Đây là bài viết đầu tiên trong loạt bài gồm hai phần. Bài viết này trước tiên sẽ thảo luận về lịch sử và những thách thức trong thiết kế củanhiệt độ dựa trên nhiệt điện trởBài viết này sẽ giới thiệu các hệ thống đo lường, cũng như so sánh chúng với các hệ thống đo nhiệt độ bằng nhiệt kế điện trở (RTD). Bài viết cũng sẽ mô tả cách lựa chọn nhiệt điện trở, các cân nhắc về cấu hình và tầm quan trọng của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) sigma-delta trong lĩnh vực ứng dụng này. Bài viết thứ hai sẽ trình bày chi tiết cách tối ưu hóa và đánh giá hệ thống đo lường dựa trên nhiệt điện trở cuối cùng.
Như đã mô tả trong loạt bài viết trước, Tối ưu hóa Hệ thống Cảm biến Nhiệt độ RTD, RTD là một điện trở có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt điện trở hoạt động tương tự như RTD. Không giống như RTD, vốn chỉ có hệ số nhiệt độ dương, nhiệt điện trở có thể có hệ số nhiệt độ dương hoặc âm. Nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ âm (NTC) giảm điện trở khi nhiệt độ tăng, trong khi nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ dương (PTC) tăng điện trở khi nhiệt độ tăng. Hình 1 cho thấy đặc tính đáp ứng của các nhiệt điện trở NTC và PTC điển hình và so sánh chúng với đường cong RTD.
Về phạm vi nhiệt độ, đường cong RTD gần như tuyến tính, và cảm biến có phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiều so với nhiệt điện trở (thường từ -200°C đến +850°C) do tính chất phi tuyến tính (theo hàm mũ) của nhiệt điện trở. RTD thường được cung cấp theo các đường cong chuẩn hóa phổ biến, trong khi đường cong nhiệt điện trở thay đổi tùy theo nhà sản xuất. Chúng tôi sẽ thảo luận chi tiết về vấn đề này trong phần hướng dẫn lựa chọn nhiệt điện trở của bài viết này.
Nhiệt điện trở được làm từ vật liệu composite, thường là gốm, polyme hoặc chất bán dẫn (thường là oxit kim loại) và kim loại nguyên chất (bạch kim, niken hoặc đồng). Nhiệt điện trở có thể phát hiện sự thay đổi nhiệt độ nhanh hơn RTD, cung cấp phản hồi nhanh hơn. Do đó, nhiệt điện trở thường được sử dụng trong các cảm biến trong các ứng dụng đòi hỏi chi phí thấp, kích thước nhỏ, phản hồi nhanh hơn, độ nhạy cao hơn và phạm vi nhiệt độ hạn chế, chẳng hạn như điều khiển điện tử, điều khiển nhà ở và tòa nhà, phòng thí nghiệm khoa học, hoặc bù mối nối lạnh cho cặp nhiệt điện trong các ứng dụng thương mại hoặc công nghiệp.
Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt điện trở NTC được sử dụng để đo nhiệt độ chính xác, không phải nhiệt điện trở PTC. Một số nhiệt điện trở PTC có sẵn có thể được sử dụng trong các mạch bảo vệ quá dòng hoặc làm cầu chì có thể đặt lại cho các ứng dụng an toàn. Đường cong nhiệt độ-điện trở của nhiệt điện trở PTC cho thấy một vùng NTC rất nhỏ trước khi đạt đến điểm chuyển mạch (hoặc điểm Curie), trên đó điện trở tăng mạnh theo một số cấp độ lớn trong phạm vi vài độ C. Trong điều kiện quá dòng, nhiệt điện trở PTC sẽ tạo ra hiện tượng tự gia nhiệt mạnh khi vượt quá nhiệt độ chuyển mạch và điện trở của nó sẽ tăng mạnh, điều này sẽ làm giảm dòng điện đầu vào hệ thống, do đó ngăn ngừa hư hỏng. Điểm chuyển mạch của nhiệt điện trở PTC thường nằm trong khoảng từ 60°C đến 120°C và không phù hợp để kiểm soát các phép đo nhiệt độ trong nhiều ứng dụng. Bài viết này tập trung vào nhiệt điện trở NTC, thường có thể đo hoặc theo dõi nhiệt độ trong phạm vi từ -80°C đến +150°C. Điện trở nhiệt NTC có định mức điện trở từ vài ohm đến 10 MΩ ở 25°C. Như thể hiện trong hình 1, sự thay đổi điện trở trên mỗi độ C của điện trở nhiệt rõ rệt hơn so với nhiệt kế điện trở. So với điện trở nhiệt, độ nhạy và giá trị điện trở cao của điện trở nhiệt giúp đơn giản hóa mạch đầu vào, vì điện trở nhiệt không yêu cầu bất kỳ cấu hình đấu dây đặc biệt nào, chẳng hạn như 3 dây hoặc 4 dây, để bù cho điện trở dây dẫn. Thiết kế điện trở nhiệt chỉ sử dụng cấu hình 2 dây đơn giản.
Đo nhiệt độ dựa trên nhiệt điện trở có độ chính xác cao đòi hỏi phải xử lý tín hiệu chính xác, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, tuyến tính hóa và bù trừ, như thể hiện trong hình 2.
Mặc dù chuỗi tín hiệu có vẻ đơn giản, nhưng có một số yếu tố phức tạp ảnh hưởng đến kích thước, chi phí và hiệu suất của toàn bộ bo mạch chủ. Danh mục ADC chính xác của ADI bao gồm một số giải pháp tích hợp, chẳng hạn như AD7124-4/AD7124-8, mang lại nhiều lợi thế cho thiết kế hệ thống nhiệt vì hầu hết các khối xây dựng cần thiết cho một ứng dụng đều được tích hợp sẵn. Tuy nhiên, việc thiết kế và tối ưu hóa các giải pháp đo nhiệt độ dựa trên nhiệt điện trở gặp nhiều thách thức.
Bài viết này thảo luận về từng vấn đề này và đưa ra các khuyến nghị để giải quyết chúng và đơn giản hóa hơn nữa quy trình thiết kế cho các hệ thống như vậy.
Có rất nhiều loạiNhiệt điện trở NTCtrên thị trường hiện nay, vì vậy việc lựa chọn điện trở nhiệt phù hợp cho ứng dụng của bạn có thể là một nhiệm vụ khó khăn. Lưu ý rằng điện trở nhiệt được liệt kê theo giá trị danh nghĩa của chúng, tức là điện trở danh nghĩa ở 25°C. Do đó, điện trở nhiệt 10 kΩ có điện trở danh nghĩa là 10 kΩ ở 25°C. Điện trở nhiệt có giá trị điện trở danh nghĩa hoặc cơ bản dao động từ vài ohm đến 10 MΩ. Điện trở nhiệt có định mức điện trở thấp (điện trở danh nghĩa từ 10 kΩ trở xuống) thường hỗ trợ dải nhiệt độ thấp hơn, chẳng hạn như -50°C đến +70°C. Điện trở nhiệt có định mức điện trở cao hơn có thể chịu được nhiệt độ lên đến 300°C.
Phần tử nhiệt điện trở được làm bằng oxit kim loại. Nhiệt điện trở có sẵn ở dạng hình cầu, hình tròn và SMD. Hạt nhiệt điện trở được phủ epoxy hoặc bọc thủy tinh để tăng cường bảo vệ. Nhiệt điện trở hình cầu, hình tròn và bề mặt phủ epoxy phù hợp với nhiệt độ lên đến 150°C. Nhiệt điện trở hạt thủy tinh phù hợp để đo nhiệt độ cao. Tất cả các loại lớp phủ/bao bì cũng bảo vệ chống ăn mòn. Một số nhiệt điện trở cũng sẽ có vỏ bọc bổ sung để tăng cường bảo vệ trong môi trường khắc nghiệt. Nhiệt điện trở hạt có thời gian phản hồi nhanh hơn nhiệt điện trở hình tròn/SMD. Tuy nhiên, chúng không bền bằng. Do đó, loại nhiệt điện trở được sử dụng phụ thuộc vào ứng dụng cuối cùng và môi trường mà nhiệt điện trở được đặt. Độ ổn định lâu dài của nhiệt điện trở phụ thuộc vào vật liệu, bao bì và thiết kế của nó. Ví dụ, nhiệt điện trở NTC phủ epoxy có thể thay đổi 0,2°C mỗi năm, trong khi nhiệt điện trở kín chỉ thay đổi 0,02°C mỗi năm.
Nhiệt điện trở có nhiều độ chính xác khác nhau. Nhiệt điện trở tiêu chuẩn thường có độ chính xác từ 0,5°C đến 1,5°C. Định mức điện trở nhiệt và giá trị beta (tỷ lệ 25°C đến 50°C/85°C) có dung sai. Lưu ý rằng giá trị beta của nhiệt điện trở thay đổi tùy theo nhà sản xuất. Ví dụ, nhiệt điện trở NTC 10 kΩ từ các nhà sản xuất khác nhau sẽ có giá trị beta khác nhau. Đối với các hệ thống chính xác hơn, có thể sử dụng nhiệt điện trở như dòng Omega™ 44xxx. Chúng có độ chính xác 0,1°C hoặc 0,2°C trong phạm vi nhiệt độ từ 0°C đến 70°C. Do đó, phạm vi nhiệt độ có thể đo được và độ chính xác cần thiết trong phạm vi nhiệt độ đó sẽ quyết định xem nhiệt điện trở có phù hợp với ứng dụng này hay không. Xin lưu ý rằng độ chính xác của dòng Omega 44xxx càng cao thì chi phí càng cao.
Để chuyển đổi điện trở sang độ C, người ta thường sử dụng giá trị beta. Giá trị beta được xác định bằng cách biết hai điểm nhiệt độ và điện trở tương ứng tại mỗi điểm nhiệt độ.
RT1 = Điện trở nhiệt 1 RT2 = Điện trở nhiệt 2 T1 = Nhiệt độ 1 (K) T2 = Nhiệt độ 2 (K)
Người dùng sử dụng giá trị beta gần nhất với dải nhiệt độ được sử dụng trong dự án. Hầu hết các bảng dữ liệu nhiệt điện trở đều liệt kê giá trị beta cùng với dung sai điện trở ở 25°C và dung sai cho giá trị beta.
Các nhiệt điện trở có độ chính xác cao hơn và các giải pháp kết thúc có độ chính xác cao như dòng Omega 44xxx sử dụng phương trình Steinhart-Hart để chuyển đổi điện trở sang độ C. Phương trình 2 yêu cầu ba hằng số A, B và C, cũng do nhà sản xuất cảm biến cung cấp. Vì các hệ số phương trình được tạo ra bằng cách sử dụng ba điểm nhiệt độ, phương trình kết quả giảm thiểu sai số do tuyến tính hóa (thường là 0,02 °C).
A, B và C là các hằng số được suy ra từ ba điểm đặt nhiệt độ. R = điện trở nhiệt điện trở tính bằng ohm T = nhiệt độ tính bằng K độ
Hình 3 cho thấy dòng điện kích thích của cảm biến. Dòng điện dẫn được đưa vào nhiệt điện trở và dòng điện tương tự được đưa vào điện trở chính xác; điện trở chính xác được sử dụng làm tham chiếu cho phép đo. Giá trị của điện trở tham chiếu phải lớn hơn hoặc bằng giá trị cao nhất của điện trở nhiệt điện trở (tùy thuộc vào nhiệt độ thấp nhất được đo trong hệ thống).
Khi lựa chọn dòng điện kích thích, điện trở tối đa của nhiệt điện trở cần được tính đến một lần nữa. Điều này đảm bảo điện áp trên cảm biến và điện trở tham chiếu luôn ở mức chấp nhận được đối với các thiết bị điện tử. Nguồn dòng điện kích từ cần có khoảng trống hoặc sự phù hợp đầu ra. Nếu nhiệt điện trở có điện trở cao ở nhiệt độ đo được thấp nhất, điều này sẽ dẫn đến dòng điện dẫn động rất thấp. Do đó, điện áp được tạo ra trên nhiệt điện trở ở nhiệt độ cao là nhỏ. Các tầng khuếch đại có thể lập trình được có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc đo các tín hiệu mức thấp này. Tuy nhiên, độ khuếch đại phải được lập trình động vì mức tín hiệu từ nhiệt điện trở thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ.
Một lựa chọn khác là thiết lập độ lợi nhưng sử dụng dòng điện điều khiển động. Do đó, khi mức tín hiệu từ nhiệt điện trở thay đổi, giá trị dòng điện điều khiển cũng thay đổi động để điện áp phát sinh trên nhiệt điện trở nằm trong phạm vi đầu vào được chỉ định của thiết bị điện tử. Người dùng phải đảm bảo rằng điện áp phát sinh trên điện trở tham chiếu cũng ở mức chấp nhận được đối với thiết bị điện tử. Cả hai lựa chọn đều yêu cầu mức độ kiểm soát cao, giám sát liên tục điện áp trên nhiệt điện trở để thiết bị điện tử có thể đo tín hiệu. Có lựa chọn nào dễ dàng hơn không? Hãy xem xét kích thích điện áp.
Khi điện áp DC được đặt vào nhiệt điện trở, dòng điện chạy qua nhiệt điện trở sẽ tự động điều chỉnh theo sự thay đổi điện trở của nhiệt điện trở. Giờ đây, bằng cách sử dụng điện trở đo lường chính xác thay vì điện trở tham chiếu, mục đích của nó là tính toán dòng điện chạy qua nhiệt điện trở, từ đó tính toán điện trở nhiệt. Vì điện áp điều khiển cũng được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu ADC, nên không cần tầng khuếch đại. Bộ xử lý không có nhiệm vụ giám sát điện áp nhiệt điện trở, xác định xem mức tín hiệu có thể được đo bằng thiết bị điện tử hay không và tính toán giá trị khuếch đại/dòng điện điều khiển cần điều chỉnh. Đây là phương pháp được sử dụng trong bài viết này.
Nếu nhiệt điện trở có định mức điện trở và dải điện trở nhỏ, có thể sử dụng kích thích điện áp hoặc dòng điện. Trong trường hợp này, dòng điện và độ lợi của động cơ có thể được cố định. Do đó, mạch sẽ như trong Hình 3. Phương pháp này thuận tiện ở chỗ có thể điều khiển dòng điện thông qua cảm biến và điện trở tham chiếu, điều này rất hữu ích trong các ứng dụng công suất thấp. Ngoài ra, hiện tượng tự tỏa nhiệt của nhiệt điện trở được giảm thiểu.
Kích thích điện áp cũng có thể được sử dụng cho các nhiệt điện trở có định mức điện trở thấp. Tuy nhiên, người dùng phải luôn đảm bảo dòng điện chạy qua cảm biến không quá cao so với cảm biến hoặc ứng dụng.
Kích thích điện áp giúp đơn giản hóa việc triển khai khi sử dụng nhiệt điện trở có điện trở định mức lớn và dải nhiệt độ rộng. Điện trở danh định lớn hơn cung cấp mức dòng điện định mức chấp nhận được. Tuy nhiên, các nhà thiết kế cần đảm bảo dòng điện ở mức chấp nhận được trên toàn bộ dải nhiệt độ mà ứng dụng hỗ trợ.
Bộ ADC Sigma-Delta mang lại nhiều lợi thế khi thiết kế hệ thống đo nhiệt điện trở. Thứ nhất, vì bộ ADC Sigma-Delta lấy mẫu lại tín hiệu đầu vào analog, nên việc lọc ngoài được giảm thiểu tối đa và yêu cầu duy nhất là một bộ lọc RC đơn giản. Chúng mang lại sự linh hoạt về loại bộ lọc và tốc độ truyền dữ liệu đầu ra. Bộ lọc kỹ thuật số tích hợp có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu trong các thiết bị sử dụng nguồn điện lưới. Các thiết bị 24 bit như AD7124-4/AD7124-8 có độ phân giải đầy đủ lên đến 21,7 bit, do đó chúng cung cấp độ phân giải cao.
Việc sử dụng ADC sigma-delta giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế nhiệt điện trở đồng thời giảm thông số kỹ thuật, chi phí hệ thống, không gian bo mạch và thời gian đưa ra thị trường.
Bài viết này sử dụng AD7124-4/AD7124-8 làm ADC vì chúng là ADC có độ chính xác, dòng điện thấp, độ nhiễu thấp với PGA tích hợp, tham chiếu tích hợp, đầu vào tương tự và bộ đệm tham chiếu.
Bất kể bạn sử dụng dòng điện hay điện áp, nên sử dụng cấu hình tỷ lệ trong đó điện áp tham chiếu và điện áp cảm biến đến từ cùng một nguồn điện. Điều này có nghĩa là bất kỳ thay đổi nào về nguồn kích thích sẽ không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Hình 5 cho thấy dòng điện dẫn động không đổi cho nhiệt điện trở và điện trở chính xác RREF, điện áp phát triển trên RREF là điện áp tham chiếu để đo nhiệt điện trở.
Dòng điện trường không cần phải chính xác và có thể kém ổn định hơn vì bất kỳ sai số nào về dòng điện trường sẽ bị loại bỏ trong cấu hình này. Nhìn chung, kích thích bằng dòng điện được ưu tiên hơn kích thích bằng điện áp do khả năng kiểm soát độ nhạy vượt trội và khả năng chống nhiễu tốt hơn khi cảm biến được đặt ở những vị trí xa. Phương pháp phân cực này thường được sử dụng cho RTD hoặc nhiệt điện trở có giá trị điện trở thấp. Tuy nhiên, đối với nhiệt điện trở có giá trị điện trở và độ nhạy cao hơn, mức tín hiệu được tạo ra bởi mỗi thay đổi nhiệt độ sẽ lớn hơn, do đó kích thích bằng điện áp được sử dụng. Ví dụ, nhiệt điện trở 10 kΩ có điện trở 10 kΩ ở 25°C. Ở -50°C, điện trở của nhiệt điện trở NTC là 441,117 kΩ. Dòng điện dẫn động tối thiểu 50 µA do AD7124-4/AD7124-8 cung cấp tạo ra 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, quá cao và nằm ngoài phạm vi hoạt động của hầu hết các bộ ADC hiện có được sử dụng trong lĩnh vực ứng dụng này. Nhiệt điện trở cũng thường được kết nối hoặc đặt gần các thiết bị điện tử, do đó không yêu cầu khả năng miễn nhiễm với dòng điện dẫn động.
Thêm một điện trở cảm biến nối tiếp như một mạch chia điện áp sẽ giới hạn dòng điện chạy qua nhiệt điện trở ở giá trị điện trở tối thiểu của nó. Trong cấu hình này, giá trị của điện trở cảm biến RSENSE phải bằng giá trị điện trở nhiệt điện trở ở nhiệt độ tham chiếu là 25°C, do đó điện áp đầu ra sẽ bằng điểm giữa của điện áp tham chiếu ở nhiệt độ danh nghĩa là 25°CC. Tương tự, nếu sử dụng nhiệt điện trở 10 kΩ có điện trở 10 kΩ ở 25°C, thì RSENSE phải bằng 10 kΩ. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của nhiệt điện trở NTC cũng thay đổi và tỷ số điện áp truyền động trên nhiệt điện trở cũng thay đổi, dẫn đến điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện trở của nhiệt điện trở NTC.
Nếu điện áp tham chiếu được chọn dùng để cấp nguồn cho nhiệt điện trở và/hoặc RSENSE khớp với điện áp tham chiếu ADC dùng để đo, hệ thống sẽ được đặt thành phép đo tỷ lệ (Hình 7) để bất kỳ nguồn điện áp lỗi liên quan đến kích thích nào cũng sẽ bị lệch để loại bỏ.
Lưu ý rằng điện trở cảm biến (dẫn điện áp) hoặc điện trở tham chiếu (dẫn dòng điện) phải có dung sai ban đầu thấp và độ trôi thấp vì cả hai biến đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của toàn bộ hệ thống.
Khi sử dụng nhiều nhiệt điện trở, có thể sử dụng một điện áp kích thích. Tuy nhiên, mỗi nhiệt điện trở phải có điện trở cảm biến chính xác riêng, như minh họa trong hình 8. Một lựa chọn khác là sử dụng bộ ghép kênh ngoài hoặc công tắc điện trở thấp ở trạng thái bật, cho phép chia sẻ một điện trở cảm biến chính xác. Với cấu hình này, mỗi nhiệt điện trở cần một khoảng thời gian ổn định khi đo.
Tóm lại, khi thiết kế hệ thống đo nhiệt độ dựa trên nhiệt điện trở, có rất nhiều câu hỏi cần cân nhắc: lựa chọn cảm biến, đấu dây cảm biến, cân nhắc lựa chọn linh kiện, cấu hình ADC, và cách các biến số này ảnh hưởng đến độ chính xác tổng thể của hệ thống. Bài viết tiếp theo trong loạt bài này sẽ giải thích cách tối ưu hóa thiết kế hệ thống và ngân sách lỗi tổng thể của hệ thống để đạt được hiệu suất mục tiêu.
Thời gian đăng: 30-09-2022