Hau bi zatitan banatutako serie bateko lehen artikulua da. Artikulu honek lehenik historia eta diseinu erronkak aztertuko ditutermistorean oinarritutako tenperaturaneurketa-sistemak, baita erresistentzia-termometro (RTD) tenperatura-neurketa sistemekin duten konparaketa ere. Termistorearen aukera, konfigurazio-konpromisoak eta sigma-delta analogiko-digital bihurgailuen (ADC) garrantzia ere deskribatuko ditu aplikazio-eremu honetan. Bigarren artikuluak termistorean oinarritutako azken neurketa-sistema nola optimizatu eta ebaluatu zehaztuko du.
Aurreko artikulu-sortan deskribatu bezala, RTD tenperatura-sentsoreen sistemak optimizatzea, RTD bat tenperaturarekin aldatzen den erresistentzia bat da. Termistoreek RTDen antzera funtzionatzen dute. Tenperatura-koefiziente positiboa baino ez duten RTDek ez bezala, termistore batek tenperatura-koefiziente positiboa edo negatiboa izan dezake. Tenperatura-koefiziente negatiboko (NTC) termistoreek erresistentzia gutxitzen dute tenperatura igotzen den heinean, eta tenperatura-koefiziente positiboko (PTC) termistoreek, berriz, handitzen dute tenperatura igotzen den heinean. 1. irudian NTC eta PTC termistore tipikoen erantzun-ezaugarriak erakusten dira eta RTD kurbekin alderatzen dira.
Tenperatura-tarteari dagokionez, RTD kurba ia lineala da, eta sentsoreak termistoreek baino tenperatura-tarte zabalagoa hartzen du (normalean -200 °C-tik +850 °C-ra), termistorearen izaera ez-lineala (esponentziala) dela eta. RTDak normalean kurba estandarizatu ezagunetan ematen dira, termistore-kurbak, berriz, fabrikatzailearen arabera aldatzen dira. Artikulu honetako termistorearen hautaketa-gida atalean aztertuko dugu hau xehetasunez.
Termistoreak material konposatuz egiten dira, normalean zeramikaz, polimeroz edo erdieroalez (normalean metal oxidoz) eta metal puruez (platinoz, nikelez edo kobrez). Termistoreek tenperatura aldaketak RTD-ek baino azkarrago detektatu ditzakete, feedback azkarragoa emanez. Hori dela eta, termistoreak sentsoreek erabili ohi dituzte kostu txikia, tamaina txikia, erantzun azkarragoa, sentikortasun handiagoa eta tenperatura-tarte mugatua behar duten aplikazioetan, hala nola elektronikaren kontrola, etxebizitzen eta eraikinen kontrola, laborategi zientifikoak edo termopareentzako juntura hotzen konpentsazioa aplikazio komertzial edo industrialetan. Aplikazioak.
Kasu gehienetan, NTC termistoreak erabiltzen dira tenperatura zehatz-mehatz neurtzeko, ez PTC termistoreak. PTC termistore batzuk daude eskuragarri, gainkorrontearen aurkako babes-zirkuituetan edo segurtasun-aplikazioetarako berrezar daitezkeen fusible gisa erabil daitezkeenak. PTC termistore baten erresistentzia-tenperatura kurbak NTC eskualde oso txiki bat erakusten du kommutazio-puntura (edo Curie puntura) iritsi aurretik, eta horren gainetik erresistentzia nabarmen igotzen da magnitude-ordena batzuetan, hainbat gradu Celsius-eko tartean. Gainkorronte-baldintzetan, PTC termistoreak auto-berotze handia sortuko du kommutazio-tenperatura gainditzen denean, eta bere erresistentzia nabarmen igoko da, eta horrek sistemaren sarrerako korrontea murriztuko du, eta horrela kalteak saihestuko ditu. PTC termistoreen kommutazio-puntua normalean 60 °C eta 120 °C artean dago, eta ez da egokia tenperatura-neurketak kontrolatzeko aplikazio sorta zabal batean. Artikulu honek NTC termistoreetan jartzen du arreta, normalean -80 °C eta +150 °C arteko tenperaturak neurtu edo monitorizatu ditzaketenak. NTC termistoreek ohm gutxi batzuetatik 10 MΩ-ra bitarteko erresistentzia-balioak dituzte 25 °C-tan. 1. irudian ikusten den bezala, termistoreen erresistentziaren aldaketa Celsius gradu bakoitzeko nabarmenagoa da erresistentzia-termometroena baino. Termistoreekin alderatuta, termistorearen sentikortasun handiak eta erresistentzia-balio handiak sarrera-zirkuituak errazten dituzte, termistoreek ez baitute kableatu-konfigurazio berezirik behar, hala nola 3 hariko edo 4 harikoa, berunezko erresistentzia konpentsatzeko. Termistorearen diseinuak 2 hariko konfigurazio sinple bat baino ez du erabiltzen.
Termistoreetan oinarritutako tenperatura neurketa zehatzak seinaleen prozesamendu zehatza, analogiko-digital bihurketa, linealizazioa eta konpentsazioa behar ditu, 2. irudian erakusten den bezala.
Seinale-katea sinplea dirudien arren, hainbat konplexutasun daude plaka base osoaren tamainan, kostuan eta errendimenduan eragina dutenak. ADIren zehaztasun-ADC zorroak hainbat irtenbide integratu ditu, hala nola AD7124-4/AD7124-8, eta horiek abantaila ugari eskaintzen dituzte sistema termikoaren diseinurako, aplikazio baterako beharrezkoak diren eraikuntza-bloke gehienak barneratuta baitaude. Hala ere, hainbat erronka daude termistoreetan oinarritutako tenperatura neurtzeko irtenbideak diseinatzeko eta optimizatzeko orduan.
Artikulu honek arazo horietako bakoitza aztertzen du eta gomendioak ematen ditu horiek konpontzeko eta sistema horien diseinu-prozesua gehiago errazteko.
Hainbat motatakoak daudeNTC termistoreakgaur egun merkatuan daudenez, zure aplikaziorako termistore egokia aukeratzea lan nekagarria izan daiteke. Kontuan izan termistoreak balio nominalaren arabera zerrendatzen direla, hau da, 25 °C-tan duten erresistentzia nominala. Beraz, 10 kΩ-ko termistore batek 10 kΩ-ko erresistentzia nominala du 25 °C-tan. Termistoreek ohm gutxi batzuetatik 10 MΩ-ra bitarteko erresistentzia-balio nominalak edo oinarrizkoak dituzte. Erresistentzia-balorazio baxuak dituzten termistoreek (10 kΩ edo gutxiagoko erresistentzia nominala) normalean tenperatura-tarte baxuagoak onartzen dituzte, hala nola -50 °C-tik +70 °C-ra. Erresistentzia-balorazio handiagoak dituzten termistoreek 300 °C-ko tenperaturak jasan ditzakete.
Termistore elementua oxido metalikoz egina dago. Termistoreak bola, erradial eta SMD formatuetan daude eskuragarri. Termistore aleak epoxi estalduraz edo beirazko kapsulaz inguratuta daude babes gehigarrirako. Epoxi estalitako bola termistoreak, erradial eta gainazaleko termistoreak 150 °C-rainoko tenperaturetarako egokiak dira. Beirazko ale termistoreak tenperatura altuak neurtzeko egokiak dira. Estaldura/ontziratze mota guztiek ere korrosioaren aurka babesten dute. Termistore batzuek karkasa gehigarriak ere izango dituzte ingurune gogorretan babes gehigarrirako. Ale termistoreek erantzun-denbora azkarragoa dute termistore erradial/SMD baino. Hala ere, ez dira hain iraunkorrak. Beraz, erabilitako termistore mota azken aplikazioaren eta termistorea dagoen ingurunearen araberakoa da. Termistore baten epe luzeko egonkortasuna bere materialaren, ontziratzearen eta diseinuaren araberakoa da. Adibidez, epoxi estalitako NTC termistore batek urtean 0,2 °C alda dezake, eta zigilatutako termistore batek, berriz, urtean 0,02 °C bakarrik aldatzen du.
Termistoreak zehaztasun desberdinekoak dira. Termistore estandarrek normalean 0,5 °C eta 1,5 °C arteko zehaztasuna dute. Termistorearen erresistentzia-balorazioa eta beta balioa (25 °C eta 50 °C/85 °C arteko erlazioa) tolerantzia bat dute. Kontuan izan termistorearen beta balioa fabrikatzailearen arabera aldatzen dela. Adibidez, fabrikatzaile desberdinetako 10 kΩ NTC termistoreek beta balio desberdinak izango dituzte. Sistema zehatzagoetarako, Omega™ 44xxx seriea bezalako termistoreak erabil daitezke. 0,1 °C edo 0,2 °C-ko zehaztasuna dute 0 °C eta 70 °C arteko tenperatura-tarte batean. Beraz, neur daitezkeen tenperatura-tarteak eta tenperatura-tarte horretan behar den zehaztasunak zehazten dute termistoreak aplikazio honetarako egokiak diren ala ez. Kontuan izan Omega 44xxx seriearen zehaztasuna zenbat eta handiagoa izan, orduan eta handiagoa izango dela kostua.
Erresistentzia Celsius gradutara bihurtzeko, beta balioa erabili ohi da. Beta balioa zehazteko, bi tenperatura puntuak eta tenperatura puntu bakoitzean dagokion erresistentzia ezagututa lortzen da.
RT1 = 1. tenperatura-erresistentzia RT2 = 2. tenperatura-erresistentzia T1 = 1. tenperatura (K) T2 = 2. tenperatura (K)
Erabiltzaileak proiektuan erabilitako tenperatura-tartetik hurbilen dagoen beta balioa erabiltzen du. Termistoreen datu-orri gehienek beta balio bat zerrendatzen dute, 25 °C-tan erresistentzia-tolerantzia batekin eta beta balioaren tolerantzia batekin batera.
Omega 44xxx seriea bezalako zehaztasun handiko termistoreek eta zehaztasun handiko amaiera-soluzioek Steinhart-Hart ekuazioa erabiltzen dute erresistentzia Celsius gradutara bihurtzeko. 2. ekuazioak A, B eta C hiru konstante behar ditu, berriro ere sentsorearen fabrikatzaileak emanda. Ekuazioaren koefizienteak hiru tenperatura-puntu erabiliz sortzen direnez, ondoriozko ekuazioak linealizazioak eragindako errorea minimizatzen du (normalean 0,02 °C).
A, B eta C hiru tenperatura-puntuetatik eratorritako konstanteak dira. R = termistorearen erresistentzia ohmetan T = tenperatura K gradutan
3. irudian sentsorearen korronte-kitzikapena ikusten da. Pilaketa-korrontea termistoreari aplikatzen zaio eta korronte bera zehaztasun-erresistentziari; zehaztasun-erresistentzia bat erabiltzen da neurketarako erreferentzia gisa. Erreferentzia-erresistentziaren balioa termistorearen erresistentziaren baliorik altuena baino handiagoa edo berdina izan behar da (sisteman neurtutako tenperaturarik baxuenaren arabera).
Kitzikapen-korrontea hautatzerakoan, termistorearen erresistentzia maximoa kontuan hartu behar da berriro ere. Horrek bermatzen du sentsorearen eta erreferentzia-erresistentziaren arteko tentsioa beti elektronikarentzat onargarria den mailan egotea. Eremu-korrontearen iturriak zenbait headroom edo irteera-egokitzapen behar ditu. Termistoreak erresistentzia handia badu neur daitekeen tenperatura baxuenean, horrek bultzada-korronte oso baxua izango du. Beraz, tenperatura altuan termistorean sortzen den tentsioa txikia da. Irabazi-etapa programagarriak erabil daitezke maila baxuko seinale horien neurketa optimizatzeko. Hala ere, irabazia dinamikoki programatu behar da, termistorearen seinale-maila tenperaturarekin asko aldatzen baita.
Beste aukera bat irabazia ezartzea da, baina korronte dinamikoa erabiltzea. Beraz, termistorearen seinale-maila aldatzen den heinean, korrontearen balioa dinamikoki aldatzen da, termistorean garatutako tentsioa gailu elektronikoaren sarrera-tarte zehaztuaren barruan egon dadin. Erabiltzaileak ziurtatu behar du erreferentzia-erresistentzian garatutako tentsioa elektronikarentzat onargarria den mailan dagoela. Bi aukerek kontrol-maila altua behar dute, termistorearen tentsioaren etengabeko monitorizazioa, elektronikak seinalea neurtu ahal izan dezan. Ba al dago aukera errazagorik? Kontuan hartu tentsio-kitzikapena.
Tentsio zuzena termistoreari aplikatzen zaionean, termistoretik igarotzen den korrontea automatikoki eskalatzen da termistorearen erresistentzia aldatzen den heinean. Orain, erreferentziazko erresistentzia baten ordez zehaztasun handiko neurketa-erresistentzia bat erabiliz, bere helburua termistoretik igarotzen den korrontea kalkulatzea da, eta horrela termistorearen erresistentzia kalkulatzea ahalbidetzen du. Gidatze-tentsioa ADC erreferentziazko seinale gisa ere erabiltzen denez, ez da irabazi-etaparik behar. Prozesadoreak ez du termistorearen tentsioa kontrolatzeko, seinale-maila elektronikak neur dezakeen zehazteko eta zein gidatzeko irabazi/korronte balio doitu behar den kalkulatzeko lanik. Artikulu honetan erabilitako metodoa da hau.
Termistoreak erresistentzia-balorazio eta erresistentzia-tarte txikia badu, tentsioaren edo korrontearen kitzikapena erabil daiteke. Kasu honetan, bultzada-korrontea eta irabazia finkatu daitezke. Horrela, zirkuitua 3. irudian agertzen den bezalakoa izango da. Metodo hau komenigarria da, sentsorearen eta erreferentzia-erresistentziaren bidezko korrontea kontrolatu daitekeelako, eta hori baliotsua da potentzia txikiko aplikazioetan. Gainera, termistorearen auto-beroketa minimizatzen da.
Tentsio-kitzikapena erresistentzia-balorazio baxuko termistoreetarako ere erabil daiteke. Hala ere, erabiltzaileak beti ziurtatu behar du sentsoretik igarotzen den korrontea ez dela altuegia sentsorearentzat edo aplikazioarentzat.
Tentsio-kitzikapenak inplementazioa errazten du erresistentzia-balorazio handiko eta tenperatura-tarte zabaleko termistore bat erabiltzean. Erresistentzia nominal handiago batek korronte nominalaren maila onargarria ematen du. Hala ere, diseinatzaileek ziurtatu behar dute korrontea maila onargarrian dagoela aplikazioak onartzen duen tenperatura-tarte osoan.
Sigma-Delta ADC-ek hainbat abantaila eskaintzen dituzte termistore bidezko neurketa sistema bat diseinatzerakoan. Lehenik eta behin, sigma-delta ADC-ak sarrera analogikoa berriro lagintzen duenez, kanpoko iragazketa minimoa da eta behar den bakarra RC iragazki sinple bat da. Malgutasuna eskaintzen dute iragazki motan eta irteerako baud abiaduran. Barneko iragazketa digitala erabil daiteke sare elektrikotik elikatzen diren gailuetan interferentziak kentzeko. AD7124-4/AD7124-8 bezalako 24 biteko gailuek 21,7 bit arteko bereizmen osoa dute, beraz, bereizmen handia eskaintzen dute.
Sigma-delta ADC baten erabilerak termistorearen diseinua asko errazten du, zehaztapenak, sistemaren kostua, plakaren espazioa eta merkaturatzeko denbora murriztuz.
Artikulu honek AD7124-4/AD7124-8 erabiltzen du ADC gisa, zarata gutxiko, korronte gutxiko eta zehaztasun handiko ADCak direlako, PGA integratua, erreferentzia integratua, sarrera analogikoa eta erreferentzia bufferra dutelako.
Korronte edo tentsio erabiltzen ari zaren kontuan hartu gabe, erreferentziako tentsioa eta sentsorearen tentsioa iturri beretik datozen konfigurazio raziometrikoa gomendatzen da. Horrek esan nahi du kitzikapen-iturrian izandako edozein aldaketak ez duela neurketaren zehaztasunean eragingo.
5. irudian termistorearen eta RREF erresistentzia zehatzaren korronte konstantea erakusten da, RREF-en zehar garatutako tentsioa termistorea neurtzeko erreferentziazko tentsioa da.
Eremu-korronteak ez du zertan zehatza izan eta baliteke ezegonkorragoa izatea, konfigurazio honetan eremu-korrontearen erroreak ezabatuko baitira. Oro har, korronte-kitzikapena nahiago da tentsio-kitzikapenaren aldean, sentikortasun-kontrol hobea eta zaratarekiko immunitate hobea duelako sentsorea urruneko kokapenetan dagoenean. Polarizazio-metodo mota hau normalean erresistentzia-balio baxuak dituzten RTD edo termistoreetarako erabiltzen da. Hala ere, erresistentzia-balio handiagoa eta sentikortasun handiagoa duen termistore batentzat, tenperatura-aldaketa bakoitzak sortutako seinale-maila handiagoa izango da, beraz, tentsio-kitzikapena erabiltzen da. Adibidez, 10 kΩ-ko termistore batek 10 kΩ-ko erresistentzia du 25 °C-tan. -50 °C-tan, NTC termistorearen erresistentzia 441,117 kΩ da. AD7124-4/AD7124-8-k ematen duen 50 µA-ko gutxieneko bultzada-korronteak 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V sortzen ditu, eta hori altuegia da eta aplikazio-eremu honetan erabiltzen diren ADC gehienen funtzionamendu-tartetik kanpo dago. Termistoreak normalean elektronikaren ondoan konektatuta edo kokatuta egoten dira, beraz, ez da beharrezkoa korrontearekiko immunitatea.
Seriean sentsore-erresistentzia bat tentsio-zatitzaile zirkuitu gisa gehitzeak termistoretik igarotzen den korrontea bere erresistentzia-balio minimora mugatuko du. Konfigurazio honetan, RSENSE sentsore-erresistentziaren balioa 25 °C-ko erreferentzia-tenperaturan termistorearen erresistentziaren balioaren berdina izan behar da, irteerako tentsioa 25 °CC-ko tenperatura nominalean erreferentzia-tentsioaren erdiko puntuaren berdina izan dadin. Era berean, 25 °C-tan 10 kΩ-ko erresistentzia duen 10 kΩ-ko termistore bat erabiltzen bada, RSENSE 10 kΩ izan beharko litzateke. Tenperatura aldatzen den heinean, NTC termistorearen erresistentzia ere aldatu egiten da, eta termistorearen zeharreko tentsioaren arteko erlazioa ere aldatu egiten da, eta ondorioz, irteerako tentsioa NTC termistorearen erresistentziarekiko proportzionala da.
Termistorea eta/edo RSENSE elikatzeko erabilitako tentsio-erreferentzia hautatua neurketarako erabilitako ADC erreferentzia-tentsioarekin bat badator, sistema neurketa raziometrikora ezartzen da (7. irudia), kitzikapenarekin lotutako edozein errore-tentsio-iturri kentzeko polarizatuko den.
Kontuan izan sentsore-erresistentziak (tentsioak eragindakoak) edo erreferentzia-erresistentziak (korronteak eragindakoak) hasierako tolerantzia baxua eta desbideratze txikia izan behar dituela, bi aldagaiek sistema osoaren zehaztasuna eragin dezaketelako.
Termistore bat baino gehiago erabiltzean, kitzikapen-tentsio bakarra erabil daiteke. Hala ere, termistore bakoitzak bere zehaztasun-sentsore erresistentzia izan behar du, 8. irudian erakusten den bezala. Beste aukera bat kanpoko multiplexor bat edo erresistentzia baxuko etengailu bat erabiltzea da piztuta dagoenean, eta horrek zehaztasun-sentsore erresistentzia bat partekatzea ahalbidetzen du. Konfigurazio honekin, termistore bakoitzak finkapen-denbora behar du neurketa egiterakoan.
Laburbilduz, termistore batean oinarritutako tenperatura neurtzeko sistema bat diseinatzerakoan, kontuan hartu beharreko galdera asko daude: sentsorearen hautaketa, sentsorearen kableatua, osagaien hautaketa-konpromisoak, ADC konfigurazioa eta aldagai hauek nola eragiten duten sistemaren zehaztasun orokorrean. Serie honetako hurrengo artikuluak azaltzen du nola optimizatu zure sistemaren diseinua eta sistemaren errore-aurrekontu orokorra zure helburuko errendimendua lortzeko.
Argitaratze data: 2022ko irailaren 30a