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

این اولین مقاله از یک مجموعه دو قسمتی است.این مقاله ابتدا تاریخچه و چالش های طراحی را مورد بحث قرار می دهددمای مبتنی بر ترمیستورسیستم های اندازه گیری و همچنین مقایسه آنها با سیستم های اندازه گیری دما دماسنج مقاومتی (RTD).همچنین انتخاب ترمیستور، مبادلات پیکربندی، و اهمیت مبدل های آنالوگ به دیجیتال سیگما-دلتا (ADC) در این حوزه کاربردی را شرح می دهد.مقاله دوم نحوه بهینه‌سازی و ارزیابی سیستم اندازه‌گیری مبتنی بر ترمیستور نهایی را شرح می‌دهد.
همانطور که در سری مقالات قبلی، بهینه سازی سیستم های سنسور دمای RTD توضیح داده شد، RTD مقاومتی است که مقاومت آن با دما تغییر می کند.ترمیستورها مشابه RTD ها کار می کنند.برخلاف RTD ها که فقط ضریب دمایی مثبت دارند، ترمیستور می تواند ضریب دمایی مثبت یا منفی داشته باشد.ترمیستورهای ضریب دمای منفی (NTC) با افزایش دما مقاومت خود را کاهش می دهند، در حالی که ترمیستورهای ضریب دمایی مثبت (PTC) با افزایش دما مقاومت خود را افزایش می دهند.روی انجیر1 ویژگی های پاسخ ترمیستورهای معمولی NTC و PTC را نشان می دهد و آنها را با منحنی های RTD مقایسه می کند.
از نظر محدوده دما، منحنی RTD تقریباً خطی است و سنسور به دلیل ماهیت غیرخطی (نمایی) ترمیستور، محدوده دمایی بسیار وسیع تری را نسبت به ترمیستورها (معمولاً 200- تا 850 درجه سانتی گراد) پوشش می دهد.RTD ها معمولاً در منحنی های استاندارد شناخته شده ارائه می شوند، در حالی که منحنی های ترمیستور بسته به سازنده متفاوت است.در بخش راهنمای انتخاب ترمیستور در این مقاله به تفصیل درباره این موضوع صحبت خواهیم کرد.
ترمیستورها از مواد کامپوزیتی، معمولاً سرامیک، پلیمر، 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 حسگرها در کاربردهایی استفاده می‌شوند 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 تجارت. یا کاربردهای صنعتیاهدافبرنامه های کاربردی.
در بیشتر موارد، ترمیستورهای NTC برای اندازه گیری دقیق دما استفاده می شوند، نه ترمیستورهای PTC.برخی از ترمیستورهای PTC در دسترس هستند که می توانند در مدارهای حفاظتی در برابر جریان اضافه یا به عنوان فیوزهای قابل تنظیم مجدد برای کاربردهای ایمنی استفاده شوند.منحنی مقاومت-دمای یک ترمیستور PTC یک ناحیه NTC بسیار کوچک را قبل از رسیدن به نقطه سوئیچ (یا نقطه کوری) نشان می دهد، که در بالای آن مقاومت به شدت با چندین مرتبه بزرگی در محدوده چند درجه سانتیگراد افزایش می یابد.در شرایط جریان بیش از حد، ترمیستور PTC هنگامی که دمای سوئیچینگ بیش از حد باشد، خود گرمایش قوی ایجاد می کند و مقاومت آن به شدت افزایش می یابد که جریان ورودی به سیستم را کاهش می دهد و در نتیجه از آسیب جلوگیری می کند.نقطه سوئیچ ترمیستورهای PTC معمولا بین 60 تا 120 درجه سانتی گراد است و برای کنترل اندازه گیری دما در طیف وسیعی از کاربردها مناسب نیست.این مقاله بر ترمیستورهای NTC تمرکز دارد که معمولاً می توانند دماهای 80- تا 150+ درجه سانتی گراد را اندازه گیری یا نظارت کنند.ترمیستورهای NTC دارای درجه بندی مقاومتی از چند اهم تا 10 MΩ در 25 درجه سانتیگراد هستند.همانطور که در شکل نشان داده شده است.1، تغییر مقاومت در درجه سانتیگراد برای ترمیستورها نسبت به دماسنج های مقاومتی بارزتر است.در مقایسه با ترمیستورها، حساسیت و مقاومت بالای ترمیستور مدار ورودی آن را ساده می کند، زیرا ترمیستورها برای جبران مقاومت سرب نیازی به پیکربندی سیم کشی خاصی مانند 3 یا 4 سیم ندارند.طراحی ترمیستور فقط از یک پیکربندی ساده 2 سیمه استفاده می کند.
اندازه گیری دما بر پایه ترمیستور با دقت بالا به پردازش سیگنال دقیق، تبدیل آنالوگ به دیجیتال، خطی سازی و جبران نیاز دارد، همانطور که در شکل نشان داده شده است.2.
اگرچه ممکن است زنجیره سیگنال ساده به نظر برسد، اما پیچیدگی های متعددی وجود دارد که بر اندازه، هزینه و عملکرد کل مادربرد تأثیر می گذارد.مجموعه ADC دقیق ADI شامل چندین راه حل یکپارچه مانند AD7124-4/AD7124-8 است که تعدادی مزیت را برای طراحی سیستم حرارتی فراهم می کند زیرا اکثر بلوک های ساختمانی مورد نیاز برای یک برنامه داخلی هستند.با این حال، چالش های مختلفی در طراحی و بهینه سازی راه حل های اندازه گیری 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 گسترده ای از وجود داردترمیستورهای NTCامروزه در بازار وجود دارد، بنابراین انتخاب ترمیستور مناسب برای کاربرد شما می تواند یک کار دلهره آور باشد.توجه داشته باشید که ترمیستورها با مقدار اسمی آنها که مقاومت اسمی آنها در 25 درجه سانتیگراد است، فهرست می شوند.بنابراین یک ترمیستور 10 کیلو اهم دارای مقاومت اسمی 10 کیلو اهم در دمای 25 درجه سانتیگراد است.ترمیستورها دارای مقادیر مقاومت اسمی یا پایه هستند که از چند اهم تا 10 مگا اهم متغیر است.ترمیستورها با درجه بندی مقاومت پایین (مقاومت اسمی 10 کیلو اهم یا کمتر) معمولاً از محدوده دمایی پایین تری مانند -50 درجه سانتی گراد تا 70+ درجه سانتی گراد پشتیبانی می کنند.ترمیستورها با درجه مقاومت بالاتر می توانند تا دمای 300 درجه سانتیگراد را تحمل کنند.
عنصر ترمیستور از اکسید فلز ساخته شده است.ترمیستورها در اشکال توپی، شعاعی و SMD موجود هستند.مهره های ترمیستور برای محافظت بیشتر از روکش اپوکسی یا محصور شیشه ای استفاده می کنند.ترمیستورهای توپی با روکش اپوکسی، ترمیستورهای شعاعی و سطحی برای دماهای تا 150 درجه سانتی گراد مناسب هستند.ترمیستورهای مهره های شیشه ای برای اندازه گیری دماهای بالا مناسب هستند.انواع پوشش ها/ بسته بندی ها نیز در برابر خوردگی محافظت می کنند.برخی از ترمیستورها همچنین دارای محفظه های اضافی برای محافظت بیشتر در محیط های خشن خواهند بود.ترمیستورهای مهره ای زمان پاسخگویی سریع تری نسبت به ترمیستورهای شعاعی/SMD دارند.با این حال، آنها به اندازه کافی بادوام نیستند.بنابراین نوع ترمیستور مورد استفاده به کاربرد نهایی و محیطی که ترمیستور در آن قرار دارد بستگی دارد.پایداری طولانی مدت ترمیستور به مواد، بسته بندی 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 تنها 0.02 درجه سانتیگراد در سال تغییر می کند.
ترمیستورها دقت متفاوتی دارند.ترمیستورهای استاندارد معمولاً دارای دقت 0.5 تا 1.5 درجه سانتیگراد هستند.درجه مقاومت ترمیستور و مقدار بتا (نسبت 25 درجه سانتیگراد به 50 درجه سانتیگراد / 85 درجه سانتیگراد) دارای تحمل هستند.توجه داشته باشید که مقدار بتای ترمیستور بسته به سازنده متفاوت است.به عنوان مثال، ترمیستورهای 10 کیلو اهم NTC از سازندگان مختلف، مقادیر بتا متفاوتی خواهند داشت.برای سیستم های دقیق تر می توان از ترمیستورهایی مانند سری Omega™ 44xxx استفاده کرد.آنها دارای دقت 0.1 درجه سانتیگراد یا 0.2 درجه سانتیگراد در محدوده دمایی 0 تا 70 درجه سانتیگراد هستند.بنابراین، محدوده دماهایی که می توان اندازه گیری کرد و دقت مورد نیاز در آن محدوده دما تعیین می کند که آیا ترمیستورها برای این کاربرد مناسب هستند یا خیر.لطفا توجه داشته باشید که هر چه دقت سری امگا 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 دما و مقاومت مربوطه در هر نقطه دما تعیین می شود.
RT1 = مقاومت در برابر دما 1 RT2 = مقاومت در برابر دما 2 T1 = دما 1 (K) T2 = دما 2 (K)
کاربر از نزدیکترین مقدار بتا به محدوده دمایی مورد استفاده در پروژه استفاده می کند.اکثر برگه های اطلاعات ترمیستور یک مقدار بتا را همراه با تحمل مقاومت در 25 درجه سانتیگراد و یک تلورانس برای مقدار بتا ذکر می کنند.
ترمیستورهای با دقت بالاتر و راه حل های خاتمه با دقت بالا مانند سری Omega 44xxx از معادله Steinhart-Hart برای تبدیل مقاومت به درجه سانتیگراد استفاده می کنند.معادله 2 به سه ثابت A، B و C نیاز دارد که دوباره توسط سازنده حسگر ارائه شده است.از آنجایی که ضرایب معادله با استفاده از سه نقطه دمایی تولید می‌شوند، معادله حاصل خطای خطی‌سازی (معمولاً 0.02 درجه سانتی‌گراد) را به حداقل می‌رساند.
A، B و C ثابت هایی هستند که از سه نقطه تنظیم دما به دست می آیند.R = مقاومت ترمیستور بر حسب اهم T = دما بر حسب K درجه
روی انجیر3 تحریک فعلی سنسور را نشان می دهد.جریان درایو به ترمیستور و همان جریان به مقاومت دقیق اعمال می شود.یک مقاومت دقیق به عنوان مرجع برای اندازه گیری استفاده می شود.مقدار مقاومت مرجع باید بزرگتر یا مساوی با بالاترین مقدار مقاومت ترمیستور (بسته به کمترین دمای اندازه گیری شده در سیستم) باشد.
هنگام انتخاب جریان تحریک، حداکثر مقاومت ترمیستور باید مجدداً در نظر گرفته شود.این تضمین می کند که ولتاژ سنسور و مقاومت مرجع همیشه در سطح قابل قبولی برای الکترونیک باشد.منبع جریان میدان به مقداری تطبیق فضای سر یا خروجی نیاز دارد.اگر ترمیستور در پایین ترین دمای قابل اندازه گیری مقاومت بالایی داشته باشد، جریان درایو بسیار پایینی را به همراه خواهد داشت.بنابراین، ولتاژ تولید شده در ترمیستور در دمای بالا کم است.برای بهینه سازی اندازه گیری این سیگنال های سطح پایین می توان از مراحل بهره قابل برنامه ریزی استفاده کرد.با این حال، بهره باید به صورت دینامیکی برنامه ریزی شود زیرا سطح سیگنال ترمیستور با دما بسیار متفاوت است.
گزینه دیگر تنظیم بهره اما استفاده از جریان پویا درایو است.بنابراین، با تغییر سطح سیگنال از ترمیستور، مقدار جریان درایو به صورت دینامیکی تغییر می کند به طوری که ولتاژ ایجاد شده در ترمیستور در محدوده ورودی مشخص شده دستگاه الکترونیکی قرار می گیرد.کاربر باید اطمینان حاصل کند که ولتاژ ایجاد شده در مقاومت مرجع نیز در سطح قابل قبولی برای الکترونیک است.هر دو گزینه به سطح بالایی از کنترل، نظارت مداوم بر ولتاژ ترمیستور نیاز دارند تا الکترونیک بتواند سیگنال را اندازه گیری کند.آیا گزینه ساده تری وجود دارد؟تحریک ولتاژ را در نظر بگیرید.
هنگامی که ولتاژ DC به ترمیستور اعمال می شود، جریان عبوری از ترمیستور به طور خودکار با تغییر مقاومت ترمیستور کاهش می یابد.اکنون، با استفاده از یک مقاومت اندازه گیری دقیق به جای مقاومت مرجع، هدف آن محاسبه جریان عبوری از ترمیستور است، بنابراین امکان محاسبه مقاومت ترمیستور را فراهم می کند.از آنجایی که ولتاژ درایو به عنوان سیگنال مرجع ADC نیز استفاده می شود، نیازی به مرحله بهره نیست.پردازنده وظیفه نظارت بر ولتاژ ترمیستور، تعیین اینکه آیا سطح سیگنال را می‌توان توسط الکترونیک اندازه‌گیری کرد 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 درجه مقاومت و محدوده مقاومت کمی باشد، می توان از تحریک ولتاژ یا جریان استفاده کرد.در این مورد، جریان و بهره درایو را می توان ثابت کرد.بنابراین، مدار همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است خواهد بود. این روش از این نظر راحت است که می توان جریان را از طریق سنسور و مقاومت مرجع کنترل کرد، که در کاربردهای کم توان با ارزش است.علاوه بر این، خود گرمایش ترمیستور به حداقل می رسد.
تحریک ولتاژ همچنین می تواند برای ترمیستورهایی با درجه مقاومت پایین استفاده شود.با این حال، کاربر همیشه باید اطمینان حاصل کند که جریان عبوری از سنسور برای سنسور یا برنامه خیلی زیاد نباشد.
تحریک ولتاژ هنگام استفاده از ترمیستور با درجه مقاومت بالا و محدوده دمایی وسیع، اجرا را ساده می کند.مقاومت اسمی بزرگتر سطح قابل قبولی از جریان نامی را فراهم می کند.با این حال، طراحان باید اطمینان حاصل کنند که جریان در سطح قابل قبولی در کل محدوده دمایی مورد پشتیبانی برنامه قرار دارد.
ADC های Sigma-Delta چندین مزیت را هنگام طراحی یک سیستم اندازه گیری ترمیستور ارائه می دهند.اولاً، چون ADC سیگما-دلتا ورودی آنالوگ را مجدداً نمونه گیری می کند، فیلتر خارجی به حداقل می رسد و تنها مورد نیاز یک فیلتر RC ساده است.آنها انعطاف پذیری در نوع فیلتر و نرخ باود خروجی را فراهم می کنند.از فیلتر دیجیتال داخلی می توان برای سرکوب هرگونه تداخل در دستگاه های برقی استفاده کرد.دستگاه های 24 بیتی مانند AD7124-4/AD7124-8 دارای وضوح کامل تا 21.7 بیت هستند، بنابراین وضوح بالایی ارائه می دهند.
استفاده از سیگما دلتا ADC طراحی ترمیستور را تا حد زیادی ساده می کند و در عین حال مشخصات، هزینه سیستم، فضای برد و زمان عرضه به بازار را کاهش می دهد.
این مقاله از AD7124-4/AD7124-8 به عنوان ADC استفاده می کند زیرا آنها ADC های کم نویز، جریان کم و دقیق با PGA داخلی، مرجع داخلی، ورودی آنالوگ و بافر مرجع هستند.
صرف نظر از اینکه از جریان درایو یا ولتاژ درایو استفاده می کنید، یک پیکربندی نسبت سنجی توصیه می شود که در آن ولتاژ مرجع و ولتاژ سنسور از یک منبع درایو می آیند.این بدان معنی است که هر گونه تغییر در منبع تحریک بر دقت اندازه گیری تأثیر نمی گذارد.
روی انجیرشکل 5 جریان ثابت درایو را برای ترمیستور و مقاومت دقیق RREF نشان می دهد، ولتاژ توسعه یافته در سراسر RREF ولتاژ مرجع برای اندازه گیری ترمیستور است.
جریان میدان نیازی به دقیق بودن ندارد و ممکن است پایداری کمتری داشته باشد زیرا هر گونه خطا در جریان میدان در این پیکربندی حذف خواهد شد.به طور کلی، تحریک جریان بر تحریک ولتاژ به دلیل کنترل حساسیت برتر و ایمنی بهتر نویز هنگامی که سنسور در مکان‌های دور قرار دارد ترجیح داده می‌شود.این نوع روش بایاس معمولاً برای RTD ها یا ترمیستورها با مقادیر مقاومت پایین 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.برای مثال یک ترمیستور 10 کیلو اهم در دمای 25 درجه سانتیگراد مقاومتی برابر با 10 کیلو اهم دارد.در دمای 50- درجه سانتی گراد، مقاومت ترمیستور NTC برابر با 441.117 کیلو اهم است.حداقل جریان درایو 50 µA ارائه شده توسط AD7124-4/AD7124-8 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V تولید می کند، که بسیار زیاد و خارج از محدوده عملیاتی اکثر ADC های موجود مورد استفاده در این منطقه کاربردی است.ترمیستورها نیز معمولاً متصل می شوند یا در نزدیکی الکترونیک قرار دارند، بنابراین ایمنی در برابر جریان درایو مورد نیاز نیست.
افزودن یک مقاومت حسی به صورت سری به عنوان یک مدار تقسیم کننده ولتاژ، جریان عبوری از ترمیستور را به حداقل مقدار مقاومت محدود می کند.در این پیکربندی، مقدار مقاومت حسی RSENSE 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 باشد. 25 درجه سی سی به طور مشابه، اگر ترمیستور 10 کیلو اهم با مقاومت 10 کیلو اهم در دمای 25 درجه سانتی گراد استفاده شود، RSENSE باید 10 کیلو اهم باشد.با تغییر دما، مقاومت ترمیستور NTC نیز تغییر می کند و نسبت ولتاژ درایو در ترمیستور نیز تغییر می کند و در نتیجه ولتاژ خروجی متناسب با مقاومت ترمیستور NTC است.
اگر مرجع ولتاژ انتخابی مورد استفاده برای تغذیه ترمیستور و/یا RSENSE با ولتاژ مرجع ADC مورد استفاده برای اندازه‌گیری مطابقت داشته باشد، سیستم روی اندازه‌گیری نسبت‌سنجی تنظیم می‌شود (شکل 7) تا هرگونه منبع ولتاژ خطای مرتبط با تحریک بایاس شود تا حذف شود.
توجه داشته باشید که یا مقاومت حس (ولتاژ محرک) یا مقاومت مرجع (جریان محور) باید تحمل اولیه و دریفت کم داشته باشند، زیرا هر دو متغیر می توانند بر دقت کل سیستم تأثیر بگذارند.
هنگام استفاده از چندین ترمیستور، می توان از یک ولتاژ تحریک استفاده کرد.با این حال، همانطور که در شکل نشان داده شده است، هر ترمیستور باید مقاومت حسی دقیق خود را داشته باشد.8. گزینه دیگر استفاده از یک مالتی پلکسر خارجی یا سوئیچ با مقاومت کم در حالت روشن است که امکان اشتراک گذاری یک مقاومت حسی دقیق را فراهم می کند.با این پیکربندی، هر ترمیستور هنگام اندازه گیری به زمان ته نشینی نیاز دارد.
به طور خلاصه، هنگام طراحی یک سیستم اندازه‌گیری دما مبتنی بر ترمیستور، سؤالات زیادی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود: انتخاب سنسور، سیم‌کشی حسگر، مبادلات انتخاب اجزا، پیکربندی ADC، و اینکه چگونه این متغیرهای مختلف بر دقت کلی سیستم تأثیر می‌گذارند.مقاله بعدی در این مجموعه توضیح می دهد که چگونه طراحی سیستم و بودجه کلی خطای سیستم را برای دستیابی به عملکرد هدف خود بهینه کنید.