده شود ، سیستم روی اندازه گیری نسبت سنجی تنظیم می شود (شکل 7) به طوری که هر گونه منبع ولتاژ خطای مرتبط با تحریک برای حذف مغرضانه خواهد بود.
توجه داشته باشید که یا مقاومت حساس (ولتاژ محور) یا مقاومت مرجع (جریان محور) باید تحمل اولیه کم و رانش کم داشته باشد ، زیرا هر دو متغیر می توانند بر صحت کل سیستم تأثیر بگذارند.
هنگام استفاده از ترمیستورهای متعدد ، می توان از یک ولتاژ تحریک استفاده کرد. با این حال ، هر ترمیستور باید همانطور که در شکل نشان داده شده است ، مقاومت دقیق خود را داشته باشد. 8. گزینه دیگر استفاده از یک مولتیپلر خارجی یا سوئیچ با مقاومت کم در حالت ON است که به اشتراک گذاری یک مقاومت حس دقیق امکان پذیر است. با استفاده از این پیکربندی ، هر ترمیستور هنگام اندازه گیری به زمان تسویه حساب نیاز دارد.
به طور خلاصه ، هنگام طراحی یک سیستم اندازه گیری دما مبتنی بر ترمیستور ، سؤالات بسیاری در نظر گرفته شده است: انتخاب سنسور ، سیم کشی سنسور ، معاملات انتخاب مؤلفه ، پیکربندی ADC و چگونگی تأثیر این متغیرهای مختلف بر دقت کلی سیستم. مقاله بعدی در این مجموعه نحوه بهینه سازی طراحی سیستم و بودجه خطای کلی سیستم برای دستیابی به عملکرد هدف خود را توضیح می دهد.