تحسين أنظمة قياس درجة الحرارة القائمة على الثرمستور: التحدي

هذه هي المقالة الأولى في سلسلة من جزأين. ستتناول هذه المقالة أولاً تاريخ وتحديات التصميم فيدرجة الحرارة القائمة على الثرمستورأنظمة القياس، بالإضافة إلى مقارنتها بأنظمة قياس درجة الحرارة باستخدام مقياس الحرارة المقاوم (RTD). كما سيصف اختيار الثرمستور، ومفاضلات التكوين، وأهمية محولات سيجما-دلتا التناظرية إلى الرقمية (ADCs) في هذا المجال. وستُفصّل المقالة الثانية كيفية تحسين وتقييم نظام القياس النهائي القائم على الثرمستور.
كما هو موضح في سلسلة المقالات السابقة، "تحسين أنظمة مستشعرات درجة الحرارة المقاومة للصدمات"، فإن المقاومة للصدمات هي مقاومة تتغير مقاومتها بتغير درجة الحرارة. تعمل الثرمستورات بشكل مشابه للمقاومة للصدمات. بخلاف المقاومة للصدمات التي لا تحتوي إلا على معامل حرارة موجب، يمكن أن يكون للثرمستور معامل حرارة موجب أو سالب. تنخفض مقاومة الثرمستورات ذات معامل الحرارة السالب (NTC) مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما تزيد مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. يوضح الشكل 1 خصائص استجابة الثرمستورات ذات معامل الحرارة السالب (NTC) ومعامل الحرارة الموجب (PTC) النموذجية، ويقارنها بمنحنيات المقاومة للصدمات.
من حيث نطاق درجة الحرارة، يكون منحنى مقاومة الحرارة للثرمستور شبه خطي، ويغطي المستشعر نطاقًا حراريًا أوسع بكثير من الثرمستورات (عادةً من -200 درجة مئوية إلى +850 درجة مئوية) نظرًا لطبيعته غير الخطية (الأسية). عادةً ما تُقدم أجهزة مقاومة الحرارة للثرمستورات بمنحنيات قياسية معروفة، بينما تختلف منحنيات الثرمستور باختلاف الشركة المصنعة. سنناقش هذا الأمر بالتفصيل في قسم دليل اختيار الثرمستور في هذه المقالة.
تُصنع الثرمستورات من مواد مركبة، عادةً ما تكون من السيراميك أو البوليمرات أو أشباه الموصلات (عادةً أكاسيد المعادن) والمعادن النقية (البلاتين أو النيكل أو النحاس). تتميز الثرمستورات بقدرتها على اكتشاف تغيرات درجة الحرارة بشكل أسرع من أجهزة مقاومة الحرارة بالتردد (RTD)، مما يوفر تغذية راجعة أسرع. لذلك، تُستخدم الثرمستورات عادةً في أجهزة الاستشعار في التطبيقات التي تتطلب تكلفة منخفضة، وحجمًا صغيرًا، واستجابة أسرع، وحساسية أعلى، ونطاقًا حراريًا محدودًا، مثل التحكم الإلكتروني، والتحكم في المنازل والمباني، والمختبرات العلمية، أو تعويض الوصلات الباردة للمزدوجات الحرارية في التطبيقات التجارية أو الصناعية.
في معظم الحالات، تُستخدم الثرمستورات المقاومة للتيار غير الحراري (NTC) لقياس درجة الحرارة بدقة، وليس الثرمستورات المقاومة للتيار الحراري. تتوفر بعض الثرمستورات المقاومة للتيار الحراري (PTC) التي يمكن استخدامها في دوائر الحماية من التيار الزائد أو كصمامات قابلة لإعادة الضبط لتطبيقات السلامة. يُظهر منحنى المقاومة-درجة الحرارة للثرمستور المقاومة للتيار الحراري (PTC) منطقة صغيرة جدًا من NTC قبل الوصول إلى نقطة التبديل (أو نقطة كوري)، والتي ترتفع فوقها المقاومة بشكل حاد بعدة مراتب من حيث الحجم في نطاق عدة درجات مئوية. في ظروف التيار الزائد، يُولّد الثرمستور المقاومة للتيار الحراري تسخينًا ذاتيًا قويًا عند تجاوز درجة حرارة التبديل، وترتفع مقاومته بشكل حاد، مما يقلل تيار الدخل إلى النظام، وبالتالي يمنع التلف. تتراوح نقطة تبديل الثرمستورات المقاومة للتيار الحراري (PTC) عادةً بين 60 و120 درجة مئوية، وهي غير مناسبة للتحكم في قياسات درجة الحرارة في مجموعة واسعة من التطبيقات. تُركز هذه المقالة على الثرمستورات المقاومة للتيار الحراري (NTC)، والتي يمكنها عادةً قياس أو مراقبة درجات حرارة تتراوح بين -80 و+150 درجة مئوية. تتراوح قيم مقاومة الثرمستورات NTC بين بضعة أوم و10 ميجا أوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. وكما هو موضح في الشكل 1، فإن التغير في مقاومة الثرمستورات لكل درجة مئوية يكون أكثر وضوحًا منه في مقاييس الحرارة المقاومة. وبالمقارنة مع الثرمستورات، فإن حساسية الثرمستور العالية وقيمة مقاومته العالية تُبسطان دائرة الإدخال، حيث لا يتطلب الثرمستور أي تكوين أسلاك خاص، مثل 3 أو 4 أسلاك، لتعويض مقاومة الأسلاك. يستخدم تصميم الثرمستور تكوينًا بسيطًا من سلكين فقط.
تتطلب عملية قياس درجة الحرارة عالية الدقة باستخدام الثرمستور معالجة دقيقة للإشارة، وتحويل من تناظري إلى رقمي، وخطية، وتعويض، كما هو موضح في الشكل 2.
على الرغم من أن سلسلة الإشارات قد تبدو بسيطة، إلا أن هناك العديد من التعقيدات التي تؤثر على حجم اللوحة الأم وتكلفتها وأدائها. تتضمن مجموعة حلول ADI الدقيقة لتحويل البيانات التناظرية إلى الرقمية العديد من الحلول المتكاملة، مثل AD7124-4/AD7124-8، والتي توفر مزايا عديدة لتصميم الأنظمة الحرارية، حيث إن معظم مكونات التطبيق مدمجة. ومع ذلك، هناك تحديات عديدة في تصميم وتحسين حلول قياس درجة الحرارة القائمة على الثرمستور.
تناقش هذه المقالة كل هذه القضايا وتقدم توصيات لحلها وتبسيط عملية التصميم لهذه الأنظمة بشكل أكبر.
هناك مجموعة واسعة منترموستورات NTCتتوفر الثرمستورات في السوق اليوم، لذا قد يكون اختيار الثرمستور المناسب لتطبيقك مهمة شاقة. يُرجى ملاحظة أن الثرمستورات تُصنف حسب قيمتها الاسمية، وهي مقاومتها الاسمية عند 25 درجة مئوية. لذلك، يمتلك الثرمستور ذو المقاومة 10 كيلو أوم مقاومة اسمية قدرها 10 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية. تتراوح قيم المقاومة الاسمية أو الأساسية للثرمستورات من بضعة أوم إلى 10 ميجا أوم. عادةً ما تتحمل الثرمستورات ذات تصنيفات المقاومة المنخفضة (10 كيلو أوم أو أقل) نطاقات درجات حرارة منخفضة، مثل -50 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية. أما الثرمستورات ذات تصنيفات المقاومة الأعلى، فيمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية.
يُصنع عنصر الثرمستور من أكسيد معدني. تتوفر الثرمستورات بأشكال كروية، وشعاعية، وسطحية. تُغلف حبيبات الثرمستور بالإيبوكسي أو بالزجاج لمزيد من الحماية. تُعد الثرمستورات الكروية، والشعاعية، والسطحية، المطلية بالإيبوكسي، مناسبة لدرجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية. أما الثرمستورات ذات الحبيبات الزجاجية، فهي مناسبة لقياس درجات الحرارة العالية. كما توفر جميع أنواع الطلاء/التغليف الحماية من التآكل. بعض الثرمستورات مزودة بأغلفة إضافية لمزيد من الحماية في البيئات القاسية. تتميز الثرمستورات ذات الحبيبات بوقت استجابة أسرع من الثرمستورات الشعاعية/سطحية، إلا أنها ليست بنفس المتانة. لذلك، يعتمد نوع الثرمستور المستخدم على التطبيق النهائي والبيئة التي يوجد فيها. يعتمد استقرار الثرمستور طويل الأمد على مادته، وتغليفه، وتصميمه. على سبيل المثال، يمكن لمقاوم الحرارة NTC المغطى بالإيبوكسي أن يتغير بمقدار 0.2 درجة مئوية سنويًا، بينما يمكن لمقاوم الحرارة المختوم أن يتغير بمقدار 0.02 درجة مئوية فقط سنويًا.
تتوفر الثرمستورات بدقة مختلفة. عادةً ما تتراوح دقة الثرمستورات القياسية بين 0.5 درجة مئوية و1.5 درجة مئوية. يوجد تفاوت في معدل مقاومة الثرمستور وقيمة بيتا (نسبة 25 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية/85 درجة مئوية). يُرجى ملاحظة أن قيمة بيتا للثرمستور تختلف باختلاف الشركة المصنعة. على سبيل المثال، تختلف قيم بيتا للثرمستورات NTC 10 كيلو أوم من شركات مصنعة مختلفة. للحصول على أنظمة أكثر دقة، يمكن استخدام الثرمستورات مثل سلسلة Omega™ 44xxx. تتميز هذه الثرمستورات بدقة تتراوح بين 0.1 درجة مئوية و0.2 درجة مئوية في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 0 درجة مئوية و70 درجة مئوية. لذلك، فإن نطاق درجات الحرارة التي يمكن قياسها والدقة المطلوبة خلال هذا النطاق هي ما يحدد مدى ملاءمة الثرمستورات لهذا التطبيق. يُرجى ملاحظة أنه كلما زادت دقة سلسلة Omega 44xxx، زادت التكلفة.
لتحويل المقاومة إلى درجات مئوية، تُستخدم عادةً قيمة بيتا. تُحدَّد قيمة بيتا بمعرفة نقطتي درجة الحرارة والمقاومة المقابلة لكل منهما.
RT1 = مقاومة درجة الحرارة 1 RT2 = مقاومة درجة الحرارة 2 T1 = درجة الحرارة 1 (كلفن) T2 = درجة الحرارة 2 (كلفن)
يستخدم المستخدم قيمة بيتا الأقرب إلى نطاق درجة الحرارة المستخدم في المشروع. تُدرج معظم أوراق بيانات الثرمستور قيمة بيتا، بالإضافة إلى تفاوت المقاومة عند 25 درجة مئوية، وتفاوت قيمة بيتا.
تستخدم الثرمستورات عالية الدقة وحلول الإنهاء عالية الدقة، مثل سلسلة أوميغا 44xxx، معادلة شتاينهارت-هارت لتحويل المقاومة إلى درجات مئوية. تتطلب المعادلة 2 الثوابت الثلاثة A وB وC، والتي يوفرها مُصنِّع المستشعر أيضًا. ولأن معاملات المعادلة تُولَّد باستخدام ثلاث نقاط درجة حرارة، فإن المعادلة الناتجة تُقلِّل الخطأ الناتج عن الخطية (عادةً 0.02 درجة مئوية).
A وB وC ثوابت مشتقة من ثلاث نقاط ضبط لدرجة الحرارة. R = مقاومة الثرمستور بالأوم، T = درجة الحرارة بالكلفن.
يوضح الشكل 3 تيار الإثارة للمستشعر. يُطبّق تيار التشغيل على الثرمستور، ويُطبّق التيار نفسه على المقاومة الدقيقة؛ وتُستخدم المقاومة الدقيقة كمرجع للقياس. يجب أن تكون قيمة المقاومة المرجعية أكبر من أو تساوي أعلى قيمة لمقاومة الثرمستور (حسب أدنى درجة حرارة مُقاسة في النظام).
عند اختيار تيار الإثارة، يجب مراعاة أقصى مقاومة للثرمستور. يضمن هذا أن يكون الجهد عبر المستشعر والمقاوم المرجعي دائمًا عند مستوى مقبول للإلكترونيات. يتطلب مصدر تيار المجال فارقًا في الجهد أو مطابقة للخرج. إذا كانت مقاومة الثرمستور عالية عند أدنى درجة حرارة قابلة للقياس، فسيؤدي ذلك إلى تيار تشغيل منخفض جدًا. لذلك، يكون الجهد المتولد عبر الثرمستور عند درجة حرارة عالية صغيرًا. يمكن استخدام مراحل الكسب القابلة للبرمجة لتحسين قياس هذه الإشارات منخفضة المستوى. ومع ذلك، يجب برمجة الكسب ديناميكيًا لأن مستوى إشارة الثرمستور يتغير بشكل كبير مع درجة الحرارة.
هناك خيار آخر يتمثل في ضبط الكسب مع استخدام تيار تشغيل ديناميكي. لذلك، مع تغير مستوى إشارة الثرمستور، تتغير قيمة تيار التشغيل ديناميكيًا بحيث يكون الجهد المتولد عبر الثرمستور ضمن نطاق الإدخال المحدد للجهاز الإلكتروني. يجب على المستخدم التأكد من أن الجهد المتولد عبر المقاومة المرجعية عند مستوى مقبول أيضًا للإلكترونيات. يتطلب كلا الخيارين مستوى تحكم عاليًا ومراقبة مستمرة للجهد عبر الثرمستور حتى تتمكن الإلكترونيات من قياس الإشارة. هل هناك خيار أسهل؟ خذ بعين الاعتبار إثارة الجهد.
عند تطبيق جهد تيار مستمر على الثرمستور، يتكيف التيار المار عبره تلقائيًا مع تغير مقاومته. باستخدام مقاومة قياس دقيقة بدلًا من مقاومة مرجعية، يهدف هذا إلى حساب التيار المار عبر الثرمستور، مما يسمح بحساب مقاومته. بما أن جهد التشغيل يُستخدم أيضًا كإشارة مرجعية للمحول التناظري الرقمي، فلا حاجة لمرحلة كسب. لا يتولى المعالج مهمة مراقبة جهد الثرمستور، وتحديد إمكانية قياس مستوى الإشارة بواسطة الإلكترونيات، وحساب قيمة كسب/تيار التشغيل التي يجب تعديلها. هذه هي الطريقة المستخدمة في هذه المقالة.
إذا كان للثرمستور تصنيف ونطاق مقاومة صغيران، فيمكن استخدام إثارة الجهد أو التيار. في هذه الحالة، يمكن تثبيت تيار التشغيل والكسب. وبالتالي، ستكون الدائرة كما هو موضح في الشكل 3. تتميز هذه الطريقة بسهولة التحكم في التيار عبر المستشعر والمقاوم المرجعي، وهو أمر قيّم في تطبيقات الطاقة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقليل التسخين الذاتي للثرمستور.
يمكن أيضًا استخدام إثارة الجهد للثرمستورات ذات تصنيفات المقاومة المنخفضة. مع ذلك، يجب على المستخدم التأكد دائمًا من أن التيار المار عبر المستشعر ليس عاليًا جدًا بالنسبة له أو للتطبيق.
يُسهّل تحفيز الجهد التنفيذ عند استخدام مقاوم حراري ذي تصنيف مقاومة كبير ونطاق درجة حرارة واسع. تُوفّر المقاومة الاسمية الأكبر مستوى مقبولًا من التيار المُصنّف. ومع ذلك، يجب على المصممين التأكد من أن التيار عند مستوى مقبول على كامل نطاق درجة الحرارة الذي يدعمه التطبيق.
توفر محولات سيجما-دلتا التناظرية إلى الرقمية (ADC) مزايا عديدة عند تصميم نظام قياس حراري. أولًا، نظرًا لإعادة أخذ عينات المدخلات التناظرية، يتم تقليل الترشيح الخارجي إلى أدنى حد، والشرط الوحيد هو مرشح RC بسيط. توفر هذه المحولات مرونة في نوع المرشح ومعدل نقل البيانات. يمكن استخدام الترشيح الرقمي المدمج لمنع أي تداخل في الأجهزة التي تعمل بالتيار الكهربائي. تتميز الأجهزة ذات 24 بت، مثل AD7124-4/AD7124-8، بدقة كاملة تصل إلى 21.7 بت، ما يوفر دقة عالية.
يؤدي استخدام محول تناظري رقمي سيجما دلتا إلى تبسيط تصميم الثرمستور إلى حد كبير مع تقليل المواصفات وتكلفة النظام ومساحة اللوحة والوقت المستغرق لطرح المنتج في السوق.
تستخدم هذه المقالة AD7124-4/AD7124-8 كمحول تناظري إلى رقمي لأنها محولات تناظرية إلى رقمي دقيقة ومنخفضة الضوضاء ومنخفضة التيار مع PGA مدمج ومرجع مدمج ومدخل تناظري ومخزن مرجعي.
بغض النظر عمّا إذا كنت تستخدم تيار التشغيل أو جهد التشغيل، يُنصح باستخدام تكوين نسبي يكون فيه جهد المرجع وجهد المستشعر من مصدر التشغيل نفسه. هذا يعني أن أي تغيير في مصدر الإثارة لن يؤثر على دقة القياس.
يوضح الشكل 5 تيار القيادة الثابت للثرمستور والمقاوم الدقيق RREF، والجهد المتولد عبر RREF هو جهد المرجع لقياس الثرمستور.
لا يشترط أن يكون تيار المجال دقيقًا، وقد يكون أقل استقرارًا نظرًا لاستبعاد أي أخطاء فيه في هذا التكوين. عمومًا، يُفضل استخدام إثارة التيار على إثارة الجهد نظرًا لتحكمه الفائق في الحساسية وقدرته على مقاومة الضوضاء بشكل أفضل عند وجود المستشعر في مواقع نائية. يُستخدم هذا النوع من طرق التحيز عادةً في أجهزة مقاومة الحرارة المقاومة (RTDs) أو الثرمستورات ذات قيم المقاومة المنخفضة. ومع ذلك، بالنسبة للثرمستور ذي قيمة المقاومة والحساسية الأعلى، يكون مستوى الإشارة الناتج عن كل تغير في درجة الحرارة أكبر، لذا يُستخدم استخدام إثارة الجهد. على سبيل المثال، يمتلك الثرمستور ذو قيمة مقاومة 10 كيلو أوم مقاومة 10 كيلو أوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. عند درجة حرارة -50 درجة مئوية، تكون مقاومة الثرمستور NTC 441.117 كيلو أوم. يُولّد تيار التشغيل الأدنى، البالغ 50 ميكرو أمبير، الذي يوفره AD7124-4/AD7124-8، 441.117 كيلو أوم × 50 ميكرو أمبير = 22 فولت، وهو تيار مرتفع جدًا وخارج نطاق تشغيل معظم المحولات التناظرية إلى الرقمية المتوفرة في هذا المجال. عادةً ما تُوصل المقاومات الحرارية (الثرمستورات) أو توضع بالقرب من الإلكترونيات، لذا لا حاجة إلى مقاومة لتيار التشغيل.
إضافة مقاومة استشعار على التوالي كدائرة مقسم جهد سيحد من التيار المار عبر الثرمستور إلى أدنى قيمة لمقاومته. في هذا التكوين، يجب أن تكون قيمة مقاومة الاستشعار RSENSE مساوية لقيمة مقاومة الثرمستور عند درجة حرارة مرجعية 25 درجة مئوية، بحيث يكون جهد الخرج مساويًا لنقطة منتصف جهد المرجع عند درجة حرارته الاسمية 25 درجة مئوية. وبالمثل، إذا استُخدم ثرمستور 10 كيلو أوم بمقاومته 10 كيلو أوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، فيجب أن تكون قيمة RSENSE 10 كيلو أوم. مع تغير درجة الحرارة، تتغير أيضًا مقاومة الثرمستور NTC، وتتغير أيضًا نسبة جهد التشغيل عبر الثرمستور، مما يؤدي إلى تناسب جهد الخرج طرديًا مع مقاومة الثرمستور NTC.
إذا كان جهد المرجع المحدد المستخدم لتشغيل الثرمستور و/أو RSENSE يتطابق مع جهد المرجع ADC المستخدم للقياس، يتم ضبط النظام على القياس النسبي (الشكل 7) بحيث يتم تحيز أي مصدر جهد خطأ متعلق بالإثارة لإزالته.
لاحظ أنه يجب أن يكون لدى مقاومة الاستشعار (التي تعمل بالجهد) أو مقاومة المرجع (التي تعمل بالتيار) تسامح أولي منخفض وانحراف منخفض، حيث يمكن أن يؤثر كلا المتغيرين على دقة النظام بأكمله.
عند استخدام عدة مقاومات حرارية، يمكن استخدام جهد إثارة واحد. مع ذلك، يجب أن يكون لكل مقاوم حراري مقاوم استشعار دقيق خاص به، كما هو موضح في الشكل 8. خيار آخر هو استخدام مُضاعِف خارجي أو مفتاح منخفض المقاومة في وضع التشغيل، مما يسمح بمشاركة مقاوم استشعار دقيق واحد. في هذا التكوين، يحتاج كل مقاوم حراري إلى وقت استقرار عند القياس.
باختصار، عند تصميم نظام قياس درجة حرارة قائم على الثرمستور، هناك العديد من الأسئلة التي يجب مراعاتها: اختيار المستشعر، وتوصيله، وخيارات اختيار المكونات، وتكوين المحول التناظري الرقمي، وكيف تؤثر هذه المتغيرات المختلفة على دقة النظام الإجمالية. تشرح المقالة التالية في هذه السلسلة كيفية تحسين تصميم النظام وموازنة أخطاء النظام الإجمالية لتحقيق الأداء المستهدف.