بهینه‌سازی سیستم‌های اندازه‌گیری دما مبتنی بر ترمیستور: یک چالش

این اولین مقاله از یک مجموعه دو قسمتی است. این مقاله ابتدا تاریخچه و چالش‌های طراحی ... را مورد بحث قرار می‌دهد.دما مبتنی بر ترمیستورسیستم‌های اندازه‌گیری و همچنین مقایسه آنها با سیستم‌های اندازه‌گیری دما با دماسنج مقاومتی (RTD). همچنین انتخاب ترمیستور، مصالحه‌های پیکربندی و اهمیت مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال سیگما-دلتا (ADC) در این حوزه کاربردی شرح داده خواهد شد. مقاله دوم به تفصیل نحوه بهینه‌سازی و ارزیابی سیستم اندازه‌گیری نهایی مبتنی بر ترمیستور را شرح می‌دهد.
همانطور که در مجموعه مقالات قبلی با عنوان «بهینه‌سازی سیستم‌های حسگر دمای RTD» توضیح داده شد، RTD مقاومتی است که مقاومت آن با دما تغییر می‌کند. ترمیستورها مشابه RTDها کار می‌کنند. برخلاف RTDها که فقط ضریب دمایی مثبت دارند، ترمیستور می‌تواند ضریب دمایی مثبت یا منفی داشته باشد. ترمیستورهای ضریب دمایی منفی (NTC) با افزایش دما مقاومت خود را کاهش می‌دهند، در حالی که ترمیستورهای ضریب دمایی مثبت (PTC) با افزایش دما مقاومت خود را افزایش می‌دهند. در شکل 1، ویژگی‌های پاسخ ترمیستورهای معمولی NTC و PTC نشان داده شده و آنها را با منحنی‌های RTD مقایسه می‌کند.
از نظر محدوده دمایی، منحنی RTD تقریباً خطی است و این سنسور به دلیل ماهیت غیرخطی (نمایی) ترمیستور، محدوده دمایی بسیار وسیع‌تری را نسبت به ترمیستورها (معمولاً -200 درجه سانتیگراد تا +850 درجه سانتیگراد) پوشش می‌دهد. RTDها معمولاً در منحنی‌های استاندارد شناخته شده ارائه می‌شوند، در حالی که منحنی‌های ترمیستور بسته به سازنده متفاوت است. ما در بخش راهنمای انتخاب ترمیستور این مقاله به تفصیل در مورد این موضوع بحث خواهیم کرد.
ترمیستورها از مواد کامپوزیتی، معمولاً سرامیک، پلیمر یا نیمه‌هادی (معمولاً اکسیدهای فلزی) و فلزات خالص (پلاتین، نیکل یا مس) ساخته می‌شوند. ترمیستورها می‌توانند تغییرات دما را سریع‌تر از RTDها تشخیص دهند و بازخورد سریع‌تری ارائه دهند. بنابراین، ترمیستورها معمولاً توسط حسگرها در کاربردهایی که نیاز به هزینه کم، اندازه کوچک، پاسخ سریع‌تر، حساسیت بالاتر و محدوده دمایی محدود دارند، مانند کنترل الکترونیک، کنترل خانه و ساختمان، آزمایشگاه‌های علمی یا جبران اتصال سرد برای ترموکوپل‌ها در کاربردهای تجاری یا صنعتی، استفاده می‌شوند. اهداف. کاربردها.
در بیشتر موارد، ترمیستورهای NTC برای اندازه‌گیری دقیق دما استفاده می‌شوند، نه ترمیستورهای PTC. برخی از ترمیستورهای PTC موجود هستند که می‌توانند در مدارهای حفاظت در برابر اضافه جریان یا به عنوان فیوزهای قابل تنظیم مجدد برای کاربردهای ایمنی استفاده شوند. منحنی مقاومت-دما یک ترمیستور PTC قبل از رسیدن به نقطه سوئیچ (یا نقطه کوری) یک ناحیه NTC بسیار کوچک را نشان می‌دهد که بالاتر از آن مقاومت در محدوده چندین درجه سانتیگراد به شدت افزایش می‌یابد. در شرایط اضافه جریان، ترمیستور PTC هنگام عبور از دمای سوئیچینگ، خودگرمایی قوی ایجاد می‌کند و مقاومت آن به شدت افزایش می‌یابد که جریان ورودی به سیستم را کاهش می‌دهد و در نتیجه از آسیب جلوگیری می‌کند. نقطه سوئیچینگ ترمیستورهای PTC معمولاً بین 60 تا 120 درجه سانتیگراد است و برای کنترل اندازه‌گیری دما در طیف وسیعی از کاربردها مناسب نیست. این مقاله بر روی ترمیستورهای NTC تمرکز دارد که معمولاً می‌توانند دماهای بین -80 تا +150 درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری یا نظارت کنند. ترمیستورهای NTC دارای مقاومت نامی از چند اهم تا 10 مگا اهم در دمای 25 درجه سانتیگراد هستند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، تغییر مقاومت به ازای هر درجه سانتیگراد برای ترمیستورها نسبت به دماسنج‌های مقاومتی بارزتر است. در مقایسه با ترمیستورها، حساسیت بالا و مقدار مقاومت بالای ترمیستور، مدار ورودی آن را ساده‌تر می‌کند، زیرا ترمیستورها برای جبران مقاومت سیم‌ها به هیچ پیکربندی سیم‌کشی خاصی مانند 3 سیم یا 4 سیم نیاز ندارند. طراحی ترمیستور فقط از یک پیکربندی ساده 2 سیمه استفاده می‌کند.
اندازه‌گیری دقیق دما مبتنی بر ترمیستور، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، نیاز به پردازش دقیق سیگنال، تبدیل آنالوگ به دیجیتال، خطی‌سازی و جبران‌سازی دارد.
اگرچه زنجیره سیگنال ممکن است ساده به نظر برسد، اما پیچیدگی‌های متعددی وجود دارد که بر اندازه، هزینه و عملکرد کل مادربرد تأثیر می‌گذارد. نمونه کارهای ADC دقیق ADI شامل چندین راه‌حل یکپارچه، مانند AD7124-4/AD7124-8 است که مزایای متعددی را برای طراحی سیستم حرارتی فراهم می‌کند، زیرا بیشتر بلوک‌های سازنده مورد نیاز برای یک کاربرد، داخلی هستند. با این حال، چالش‌های مختلفی در طراحی و بهینه‌سازی راه‌حل‌های اندازه‌گیری دما مبتنی بر ترمیستور وجود دارد.
این مقاله هر یک از این مسائل را مورد بحث قرار می‌دهد و توصیه‌هایی برای حل آنها و ساده‌سازی بیشتر فرآیند طراحی برای چنین سیستم‌هایی ارائه می‌دهد.
طیف گسترده‌ای از آنها وجود داردترمیستورهای NTCامروزه در بازار موجود است، بنابراین انتخاب ترمیستور مناسب برای کاربرد شما می‌تواند یک کار دلهره‌آور باشد. توجه داشته باشید که ترمیستورها بر اساس مقدار اسمی خود، که مقاومت اسمی آنها در دمای 25 درجه سانتیگراد است، فهرست می‌شوند. بنابراین، یک ترمیستور 10 کیلواهم دارای مقاومت اسمی 10 کیلواهم در دمای 25 درجه سانتیگراد است. ترمیستورها دارای مقادیر مقاومت اسمی یا پایه از چند اهم تا 10 مگااهم هستند. ترمیستورهایی با مقاومت اسمی کم (مقاومت اسمی 10 کیلواهم یا کمتر) معمولاً از محدوده‌های دمایی پایین‌تر، مانند -50 درجه سانتیگراد تا +70 درجه سانتیگراد، پشتیبانی می‌کنند. ترمیستورهایی با مقاومت اسمی بالاتر می‌توانند تا دمای 300 درجه سانتیگراد را تحمل کنند.
عنصر ترمیستور از اکسید فلز ساخته شده است. ترمیستورها در شکل‌های گوی، شعاعی و SMD موجود هستند. دانه‌های ترمیستور برای محافظت بیشتر با اپوکسی پوشش داده شده یا با شیشه پوشانده شده‌اند. ترمیستورهای گوی، شعاعی و سطحی با روکش اپوکسی برای دماهای تا 150 درجه سانتیگراد مناسب هستند. ترمیستورهای مهره شیشه‌ای برای اندازه‌گیری دماهای بالا مناسب هستند. انواع پوشش‌ها/بسته‌بندی‌ها نیز در برابر خوردگی محافظت می‌کنند. برخی از ترمیستورها همچنین دارای محفظه‌های اضافی برای محافظت بیشتر در محیط‌های سخت هستند. ترمیستورهای مهره‌ای زمان پاسخ سریع‌تری نسبت به ترمیستورهای شعاعی/SMD دارند. با این حال، آنها به اندازه آنها بادوام نیستند. بنابراین، نوع ترمیستور مورد استفاده به کاربرد نهایی و محیطی که ترمیستور در آن قرار دارد بستگی دارد. پایداری طولانی مدت یک ترمیستور به جنس، بسته‌بندی و طراحی آن بستگی دارد. به عنوان مثال، یک ترمیستور NTC با روکش اپوکسی می‌تواند 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 می‌کند.
ترمیستورها با دقت‌های مختلفی عرضه می‌شوند. ترمیستورهای استاندارد معمولاً دقتی بین 0.5 تا 1.5 درجه سانتیگراد دارند. مقاومت ترمیستور و مقدار بتا (نسبت 25 درجه سانتیگراد به 50 درجه سانتیگراد/85 درجه سانتیگراد) دارای تلرانس هستند. توجه داشته باشید که مقدار بتای ترمیستور بسته به سازنده متفاوت است. به عنوان مثال، ترمیستورهای NTC با مقاومت 10 کیلو اهم از سازندگان مختلف، مقادیر بتای متفاوتی خواهند داشت. برای سیستم‌های دقیق‌تر، می‌توان از ترمیستورهایی مانند سری Omega™ 44xxx استفاده کرد. آنها در محدوده دمایی 0 تا 70 درجه سانتیگراد، دقتی معادل 0.1 درجه سانتیگراد یا 0.2 درجه سانتیگراد دارند. بنابراین، محدوده دماهایی که می‌توان اندازه‌گیری کرد و دقت مورد نیاز در آن محدوده دما، تعیین می‌کند که آیا ترمیستورها برای این کاربرد مناسب هستند یا خیر. لطفاً توجه داشته باشید که هرچه دقت سری Omega 44xxx بیشتر باشد، هزینه آن نیز بیشتر است.
برای تبدیل مقاومت به درجه سانتیگراد، معمولاً از مقدار بتا استفاده می شود. مقدار بتا با دانستن دو نقطه دمایی و مقاومت مربوطه در هر نقطه دمایی تعیین می شود.
RT1 = مقاومت دمایی ۱ RT2 = مقاومت دمایی ۲ T1 = دمای ۱ (کلوین) T2 = دمای ۲ (کلوین)
کاربر از نزدیکترین مقدار بتا به محدوده دمایی مورد استفاده در پروژه استفاده می‌کند. اکثر برگه‌های اطلاعات ترمیستور، مقدار بتا را به همراه تلرانس مقاومت در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد و تلرانس مقدار بتا فهرست می‌کنند.
ترمیستورهای با دقت بالاتر و راه‌حل‌های پایانه‌دهی با دقت بالا مانند سری Omega 44xxx از معادله Steinhart-Hart برای تبدیل مقاومت به درجه سانتیگراد استفاده می‌کنند. معادله 2 به سه ثابت A، B و C نیاز دارد که دوباره توسط سازنده سنسور ارائه می‌شوند. از آنجا که ضرایب معادله با استفاده از سه نقطه دما تولید می‌شوند، معادله حاصل خطای ایجاد شده توسط خطی‌سازی (معمولاً 0.02 درجه سانتیگراد) را به حداقل می‌رساند.
A، B و C ثابت‌هایی هستند که از سه نقطه تنظیم دما مشتق شده‌اند. R = مقاومت ترمیستور بر حسب اهم T = دما بر حسب کیلو درجه
شکل ۳ جریان تحریک سنسور را نشان می‌دهد. جریان محرک به ترمیستور اعمال می‌شود و همین جریان به مقاومت دقیق اعمال می‌شود؛ یک مقاومت دقیق به عنوان مرجع برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود. مقدار مقاومت مرجع باید بزرگتر یا مساوی بالاترین مقدار مقاومت ترمیستور باشد (بسته به کمترین دمای اندازه‌گیری شده در سیستم).
هنگام انتخاب جریان تحریک، باید دوباره حداکثر مقاومت ترمیستور در نظر گرفته شود. این امر تضمین می‌کند که ولتاژ دو سر سنسور و مقاومت مرجع همیشه در سطح قابل قبولی برای قطعات الکترونیکی باشد. منبع جریان میدان به مقداری فضای خالی یا تطبیق خروجی نیاز دارد. اگر ترمیستور در کمترین دمای قابل اندازه‌گیری مقاومت بالایی داشته باشد، این امر منجر به جریان محرک بسیار کمی خواهد شد. بنابراین، ولتاژ تولید شده در طول ترمیستور در دمای بالا اندک است. می‌توان از طبقات بهره قابل برنامه‌ریزی برای بهینه‌سازی اندازه‌گیری این سیگنال‌های سطح پایین استفاده کرد. با این حال، بهره باید به صورت پویا برنامه‌ریزی شود زیرا سطح سیگنال از ترمیستور با دما بسیار تغییر می‌کند.
گزینه دیگر تنظیم بهره اما استفاده از جریان محرک پویا است. بنابراین، با تغییر سطح سیگنال از ترمیستور، مقدار جریان محرک نیز به صورت پویا تغییر می‌کند تا ولتاژ ایجاد شده در ترمیستور در محدوده ورودی مشخص شده دستگاه الکترونیکی باشد. کاربر باید اطمینان حاصل کند که ولتاژ ایجاد شده در مقاومت مرجع نیز در سطح قابل قبولی برای قطعات الکترونیکی است. هر دو گزینه نیاز به سطح بالایی از کنترل و نظارت مداوم بر ولتاژ در ترمیستور دارند تا قطعات الکترونیکی بتوانند سیگنال را اندازه‌گیری کنند. آیا گزینه آسان‌تری وجود دارد؟ تحریک ولتاژ را در نظر بگیرید.
وقتی ولتاژ DC به ترمیستور اعمال می‌شود، جریان عبوری از ترمیستور به طور خودکار با تغییر مقاومت ترمیستور تغییر می‌کند. اکنون، با استفاده از یک مقاومت اندازه‌گیری دقیق به جای یک مقاومت مرجع، هدف آن محاسبه جریان عبوری از ترمیستور است، در نتیجه امکان محاسبه مقاومت ترمیستور فراهم می‌شود. از آنجایی که ولتاژ درایو نیز به عنوان سیگنال مرجع ADC استفاده می‌شود، هیچ مرحله بهره‌ای لازم نیست. پردازنده وظیفه نظارت بر ولتاژ ترمیستور، تعیین اینکه آیا سطح سیگنال می‌تواند توسط قطعات الکترونیکی اندازه‌گیری شود یا خیر، و محاسبه مقدار بهره/جریان درایو که باید تنظیم شود را ندارد. این روشی است که در این مقاله استفاده شده است.
اگر ترمیستور دارای مقاومت نامی و محدوده مقاومت کمی باشد، می‌توان از تحریک ولتاژ یا جریان استفاده کرد. در این حالت، جریان محرک و بهره را می‌توان ثابت نگه داشت. بنابراین، مدار مطابق شکل ۳ خواهد بود. این روش از این جهت مناسب است که می‌توان جریان را از طریق سنسور و مقاومت مرجع کنترل کرد، که در کاربردهای توان پایین ارزشمند است. علاوه بر این، خودگرمایی ترمیستور به حداقل می‌رسد.
تحریک ولتاژ همچنین می‌تواند برای ترمیستورهایی با مقاومت نامی پایین استفاده شود. با این حال، کاربر همیشه باید مطمئن شود که جریان عبوری از سنسور برای سنسور یا کاربرد مورد نظر خیلی زیاد نباشد.
تحریک ولتاژ، پیاده‌سازی را هنگام استفاده از ترمیستور با مقاومت نامی بزرگ و محدوده دمایی وسیع، ساده می‌کند. مقاومت اسمی بزرگتر، سطح قابل قبولی از جریان نامی را فراهم می‌کند. با این حال، طراحان باید اطمینان حاصل کنند که جریان در کل محدوده دمایی پشتیبانی شده توسط کاربرد، در سطح قابل قبولی باشد.
مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال سیگما-دلتا هنگام طراحی یک سیستم اندازه‌گیری ترمیستور چندین مزیت ارائه می‌دهند. اول، از آنجا که مبدل آنالوگ به دیجیتال سیگما-دلتا ورودی آنالوگ را دوباره نمونه‌برداری می‌کند، فیلتر خارجی به حداقل می‌رسد و تنها نیاز، یک فیلتر RC ساده است. آن‌ها انعطاف‌پذیری در نوع فیلتر و نرخ بیت خروجی را فراهم می‌کنند. فیلتر دیجیتال داخلی می‌تواند برای سرکوب هرگونه تداخل در دستگاه‌های تغذیه شده با برق شهری استفاده شود. دستگاه‌های ۲۴ بیتی مانند AD7124-4/AD7124-8 دارای وضوح کامل تا ۲۱.۷ بیت هستند، بنابراین وضوح بالایی را ارائه می‌دهند.
استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال سیگما-دلتا، طراحی ترمیستور را تا حد زیادی ساده می‌کند و در عین حال مشخصات، هزینه سیستم، فضای برد و زمان عرضه به بازار را کاهش می‌دهد.
در این مقاله از AD7124-4/AD7124-8 به عنوان ADC استفاده شده است زیرا این ADCها نویز کم، جریان کم، دقت بالا و دارای PGA داخلی، مرجع داخلی، ورودی آنالوگ و بافر مرجع هستند.
صرف نظر از اینکه از جریان محرک یا ولتاژ محرک استفاده می‌کنید، یک پیکربندی نسبت‌سنجی توصیه می‌شود که در آن ولتاژ مرجع و ولتاژ سنسور از یک منبع محرک یکسان می‌آیند. این بدان معناست که هرگونه تغییر در منبع تحریک، بر دقت اندازه‌گیری تأثیری نخواهد گذاشت.
شکل ۵ جریان محرک ثابت برای ترمیستور و مقاومت دقیق RREF را نشان می‌دهد، ولتاژ ایجاد شده در RREF ولتاژ مرجع برای اندازه‌گیری ترمیستور است.
جریان میدان نیازی به دقت ندارد و ممکن است پایداری کمتری داشته باشد زیرا هرگونه خطایی در جریان میدان در این پیکربندی حذف می‌شود. به طور کلی، تحریک جریان به دلیل کنترل حساسیت برتر و مصونیت بهتر در برابر نویز، هنگامی که سنسور در مکان‌های دور قرار دارد، نسبت به تحریک ولتاژ ترجیح داده می‌شود. این نوع روش بایاس معمولاً برای RTDها یا ترمیستورهایی با مقادیر مقاومت کم استفاده می‌شود. با این حال، برای ترمیستوری با مقدار مقاومت و حساسیت بالاتر، سطح سیگنال تولید شده توسط هر تغییر دما بزرگتر خواهد بود، بنابراین از تحریک ولتاژ استفاده می‌شود. به عنوان مثال، یک ترمیستور 10 کیلواهم در دمای 25 درجه سانتیگراد دارای مقاومت 10 کیلواهم است. در دمای -50 درجه سانتیگراد، مقاومت ترمیستور NTC برابر با 441.117 کیلواهم است. حداقل جریان راه اندازی ۵۰ میکروآمپر که توسط AD7124-4/AD7124-8 ارائه می‌شود، ۴۴۱.۱۱۷ کیلو اهم × ۵۰ میکروآمپر = ۲۲ ولت تولید می‌کند که بسیار زیاد و خارج از محدوده عملیاتی اکثر ADC های موجود در این زمینه کاربردی است. ترمیستورها نیز معمولاً در نزدیکی قطعات الکترونیکی متصل یا قرار می‌گیرند، بنابراین نیازی به مصونیت در برابر جریان راه اندازی نیست.
اضافه کردن یک مقاومت حسگر به صورت سری به عنوان مدار تقسیم ولتاژ، جریان عبوری از ترمیستور را به حداقل مقدار مقاومت آن محدود می‌کند. در این پیکربندی، مقدار مقاومت حسگر RSENSE باید برابر با مقدار مقاومت ترمیستور در دمای مرجع ۲۵ درجه سانتیگراد باشد، به طوری که ولتاژ خروجی برابر با نقطه میانی ولتاژ مرجع در دمای نامی آن ۲۵ درجه سانتیگراد باشد. به طور مشابه، اگر از یک ترمیستور ۱۰ کیلواهم با مقاومت ۱۰ کیلواهم در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد استفاده شود، RSENSE باید ۱۰ کیلواهم باشد. با تغییر دما، مقاومت ترمیستور NTC نیز تغییر می‌کند و نسبت ولتاژ راه اندازی در سراسر ترمیستور نیز تغییر می‌کند و در نتیجه ولتاژ خروجی متناسب با مقاومت ترمیستور NTC خواهد بود.
اگر مرجع ولتاژ انتخاب شده برای تغذیه ترمیستور و/یا RSENSE با ولتاژ مرجع ADC مورد استفاده برای اندازه‌گیری مطابقت داشته باشد، سیستم روی اندازه‌گیری نسبت‌سنجی (شکل 7) تنظیم می‌شود تا هرگونه منبع ولتاژ خطای مرتبط با تحریک بایاس شود و حذف گردد.
توجه داشته باشید که یا مقاومت حسگر (تحریک‌شده با ولتاژ) یا مقاومت مرجع (تحریک‌شده با جریان) باید تلورانس اولیه و رانش کمی داشته باشند، زیرا هر دو متغیر می‌توانند بر دقت کل سیستم تأثیر بگذارند.
هنگام استفاده از چندین ترمیستور، می‌توان از یک ولتاژ تحریک استفاده کرد. با این حال، هر ترمیستور باید مقاومت حسگر دقیق خود را داشته باشد، همانطور که در شکل ۸ نشان داده شده است. گزینه دیگر استفاده از یک مالتی‌پلکسر خارجی یا سوئیچ کم مقاومت در حالت روشن است که امکان اشتراک‌گذاری یک مقاومت حسگر دقیق را فراهم می‌کند. با این پیکربندی، هر ترمیستور هنگام اندازه‌گیری به زمان تثبیت نیاز دارد.
به طور خلاصه، هنگام طراحی یک سیستم اندازه‌گیری دما مبتنی بر ترمیستور، سوالات زیادی باید در نظر گرفته شود: انتخاب سنسور، سیم‌کشی سنسور، انتخاب قطعات، پیکربندی ADC و اینکه چگونه این متغیرهای مختلف بر دقت کلی سیستم تأثیر می‌گذارند. مقاله بعدی در این مجموعه توضیح می‌دهد که چگونه طراحی سیستم و بودجه کلی خطای سیستم خود را برای دستیابی به عملکرد هدف خود بهینه کنید.