تحسين أنظمة قياس درجة الحرارة المعتمدة على الثرمستور: التحدي

هذه هي المقالة الأولى في سلسلة من جزأين.ستناقش هذه المقالة أولاً تحديات التاريخ والتصميمدرجة الحرارة على أساس الثرمستورأنظمة القياس، وكذلك مقارنتها مع أنظمة قياس درجة الحرارة بمقياس حرارة المقاومة (RTD).كما سيصف أيضًا اختيار الثرمستور، ومقايضات التكوين، وأهمية محولات سيجما دلتا التناظرية إلى الرقمية (ADCs) في مجال التطبيق هذا.ستتناول المقالة الثانية بالتفصيل كيفية تحسين وتقييم نظام القياس النهائي القائم على الثرمستور.
كما هو موضح في سلسلة المقالات السابقة، تحسين أنظمة استشعار درجة الحرارة RTD، فإن RTD عبارة عن مقاوم تختلف مقاومته باختلاف درجة الحرارة.تعمل الثرمستورات بشكل مشابه لـ RTDs.على عكس RTDs، التي لها معامل درجة حرارة موجب فقط، يمكن أن يكون للثرمستور معامل درجة حرارة موجب أو سلبي.تقلل الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة السالبة (NTC) من مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما تزيد مقاومات الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) من مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة.على الشكل.يوضح الشكل 1 خصائص استجابة الثرمستورات NTC وPTC النموذجية ويقارنها بمنحنيات RTD.
من حيث نطاق درجة الحرارة، يكون منحنى RTD خطيًا تقريبًا، ويغطي المستشعر نطاق درجة حرارة أوسع بكثير من الثرمستورات (عادةً -200 درجة مئوية إلى +850 درجة مئوية) بسبب الطبيعة غير الخطية (الأسية) للثرمستور.عادة ما يتم توفير RTDs في منحنيات موحدة معروفة، في حين تختلف منحنيات الثرمستور حسب الشركة المصنعة.سنناقش هذا بالتفصيل في قسم دليل اختيار الثرمستور في هذه المقالة.
تصنع الثرمستورات من مواد مركبة، عادة من السيراميك أو البوليمرات أو أشباه الموصلات (عادة أكاسيد المعادن) والمعادن النقية (البلاتين أو النيكل أو النحاس).يمكن للثرمستورات اكتشاف التغيرات في درجات الحرارة بشكل أسرع من أجهزة RTDs، مما يوفر ردود فعل أسرع.ولذلك، يتم استخدام الثرمستورات بشكل شائع بواسطة أجهزة الاستشعار في التطبيقات التي تتطلب تكلفة منخفضة، وصغر حجمها، واستجابة أسرع، وحساسية أعلى، ونطاق درجة حرارة محدود، مثل التحكم الإلكتروني، والتحكم في المنزل والبناء، والمختبرات العلمية، أو تعويض الوصلات الباردة للمزدوجات الحرارية في الأغراض التجارية. أو التطبيقات الصناعية.المقاصد.التطبيقات.
في معظم الحالات، يتم استخدام الثرمستورات NTC لقياس درجة الحرارة بدقة، وليس الثرمستورات PTC.تتوفر بعض الثرمستورات PTC التي يمكن استخدامها في دوائر حماية التيار الزائد أو كصمامات قابلة لإعادة التعيين لتطبيقات السلامة.يُظهر منحنى المقاومة ودرجة الحرارة لثرمستور PTC منطقة NTC صغيرة جدًا قبل الوصول إلى نقطة التبديل (أو نقطة كوري)، والتي ترتفع فوقها المقاومة بشكل حاد بعدة أوامر أسية في نطاق عدة درجات مئوية.في ظل ظروف التيار الزائد، سيولد الثرمستور PTC تسخينًا ذاتيًا قويًا عند تجاوز درجة حرارة التبديل، وسترتفع مقاومته بشكل حاد، مما سيقلل من تيار الإدخال إلى النظام، وبالتالي يمنع الضرر.تتراوح نقطة تبديل الثرمستورات PTC عادةً بين 60 درجة مئوية و120 درجة مئوية وهي غير مناسبة للتحكم في قياسات درجة الحرارة في نطاق واسع من التطبيقات.تركز هذه المقالة على الثرمستورات NTC، والتي يمكنها عادةً قياس أو مراقبة درجات الحرارة التي تتراوح من -80 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية.تتمتع الثرمستورات NTC بتصنيفات مقاومة تتراوح من بضعة أوم إلى 10 ميجا أوم عند 25 درجة مئوية.كما يظهر في الشكل.في الشكل 1، يكون التغير في المقاومة لكل درجة مئوية بالنسبة للثرمستورات أكثر وضوحًا منه بالنسبة لمقاييس الحرارة المقاومة.بالمقارنة مع الثرمستورات، تعمل الحساسية العالية للثرمستور وقيمة المقاومة العالية على تبسيط دارات الإدخال الخاصة به، نظرًا لأن الثرمستورات لا تتطلب أي تكوين خاص للأسلاك، مثل 3 أسلاك أو 4 أسلاك، للتعويض عن مقاومة الرصاص.يستخدم تصميم الثرمستور تكوينًا بسيطًا من سلكين فقط.
يتطلب قياس درجة الحرارة عالي الدقة المعتمد على الثرمستور معالجة دقيقة للإشارات، والتحويل التناظري إلى الرقمي، والخطية، والتعويض، كما هو موضح في الشكل.2.
على الرغم من أن سلسلة الإشارة 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 نظرًا لأن معظم وحدات البناء اللازمة للتطبيق مدمجة.ومع ذلك، هناك تحديات مختلفة في تصميم وتحسين حلول قياس درجة الحرارة القائمة على الثرمستور.
تتناول هذه المقالة كل مشكلة من هذه المشكلات وتقدم توصيات لحلها وتبسيط عملية التصميم لهذه الأنظمة.
هناك مجموعة واسعة منالثرمستورات NTCفي السوق اليوم، لذا فإن اختيار الثرمستور المناسب لتطبيقك يمكن أن يكون مهمة شاقة.لاحظ أن الثرمستورات مدرجة حسب قيمتها الاسمية، وهي مقاومتها الاسمية عند 25 درجة مئوية.ولذلك، فإن الثرمستور 10 كيلو أوم لديه مقاومة اسمية قدرها 10 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية.تتمتع الثرمستورات بقيم مقاومة اسمية أو أساسية تتراوح من بضعة أوم إلى 10 ميجا أوم.الثرمستورات ذات معدلات المقاومة المنخفضة (المقاومة الاسمية 10 كيلو أوم أو أقل) تدعم عادةً نطاقات درجات الحرارة المنخفضة، مثل -50 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية.يمكن للثرمستورات ذات معدلات المقاومة الأعلى أن تتحمل درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية.
يتكون عنصر الثرمستور من أكسيد المعدن.تتوفر الثرمستورات في أشكال كروية وشعاعية وأشكال SMD.حبات الثرمستور مغلفة بالإيبوكسي أو مغلفة بالزجاج لمزيد من الحماية.تعتبر الثرمستورات الكروية المطلية بالإيبوكسي والثرمستورات الشعاعية والسطحية مناسبة لدرجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية.تعتبر الثرمستورات ذات الخرز الزجاجي مناسبة لقياس درجات الحرارة المرتفعة.جميع أنواع الطلاءات/التعبئة والتغليف تحمي أيضًا من التآكل.تحتوي بعض الثرمستورات أيضًا على مبيتات إضافية لمزيد من الحماية في البيئات القاسية.تتمتع الثرمستورات الخرزية بوقت استجابة أسرع من الثرمستورات الشعاعية / SMD.ومع ذلك، فهي ليست دائمة.لذلك، يعتمد نوع الثرمستور المستخدم على التطبيق النهائي والبيئة التي يوجد بها الثرمستور.يعتمد استقرار الثرمستور على المدى الطويل على المادة والتعبئة والتصميم.على سبيل المثال، يمكن أن يتغير الثرمستور NTC المطلي بالإيبوكسي بمقدار 0.2 درجة مئوية سنويًا، بينما يتغير الثرمستور المغلق بمقدار 0.02 درجة مئوية فقط سنويًا.
تأتي الثرمستورات بدقة مختلفة.تتراوح دقة الثرمستورات القياسية عادةً من 0.5 درجة مئوية إلى 1.5 درجة مئوية.يتمتع تصنيف مقاومة الثرمستور وقيمة بيتا (نسبة 25 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية/85 درجة مئوية) بتسامح.لاحظ أن قيمة بيتا للثرمستور تختلف حسب الشركة المصنعة.على سبيل المثال، سيكون للثرمستورات NTC 10 كيلو أوم من شركات مصنعة مختلفة قيم بيتا مختلفة.للحصول على أنظمة أكثر دقة، يمكن استخدام الثرمستورات مثل سلسلة Omega™ 44xxx.تبلغ دقتها 0.1 درجة مئوية أو 0.2 درجة مئوية على نطاق درجة حرارة يتراوح من 0 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية.ولذلك، فإن نطاق درجات الحرارة التي يمكن قياسها والدقة المطلوبة خلال نطاق درجات الحرارة هذا تحدد ما إذا كانت الثرمستورات مناسبة لهذا التطبيق.يرجى ملاحظة أنه كلما زادت دقة سلسلة Omega 44xxx، زادت التكلفة.
لتحويل المقاومة إلى درجات مئوية، عادة ما يتم استخدام قيمة بيتا.يتم تحديد قيمة بيتا من خلال معرفة نقطتي درجة الحرارة والمقاومة المقابلة عند كل نقطة درجة حرارة.
RT1 = مقاومة درجة الحرارة 1 RT2 = مقاومة درجة الحرارة 2 T1 = درجة الحرارة 1 (K) T2 = درجة الحرارة 2 (K)
يستخدم المستخدم قيمة بيتا الأقرب إلى نطاق درجة الحرارة المستخدم في المشروع.تدرج معظم أوراق بيانات الثرمستور قيمة بيتا بالإضافة إلى تحمل المقاومة عند 25 درجة مئوية والتسامح مع قيمة بيتا.
تستخدم الثرمستورات عالية الدقة وحلول الإنهاء عالية الدقة مثل سلسلة Omega 44xxx معادلة Steinhart-Hart لتحويل المقاومة إلى درجات مئوية.تتطلب المعادلة 2 الثوابت الثلاثة A وB وC، المقدمة مرة أخرى من قبل الشركة المصنعة لجهاز الاستشعار.نظرًا لأنه يتم إنشاء معاملات المعادلة باستخدام ثلاث نقاط درجة حرارة، فإن المعادلة الناتجة تقلل من الخطأ الناتج عن الخطية (عادةً 0.02 درجة مئوية).
A وB وC هي ثوابت مشتقة من ثلاث نقاط ضبط لدرجة الحرارة.R = مقاومة الثرمستور بالأوم T = درجة الحرارة بالدرجات K
على الشكل.3 يوضح الإثارة الحالية للمستشعر.يتم تطبيق تيار المحرك على الثرمستور ويتم تطبيق نفس التيار على المقاوم الدقيق؛يتم استخدام المقاوم الدقة كمرجع للقياس.يجب أن تكون قيمة المقاومة المرجعية أكبر من أو تساوي أعلى قيمة لمقاومة الثرمستور (اعتمادًا على أدنى درجة حرارة يتم قياسها في النظام).
عند اختيار تيار الإثارة، يجب أن تؤخذ في الاعتبار الحد الأقصى لمقاومة الثرمستور مرة أخرى.وهذا يضمن أن الجهد عبر المستشعر والمقاوم المرجعي يكون دائمًا عند مستوى مقبول للإلكترونيات.يتطلب مصدر الحقل الحالي بعض الإرتفاع أو مطابقة الإخراج.إذا كان للثرمستور مقاومة عالية عند أدنى درجة حرارة قابلة للقياس، فسيؤدي ذلك إلى تيار قيادة منخفض جدًا.لذلك، فإن الجهد المتولد عبر الثرمستور عند درجة حرارة عالية يكون صغيرًا.يمكن استخدام مراحل الكسب القابلة للبرمجة لتحسين قياس هذه الإشارات ذات المستوى المنخفض.ومع ذلك، يجب برمجة الكسب ديناميكيًا لأن مستوى الإشارة من الثرمستور يختلف بشكل كبير مع درجة الحرارة.
هناك خيار آخر وهو ضبط الكسب مع استخدام تيار محرك الأقراص الديناميكي.لذلك، مع تغير مستوى الإشارة من الثرمستور، تتغير قيمة تيار القيادة ديناميكيًا بحيث يكون الجهد المتطور عبر الثرمستور ضمن نطاق الإدخال المحدد للجهاز الإلكتروني.يجب على المستخدم التأكد من أن الجهد المتطور عبر المقاوم المرجعي هو أيضًا عند مستوى مقبول للإلكترونيات.يتطلب كلا الخيارين مستوى عالٍ من التحكم والمراقبة المستمرة للجهد عبر الثرمستور حتى تتمكن الإلكترونيات من قياس الإشارة.هل هناك خيار أسهل؟خذ بعين الاعتبار إثارة الجهد.
عندما يتم تطبيق جهد التيار المستمر على الثرمستور، فإن التيار عبر الثرمستور يتزايد تلقائيًا مع تغير مقاومة الثرمستور.الآن، باستخدام مقاومة قياس دقيقة بدلاً من مقاومة مرجعية، فإن الغرض منها هو حساب التيار المتدفق عبر الثرمستور، مما يسمح بحساب مقاومة الثرمستور.وبما أن جهد المحرك يستخدم أيضًا كإشارة مرجعية لـ ADC، فلا يلزم وجود مرحلة كسب.لا يتولى المعالج مهمة مراقبة جهد الثرمستور، وتحديد ما إذا كان يمكن قياس مستوى الإشارة بواسطة الإلكترونيات، وحساب قيمة كسب المحرك/القيمة الحالية التي تحتاج إلى تعديل.هذه هي الطريقة المستخدمة في هذه المقالة.
إذا كان للثرمستور معدل مقاومة صغير ونطاق مقاومة، فيمكن استخدام الجهد أو الإثارة الحالية.في هذه الحالة، يمكن إصلاح تيار المحرك والكسب.وبالتالي، ستكون الدائرة كما هو موضح في الشكل 3. هذه الطريقة ملائمة لأنه من الممكن التحكم في التيار من خلال المستشعر والمقاوم المرجعي، وهو أمر ذو قيمة في تطبيقات الطاقة المنخفضة.بالإضافة إلى ذلك، يتم تقليل التسخين الذاتي للثرمستور.
يمكن أيضًا استخدام إثارة الجهد في الثرمستورات ذات معدلات المقاومة المنخفضة.ومع ذلك، يجب على المستخدم دائمًا التأكد من أن التيار عبر المستشعر ليس مرتفعًا جدًا بالنسبة للمستشعر أو التطبيق.
تعمل إثارة الجهد على تبسيط التنفيذ عند استخدام الثرمستور ذو معدل المقاومة الكبير ونطاق درجة الحرارة الواسع.توفر المقاومة الاسمية الأكبر مستوى مقبولًا من التيار المقنن.ومع ذلك، يحتاج المصممون إلى التأكد من أن التيار عند مستوى مقبول على كامل نطاق درجة الحرارة الذي يدعمه التطبيق.
تقدم Sigma-Delta ADCs العديد من المزايا عند تصميم نظام قياس الثرمستور.أولاً، نظرًا لأن sigma-delta ADC يعيد تشكيل المدخلات التناظرية، يتم الاحتفاظ بالتصفية الخارجية إلى الحد الأدنى والمتطلبات الوحيدة هي مرشح RC بسيط.أنها توفر المرونة في نوع الفلتر ومعدل الباود الناتج.يمكن استخدام التصفية الرقمية المدمجة لمنع أي تداخل في الأجهزة التي تعمل بالتيار الكهربائي.تتمتع الأجهزة ذات 24 بت، مثل AD7124-4/AD7124-8، بدقة كاملة تصل إلى 21.7 بت، وبالتالي فهي توفر دقة عالية.
يؤدي استخدام sigma-delta ADC إلى تبسيط تصميم الثرمستور بشكل كبير مع تقليل المواصفات وتكلفة النظام ومساحة اللوحة ووقت التسويق.
تستخدم هذه المقالة AD7124-4/AD7124-8 كـ ADC لأنها منخفضة الضوضاء، وتيار منخفض، وADCs دقيقة مع PGA مدمج، ومرجع مدمج، ومدخل تناظري، ومخزن مؤقت مرجعي.
بغض النظر عما إذا كنت تستخدم تيار المحرك أو جهد المحرك، يوصى بالتكوين النسبي الذي يأتي فيه الجهد المرجعي وجهد المستشعر من نفس مصدر المحرك.وهذا يعني أن أي تغيير في مصدر الإثارة لن يؤثر على دقة القياس.
على الشكل.يوضح الشكل 5 تيار التشغيل الثابت للثرمستور والمقاوم الدقيق RREF، والجهد المتطور عبر RREF هو الجهد المرجعي لقياس الثرمستور.
لا يلزم أن يكون تيار المجال دقيقًا وقد يكون أقل استقرارًا حيث سيتم التخلص من أي أخطاء في تيار المجال في هذا التكوين.بشكل عام، يُفضل إثارة التيار على إثارة الجهد نظرًا للتحكم الفائق في الحساسية ومناعة أفضل للضوضاء عندما يكون المستشعر موجودًا في مواقع بعيدة.يُستخدم هذا النوع من طريقة التحيز عادةً في أجهزة RTDs أو الثرمستورات ذات قيم المقاومة المنخفضة.ومع ذلك، بالنسبة للثرمستور ذي قيمة مقاومة أعلى وحساسية أعلى، سيكون مستوى الإشارة الناتج عن كل تغيير في درجة الحرارة أكبر، لذلك يتم استخدام إثارة الجهد.على سبيل المثال، الثرمستور 10 كيلو أوم لديه مقاومة قدرها 10 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية.عند -50 درجة مئوية، تكون مقاومة الثرمستور NTC 441.117 كيلو أوم.الحد الأدنى لتيار المحرك البالغ 50 μA المقدم من AD7124-4/AD7124-8 يولد 441.117 كيلو أوم × 50 μA = 22 فولت، وهو مرتفع جدًا وخارج نطاق التشغيل لمعظم ADCs المتاحة المستخدمة في مجال التطبيق هذا.عادة ما تكون الثرمستورات متصلة أو موجودة بالقرب من الأجهزة الإلكترونية، لذلك ليست هناك حاجة إلى مناعة لدفع التيار.
إن إضافة مقاومة حسية على التوالي كدائرة مقسم جهد سوف يحد من التيار من خلال الثرمستور إلى الحد الأدنى لقيمة المقاومة.في هذا التكوين، يجب أن تكون قيمة مقاومة الإحساس RSENSE مساوية لقيمة مقاومة الثرمستور عند درجة حرارة مرجعية تبلغ 25 درجة مئوية، بحيث يكون جهد الخرج مساويًا لنقطة منتصف الجهد المرجعي عند درجة حرارته الاسمية البالغة 25 درجة مئوية. 25 درجة مئوية وبالمثل، إذا تم استخدام الثرمستور 10 كيلو أوم بمقاومة 10 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية، فيجب أن تكون RSENSE 10 كيلو أوم.مع تغير درجة الحرارة، تتغير أيضًا مقاومة الثرمستور NTC، وتتغير أيضًا نسبة جهد القيادة عبر الثرمستور، مما يؤدي إلى أن يتناسب جهد الخرج مع مقاومة الثرمستور NTC.
إذا كان مرجع الجهد المحدد المستخدم لتشغيل الثرمستور و/أو RSENSE يتطابق مع الجهد المرجعي ADC المستخدم للقياس، يتم ضبط النظام على قياس قياس النسبة (الشكل 7) بحيث يكون أي مصدر جهد خطأ متعلق بالإثارة متحيزًا للإزالة.
لاحظ أنه إما المقاوم الحسي (مدفوع بالجهد) أو المقاوم المرجعي (مدفوع بالتيار) يجب أن يكون له تسامح أولي منخفض وانحراف منخفض، حيث يمكن أن يؤثر كلا المتغيرين على دقة النظام بأكمله.
عند استخدام العديد من الثرمستورات، يمكن استخدام جهد إثارة واحد.ومع ذلك، يجب أن يكون لكل الثرمستور مقاومة حسية دقيقة خاصة به، كما هو موضح في الشكل.8. هناك خيار آخر يتمثل في استخدام معدد إرسال خارجي أو مفتاح منخفض المقاومة في حالة التشغيل، مما يسمح بمشاركة مقاوم استشعار دقيق واحد.مع هذا التكوين، يحتاج كل الثرمستور إلى بعض الوقت للاستقرار 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 الإجمالية للنظام.تشرح المقالة التالية في هذه السلسلة كيفية تحسين تصميم النظام لديك والميزانية العامة لأخطاء النظام لتحقيق الأداء المستهدف.