تحسين أنظمة قياس درجة الحرارة القائمة على الثرمستور: تحد

هذه هي المقالة الأولى في سلسلة من جزأين. ستناقش هذه المقالة أولاً تحديات التاريخ والتصميمدرجة الحرارة القائمة على الثرمستورأنظمة القياس ، وكذلك مقارنة مع أنظمة قياس درجة حرارة المقاومة (RTD). كما سيصف اختيار الثرمستور ، ومقايسات التكوين ، وأهمية المحولات التناظرية إلى الرقمية Sigma-delta (ADCs) في منطقة التطبيق هذه. ستقوم المقالة الثانية بالتفصيل كيفية تحسين وتقييم نظام القياس النهائي القائم على الثرمستور.
كما هو موضح في سلسلة المقالات السابقة ، تحسين أنظمة استشعار درجة حرارة RTD ، فإن RTD هي المقاوم الذي تختلف مقاومته مع درجة الحرارة. يعمل الثرمستورات بشكل مشابه لـ RTDs. على عكس RTDs ، التي لديها معامل درجة حرارة موجب فقط ، يمكن أن يكون للثرمستور معامل درجة حرارة إيجابية أو سلبية. تؤدي الثرمستورات السلبية لدرجات الحرارة (NTC) إلى تقليل مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة ، في حين أن معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) تزيد من مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. على الشكل. 1 يوضح خصائص الاستجابة لـ NTC و PTC النموذجي ومقارنتها بمنحنيات RTD.
من حيث نطاق درجة الحرارة ، يكون منحنى RTD خطيًا تقريبًا ، ويغطي المستشعر نطاق درجة حرارة أوسع بكثير من الثرمستورات (عادة -200 درجة مئوية إلى +850 درجة مئوية) بسبب الطبيعة غير الخطية (الأسية) للثرمستور. عادة ما يتم توفير RTDs في منحنيات موحدة معروفة ، في حين أن منحنيات الثرمستور تختلف من قبل الشركة المصنعة. سنناقش هذا بالتفصيل في قسم دليل اختيار الثرمستور في هذه المقالة.
تتكون الثرمستورات من مواد مركبة ، وعادة ما تكون السيراميك أو البوليمرات أو أشباه الموصلات (عادة أكاسيد معدنية) والمعادن النقية (البلاتين ، النيكل ، أو النحاس). يمكن أن يكتشف الثرمستورات تغيرات في درجة الحرارة بشكل أسرع من RTDs ، مما يوفر ردود فعل أسرع. لذلك ، تُستخدم الثرمستورات بشكل شائع من قبل أجهزة الاستشعار في التطبيقات التي تتطلب التكلفة المنخفضة ، والحجم الصغير ، والاستجابة الأسرع ، والحساسية العالية ، ونطاق درجة الحرارة المحدودة ، مثل التحكم في الإلكترونيات ، والسيطرة على المنازل والمباني ، أو المختبرات العلمية ، أو تعويض الوصلات الباردة للمواد الحرارية في التطبيقات التجارية أو الصناعية. أغراض. التطبيقات.
في معظم الحالات ، يتم استخدام الثرمستورات NTC لقياس درجة الحرارة الدقيقة ، وليس الثرمستورات PTC. تتوفر بعض الثرمستورات PTC التي يمكن استخدامها في دوائر الحماية الزائدة أو كصمامات قابلة لإعادة الاستخدام لتطبيقات السلامة. يُظهر منحنى درجة حرارة المقاومة في الثرمستور PTC منطقة NTC صغيرة جدًا قبل الوصول إلى نقطة التبديل (أو نقطة الكوري) ، وبهذه المقاومة ترتفع بشكل حاد بعدة أوامر من حيث الحجم في نطاق عدة درجات مئوية. في ظل ظروف التيار الزائد ، ستولد الثرمستور PTC تسخينًا ذاتيًا قويًا عند تجاوز درجة حرارة التبديل ، وستزداد مقاومته بشكل حاد ، مما سيقلل من تيار المدخلات إلى النظام ، وبالتالي منع التلف. تتراوح نقطة تبديل الثرمستورات PTC عادة بين 60 درجة مئوية و 120 درجة مئوية وهي غير مناسبة للتحكم في قياسات درجة الحرارة في مجموعة واسعة من التطبيقات. تركز هذه المقالة على الثرمستورات NTC ، والتي يمكن أن تقيس أو مراقبة درجات الحرارة التي تتراوح من -80 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية. تتمتع الثرمستورات NTC بتقييم مقاومة تتراوح من بضعة أوم إلى 10 MΩ عند 25 درجة مئوية. كما هو مبين في الشكل. 1 ، يكون التغير في المقاومة لكل درجة مئوية للثرمستورات أكثر وضوحًا من أجهزة قياس الحرارة المقاومة. بالمقارنة مع الثرمستورات ، فإن حساسية الثرمستور العالية وقيمة المقاومة العالية تبسيط دارات الإدخال الخاصة بها ، لأن الثرمستور لا تتطلب أي تكوين خاص للأسلاك ، مثل 3-Ware أو 4-Wire ، للتعويض عن مقاومة الرصاص. يستخدم تصميم الثرمستور فقط تكوينًا بسيطًا من سلكين.
يتطلب قياس درجة الحرارة القائم على الثرمست العالي الدقة معالجة إشارة دقيقة ، والتحول التناظري إلى الرقم ، والخطية ، والتعويض ، كما هو مبين في FIG. 2.
على الرغم من أن سلسلة الإشارات قد تبدو بسيطة ، إلا أن هناك العديد من التعقيدات التي تؤثر على حجم وتكلفة وأداء اللوحة الأم بأكملها. تتضمن محفظة ADC الدقيقة من ADI العديد من الحلول المتكاملة ، مثل AD7124-4/AD7124-8 ، والتي توفر عددًا من المزايا لتصميم النظام الحراري حيث أن معظم لبنات البناء المطلوبة للتطبيق مدمجة. ومع ذلك ، هناك تحديات مختلفة في تصميم وتحسين حلول قياس درجة الحرارة القائمة على الثرمستور.
تناقش هذه المقالة كل من هذه القضايا وتوفر توصيات لحلها وزيادة تبسيط عملية التصميم لهذه الأنظمة.
هناك مجموعة واسعة منالثرمستورات NTCفي السوق اليوم ، يمكن أن يكون اختيار الثرمستور المناسب لتطبيقك مهمة شاقة. لاحظ أن الثرمستورات مدرجة في قيمتها الاسمية ، وهي مقاومتها الاسمية عند 25 درجة مئوية. لذلك ، فإن الثرمستور 10 kΩ لديه مقاومة اسمية قدرها 10 كيلو بايت عند 25 درجة مئوية. تحتوي الثرمستورات على قيم مقاومة اسمية أو أساسية تتراوح من بضعة أوم إلى 10 MΩ. عادةً ما تدعم الثرمستورات ذات التصنيفات المقاومة المنخفضة (المقاومة الاسمية من 10 كيلو بايت أو أقل) نطاقات درجة الحرارة المنخفضة ، مثل -50 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية. يمكن للثرمستورات ذات التصنيفات المقاومة الأعلى تحمل درجات الحرارة حتى 300 درجة مئوية.
يتكون عنصر الثرمستور من أكسيد المعادن. تتوفر الثرمستورات في أشكال الكرة والشعاعية و SMD. حبات الثرمستور مغلفة بالإيبوكسي أو زجاج مغلف من أجل حماية إضافية. الثرمستورات الكرة المغلفة الايبوكسي ، الثرمستورات الشعاعية والسطح مناسبة لدرجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية. الثرمستورات الحرة الزجاجية مناسبة لقياس درجات الحرارة العالية. جميع أنواع الطلاء/العبوات تحمي أيضا من التآكل. سيكون لدى بعض الثرمستورات أيضًا مباني إضافية لحماية إضافية في البيئات القاسية. تتمتع الثرمستورات بالخرز وقت استجابة أسرع من الثرمستورات الشعاعية/SMD. ومع ذلك ، فهي ليست متينة. لذلك ، يعتمد نوع الثرمستور المستخدم على التطبيق النهائي والبيئة التي يوجد فيها الثرمستور. يعتمد الاستقرار طويل الأجل للثرمستور على المواد والتعبئة والتصميم. على سبيل المثال ، يمكن أن يتغير الثرمستور NTC المطلي بالإيبوكسي 0.2 درجة مئوية سنويًا ، في حين أن الثرمستور المختوم يتغير فقط 0.02 درجة مئوية سنويًا.
الثرمستورات تأتي في دقة مختلفة. عادةً ما يكون لدى الثرمستورات القياسية دقة من 0.5 درجة مئوية إلى 1.5 درجة مئوية. إن تقييم مقاومة الثرمستور وقيمة بيتا (نسبة 25 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية/85 درجة مئوية) لها تسامح. لاحظ أن قيمة بيتا من الثرمستور تختلف حسب الشركة المصنعة. على سبيل المثال ، سيكون لدى 10 kΩ NTC من المصنعين المختلفين قيم بيتا مختلفة. بالنسبة للأنظمة الأكثر دقة ، يمكن استخدام الثرمستورات مثل سلسلة Omega ™ 44xxx. لديهم دقة 0.1 درجة مئوية أو 0.2 درجة مئوية على مدى درجة حرارة من 0 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية. لذلك ، يحدد نطاق درجات الحرارة التي يمكن قياسها والدقة المطلوبة على نطاق درجة الحرارة هذا ما إذا كانت الثرمستورات مناسبة لهذا التطبيق. يرجى ملاحظة أنه كلما ارتفعت دقة سلسلة أوميغا 44xxx ، زادت التكلفة.
لتحويل مقاومة الدرجات المئوية ، عادة ما تستخدم قيمة بيتا. يتم تحديد قيمة بيتا من خلال معرفة نقطتي درجة الحرارة والمقاومة المقابلة في كل نقطة درجة حرارة.
RT1 = مقاومة درجة الحرارة 1 RT2 = مقاومة درجة الحرارة 2 T1 = درجة الحرارة 1 (ك) T2 = درجة الحرارة 2 (ك)
يستخدم المستخدم قيمة بيتا الأقرب إلى نطاق درجة الحرارة المستخدمة في المشروع. تسرد معظم أوراق بيانات الثرمستور قيمة بيتا إلى جانب تحمل المقاومة عند 25 درجة مئوية وتسامح لقيمة بيتا.
تستخدم الثرمستورات ذات الدقة العالية وحلول الإنهاء الدقيقة العالية مثل سلسلة أوميغا 44xxx معادلة شتاينهارت هارت لتحويل المقاومة إلى الدرجات المئوية. تتطلب المعادلة 2 الثوابت الثلاثة A و B و C ، التي توفرها الشركة المصنعة مرة أخرى. نظرًا لأن معاملات المعادلة يتم توليدها باستخدام ثلاث نقاط درجة حرارة ، فإن المعادلة الناتجة تقلل من الخطأ الذي تم تقديمه عن طريق الخطية (عادة 0.02 درجة مئوية).
A ، B و C هي الثوابت المستمدة من ثلاث نقاط محددة لدرجة الحرارة. r = مقاومة الثرمستور في أوم t = درجة الحرارة بدرجات k
على الشكل. 3 يوضح الإثارة الحالية للمستشعر. يتم تطبيق تيار محرك الأقراص على الثرمستور ويتم تطبيق نفس التيار على المقاوم الدقيق ؛ يتم استخدام المقاوم الدقيق كمرجع للقياس. يجب أن تكون قيمة المقاوم المرجعي أكبر من أو تساوي أعلى قيمة لمقاومة الثرمستور (اعتمادًا على أدنى درجة حرارة تقاس في النظام).
عند اختيار تيار الإثارة ، يجب مرة أخرى أخذ المقاومة القصوى للثرمستور. هذا يضمن أن الجهد عبر المستشعر والمقاوم المرجعي يكون دائمًا على مستوى مقبول للإلكترونيات. يتطلب المصدر الحالي للحقل بعض غرفة الرأس أو المخرجات. إذا كان لدى الثرمستور مقاومة عالية عند أدنى درجة حرارة قابلة للقياس ، فسيؤدي ذلك إلى انخفاض تيار محرك منخفض للغاية. لذلك ، فإن الجهد الناتج عبر الثرمستور في درجة حرارة عالية صغيرة. يمكن استخدام مراحل الربح القابلة للبرمجة لتحسين قياس هذه الإشارات ذات المستوى المنخفض. ومع ذلك ، يجب برمجة الربح ديناميكيًا لأن مستوى الإشارة من الثرمستور يختلف اختلافًا كبيرًا مع درجة الحرارة.
خيار آخر هو تعيين الكسب ولكن استخدام Dynamic Drive Current. لذلك ، مع تغير مستوى الإشارة من الثرمستور ، تتغير قيمة محرك الأقراص الحالي ديناميكيًا بحيث يكون الجهد الذي تم تطويره عبر الثرمستور ضمن نطاق الإدخال المحدد للجهاز الإلكتروني. يجب على المستخدم التأكد من أن الجهد الذي تم تطويره عبر المقاوم المرجعي هو أيضًا على مستوى مقبول للإلكترونيات. يتطلب كلا الخيارين مستوى عالٍ من التحكم ، والمراقبة المستمرة للجهد عبر الثرمستور بحيث يمكن للإلكترونيات قياس الإشارة. هل هناك خيار أسهل؟ النظر في الإثارة الجهد.
عندما يتم تطبيق جهد التيار المستمر على الثرمستور ، فإن التيار من خلال الثرمستور يقيس تلقائيًا مع تغير مقاومة الثرمستور. الآن ، باستخدام مقاوم قياس الدقة بدلاً من المقاوم المرجعي ، فإن الغرض منه هو حساب التيار المتدفق من خلال الثرمستور ، مما يسمح بحساب مقاومة الثرمستور. نظرًا لأن جهد محرك الأقراص يستخدم أيضًا كإشارة مرجعية ADC ، فلا يلزم وجود مرحلة كسب. لا يتمتع المعالج بمهمة مراقبة جهد الثرمستور ، ويحدد ما إذا كان يمكن قياس مستوى الإشارة عن طريق الإلكترونيات ، وحساب ما يجب تعديل قيمة مكسب/الحالية. هذه هي الطريقة المستخدمة في هذه المقالة.
إذا كان لدى الثرمستور نطاق مقاومة صغير ومقاومة ، فيمكن استخدام الجهد أو الإثارة الحالية. في هذه الحالة ، يمكن إصلاح تيار محرك الأقراص والكسب. وبالتالي ، ستكون الدائرة كما هو موضح في الشكل 3. هذه الطريقة مريحة من حيث أنه من الممكن التحكم في التيار من خلال المستشعر والمقاوم المرجعي ، وهو قيمة في تطبيقات الطاقة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل التسخين الذاتي للثرمستور.
يمكن أيضًا استخدام إثارة الجهد للثرمستورات ذات التصنيفات المنخفضة للمقاومة. ومع ذلك ، يجب على المستخدم دائمًا التأكد من أن التيار من خلال المستشعر ليس مرتفعًا جدًا بالنسبة للمستشعر أو التطبيق.
يبسط الإثارة الجهد التنفيذ عند استخدام الثرمستور مع تصنيف مقاومة كبير ونطاق درجة حرارة واسعة. توفر المقاومة الاسمية الأكبر مستوى مقبولًا من التيار المقبول. ومع ذلك ، يحتاج المصممون إلى التأكد من أن التيار عند مستوى مقبول على مدى درجة الحرارة بأكملها التي يدعمها التطبيق.
تقدم Sigma-Delta ADCs عدة مزايا عند تصميم نظام قياس الثرمستور. أولاً ، نظرًا لأن Sigma-Delta ADC يعيد توظيف المدخلات التناظرية ، يتم الاحتفاظ بالتصفية الخارجية إلى الحد الأدنى والمتطلبات الوحيد هو مرشح RC بسيط. أنها توفر المرونة في نوع المرشح ومعدل باود الإخراج. يمكن استخدام التصفية الرقمية المدمجة لقمع أي تدخل في الأجهزة التي تعمل بالطاقة. تحتوي الأجهزة 24 بت مثل AD7124-4/AD7124-8 على دقة كاملة تصل إلى 21.7 بت ، لذلك توفر دقة عالية.
يؤدي استخدام Sigma-Delta ADC إلى تبسيط تصميم الثرمستور بشكل كبير مع تقليل المواصفات وتكلفة النظام ومساحة اللوحة ووقت السوق.
تستخدم هذه المقالة AD7124-4/AD7124-8 مثل ADC لأنها ضوضاء منخفضة ، حالي منخفض ، ADCs الدقيقة مع PGA مدمج ، مرجع مدمج ، المدخلات التناظرية ، العازلة المرجعية.
بغض النظر عما إذا كنت تستخدم جهد محرك الأقراص أو جهد محرك الأقراص ، يوصى بتكوين ratiometric الذي يأتي فيه الجهد المرجعي وجهد المستشعر من مصدر محرك الأقراص نفسه. هذا يعني أن أي تغيير في مصدر الإثارة لن يؤثر على دقة القياس.
على الشكل. 5 يوضح تيار محرك الأقراص الثابت للثرمستور ومقاوم الدقة RREF ، والجهد الذي تم تطويره عبر RREF هو الجهد المرجعي لقياس الثرمستور.
لا يلزم أن يكون حقل الحالي دقيقًا وقد يكون أقل استقرارًا حيث سيتم القضاء على أي أخطاء في الحقل الحالي في هذا التكوين. بشكل عام ، يفضل الإثارة الحالية على الإثارة الجهد بسبب التحكم في الحساسية الفائقة وحصانة الضوضاء بشكل أفضل عندما يكون المستشعر في المواقع البعيدة. عادةً ما يتم استخدام هذا النوع من طريقة التحيز في RTDs أو الثرمستورات ذات قيم المقاومة المنخفضة. ومع ذلك ، بالنسبة إلى الثرمستور ذي قيمة مقاومة أعلى وحساسية أعلى ، سيكون مستوى الإشارة الناتج عن كل تغيير في درجة الحرارة أكبر ، لذلك يتم استخدام الإثارة الجهد. على سبيل المثال ، يحتوي الثرمستور 10 كيلو باستر على مقاومة 10 كيلو بايت عند 25 درجة مئوية. عند -50 درجة مئوية ، تبلغ مقاومة الثرمستور NTC 441.117 كيلو. يولد الحد الأدنى لتيار محرك الأقراص البالغ 50 µA الذي يوفره AD7124-4/AD7124-8 441.117 kΩ × 50 µA = 22 فولت ، وهو مرتفع جدًا وخارج نطاق التشغيل لمعظم ADC المتوفرة المستخدمة في منطقة التطبيق هذه. عادةً ما يتم توصيل الثرمستورات أو تقع بالقرب من الإلكترونيات ، لذا فإن المناعة لدفع التيار غير مطلوب.
إن إضافة مقاوم للمعنى في السلسلة كدائرة مقسم للجهد سيقتصر التيار من خلال الثرمستور إلى الحد الأدنى لقيمة المقاومة. في هذا التكوين ، يجب أن تكون قيمة المقاوم للمعنى مساوية لقيمة مقاومة الثرمستور عند درجة حرارة مرجعية تبلغ 25 درجة مئوية ، بحيث يكون جهد الخرج يساوي نقطة منتصف الجهد المرجعي عند درجة حرارته الاسمية البالغة 25 درجة مئوية ، إذا كان هناك 10 kΩ kgistor بمقاومة 10 kΩ عند 25 درجة مئوية. مع تغير درجة الحرارة ، تتغير مقاومة الثرمستور NTC أيضًا ، وتتغير نسبة جهد محرك الأقراص عبر الثرمستور أيضًا ، مما يؤدي إلى أن يكون جهد الخرج يتناسب مع مقاومة الثرمستور NTC.
إذا كان مرجع الجهد المحدد المستخدم لتشغيل الثرمستور و/أو RSense يطابق الجهد المرجعي ADC المستخدم للقياس ، يتم تعيين النظام على القياس النسبي (الشكل 7) بحيث يكون أي مصدر جهد خطأ متعلق بالإثارة متحيزًا لإزالته.
لاحظ أن المقاوم الإحساس (الذي يحركه الجهد) أو المقاوم المرجعي (الذي يحركه التيار) يجب أن يكون له تسامح أولي منخفض وانخفاض الانجراف ، حيث يمكن أن يؤثر كلا المتغيرين على دقة النظام بأكمله.
عند استخدام الثرمستورات المتعددة ، يمكن استخدام جهد واحد للإثارة. ومع ذلك ، يجب أن يكون لكل الثرمستور المقاوم الدقيق الخاص به ، كما هو مبين في FIG. 8. خيار آخر هو استخدام مفتاح مضاعف خارجي أو مفتاح مقاومة منخفضة في الحالة ، مما يسمح بمشاركة مقاوم إحساس دقيق واحد. مع هذا التكوين ، يحتاج كل الثرمستور إلى بعض وقت الاستقرار عند قياسه.
باختصار ، عند تصميم نظام قياس درجة الحرارة القائم على الثرمستور ، هناك العديد من الأسئلة التي يجب مراعاتها: اختيار المستشعر ، وأسلاك المستشعر ، ومقايضات اختيار المكونات ، وتكوين ADC ، وكيف تؤثر هذه المتغيرات المختلفة على الدقة الكلية للنظام. تشرح المقالة التالية في هذه السلسلة كيفية تحسين تصميم النظام وميزانية خطأ النظام الشاملة لتحقيق أدائك المستهدف.