Đây là bài viết đầu tiên trong một loạt hai phần. Bài viết này trước tiên sẽ thảo luận về các thách thức lịch sử và thiết kế củaNhiệt độ dựa trên nhiệt điệnCác hệ thống đo lường, cũng như so sánh của chúng với hệ thống đo nhiệt độ nhiệt kế điện trở (RTD). Nó cũng sẽ mô tả sự lựa chọn của nhiệt điện trở, đánh đổi cấu hình và tầm quan trọng của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Sigma-Delta trong khu vực ứng dụng này. Bài viết thứ hai sẽ chi tiết cách tối ưu hóa và đánh giá hệ thống đo lường dựa trên nhiệt điện nhiệt cuối cùng.
Như được mô tả trong loạt bài viết trước, tối ưu hóa các hệ thống cảm biến nhiệt độ RTD, RTD là một điện trở có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt nhiệt hoạt động tương tự như RTD. Không giống như RTD, chỉ có hệ số nhiệt độ dương, nhiệt điện trở có thể có hệ số nhiệt độ dương hoặc âm. Các nhiệt điện nhiệt hệ số nhiệt độ âm (NTC) làm giảm điện trở của chúng khi nhiệt độ tăng, trong khi các nhiệt điện nhiệt hệ số nhiệt độ dương (PTC) làm tăng điện trở khi nhiệt độ tăng. Trên hình. 1 cho thấy các đặc điểm đáp ứng của các nhiệt điện nhiệt NTC và PTC điển hình và so sánh chúng với các đường cong RTD.
Về phạm vi nhiệt độ, đường cong RTD gần như tuyến tính và cảm biến bao gồm phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiều so với nhiệt điện nhiệt (thường là -200 ° C đến +850 ° C) do tính chất phi tuyến tính (theo cấp số nhân) của nhiệt điện trở. RTD thường được cung cấp trong các đường cong tiêu chuẩn hóa nổi tiếng, trong khi các đường cong nhiệt điện trở khác nhau tùy theo nhà sản xuất. Chúng tôi sẽ thảo luận chi tiết trong phần Hướng dẫn lựa chọn nhiệt điện của bài viết này.
Các nhiệt điện được làm từ vật liệu composite, thường là gốm sứ, 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 thay đổi nhiệt độ nhanh hơn RTD, cung cấp phản hồi nhanh hơn. Do đó, các bộ nhiệt điện thường được sử dụng bởi các cảm biến trong các ứng dụng đòi hỏi chi phí thấp, kích thước nhỏ, phản ứng nhanh hơn, độ nhạy cao hơn và phạm vi nhiệt độ hạn chế, như kiểm soát điện tử, kiểm soát nhà và tòa nhà, phòng thí nghiệm khoa học hoặc bù giao lộ lạnh cho các cặp nhiệt điện trong các ứng dụng thương mại hoặc công nghiệp. mục đích. Ứng dụng.
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 bộ nhiệt điện 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 vùng NTC rất nhỏ trước khi đạt đến điểm chuyển đổi (hoặc điểm Curie), trên đó điện trở tăng mạnh theo nhiều bậc độ lớn trong phạm vi của một số độ C. Trong các điều kiện quá dòng, nhiệt điện trở PTC sẽ tạo ra tự làm nóng 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 cho hệ thống, do đó ngăn ngừa thiệt hại. Điểm chuyển đổi 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 một loạt các ứng dụng. Bài viết này tập trung vào các nhiệt điện nhiệt NTC, thường có thể đo hoặc theo dõi nhiệt độ từ -80 ° C đến +150 ° C. Nhiệt điện trở NTC có xếp hạng điện trở từ vài ohms đến 10 MΩ ở 25 ° C. Như thể hiện trong hình. 1, sự thay đổi điện trở trên mỗi độ C bằng chất nhiệt có thể phát âm hơn so với nhiệt kế điện trở. So với các nhiệt điện trở, độ nhạy cao và giá trị điện trở cao của nhiệt điện trở đơn giản hóa mạch đầu vào của nó, vì các nhiệt điện nhiệt không yêu cầu bất kỳ cấu hình dây đặc biệt nào, chẳng hạn như 3 dây hoặc 4 dây, để bù cho điện trở chì. Thiết kế nhiệt chỉ sử dụng cấu hình 2 dây đơn giản.
Đo nhiệt độ dựa trên nhiệt điện nhiệt độ cao đòi hỏi phải xử lý tín hiệu chính xác, chuyển đổi tương tự sang số, tuyến tính hóa và bù, như trong hình. 2.
Mặc dù chuỗi tín hiệu có vẻ đơn giản, nhưng có một số phức tạp ảnh hưởng đến kích thước, chi phí và hiệu suất của toàn bộ bo mạch chủ. Danh mục đầu tư ADC chính xác của ADI bao gồm một số giải pháp tích hợp, chẳng hạn như AD7124-4/AD7124-8, cung cấp một số lợi thế cho thiết kế hệ thống nhiệt vì hầu hết các khối xây dựng cần thiết cho một ứng dụng được tích hợp. Tuy nhiên, có những thách thức khác nhau trong việc thiết kế và tối ưu hóa các giải pháp đo nhiệt độ dựa trên nhiệt điện trở.
Bài viết này thảo luận về từng vấn đề này và cung cấp các khuyến nghị để giải quyết chúng và đơn giản hóa hơn nữa quy trình thiết kế cho các hệ thống đó.
Có rất nhiềuNhiệt điện trở NTCTrên thị trường ngày hôm nay, vì vậy việc chọn bộ điều nhiệt phù hợp cho ứng dụng của bạn có thể là một nhiệm vụ khó khăn. Lưu ý rằng các nhiệt điện được liệt kê theo giá trị danh nghĩa của chúng, đó là điện trở danh nghĩa của chúng ở 25 ° C. Do đó, nhiệt điện trở 10 kΩ có điện trở danh nghĩa 10 kΩ ở 25 ° C. Các nhiệt điện có giá trị điện trở danh nghĩa hoặc cơ bản từ một vài ohms đến 10 MΩ. Các nhiệt điện có xếp hạng điện trở thấp (điện trở danh nghĩa từ 10 kΩ trở xuống) thường hỗ trợ các phạm vi nhiệt độ thấp hơn, chẳng hạn như -50 ° C đến +70 ° C. Các nhiệt điện có xếp hạng điện trở cao hơn có thể chịu được nhiệt độ lên tới 300 ° C.
Phần tử nhiệt điện được làm bằng oxit kim loại. Nhiệt điện trở có sẵn trong các hình bóng, xuyên tâm và SMD. Hạt nhiệt điện được bọc epoxy hoặc thủy tinh được đóng gói để bảo vệ thêm. Nhiệt điện trở bóng được phủ epoxy, bộ điều nhiệt xuyên tâm và bề mặt phù hợp với nhiệt độ lên đến 150 ° C. Nhiệt thủy tinh là thích hợp để đo nhiệt độ cao. Tất cả các loại lớp phủ/bao bì cũng bảo vệ chống ăn mòn. Một số bộ nhiệt điện cũng sẽ có vỏ bổ sung để bảo vệ thêm trong môi trường khắc nghiệt. Nhiệt điện trở có thời gian đáp ứng nhanh hơn so với nhiệt điện nhiệt hướng tâm/SMD. Tuy nhiên, chúng không bền như vậy. Do đó, loại nhiệt điện trở được sử dụng phụ thuộc vào ứng dụng cuối và môi trường có nhiệt độ. Sự ổn định lâu dài của một nhiệt điện nhiệt phụ thuộc vào vật liệu, bao bì và thiết kế của nó. Ví dụ, một nhiệt điện nhiệt NTC được phủ epoxy có thể thay đổi 0,2 ° C mỗi năm, trong khi một nhiệt điện nhiệt được niêm phong chỉ thay đổi 0,02 ° C mỗi năm.
Nhiệt nhiệt có độ chính xác khác nhau. Các nhiệt điện nhiệt tiêu chuẩn thường có độ chính xác 0,5 ° C đến 1,5 ° C. Xếp hạng điện trở và giá trị beta (tỷ lệ 25 ° C đến 50 ° C/85 ° C) có dung sai. Lưu ý rằng giá trị beta của nhiệt nhiệt thay đổi theo nhà sản xuất. Ví dụ, nhiệt điện nhiệt 10 kΩ NTC từ các nhà sản xuất khác nhau sẽ có các giá trị beta khác nhau. Đối với các hệ thống chính xác hơn, các bộ nhiệt điện như loạt Omega ™ 44xxx có thể được sử dụng. Chúng có độ chính xác 0,1 ° C hoặc 0,2 ° C trong phạm vi nhiệt độ 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 có xác định liệu các bộ nhiệt điện có phù hợp với ứng dụng này hay không. Xin lưu ý rằng độ chính xác của loạt Omega 44xxx càng cao, chi phí càng cao.
Để chuyển đổi điện trở sang độ C trong độ cao, giá trị beta thường được sử dụng. 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 độ 1 RT2 = Điện trở nhiệt độ 2 T1 = Nhiệt độ 1 (K) T2 = Nhiệt độ 2 (K)
Người dùng sử dụng giá trị beta gần nhất với phạm vi nhiệt độ được sử dụng trong dự án. Hầu hết các bộ dữ liệu nhiệt nhiệt liệt kê giá trị beta cùng với dung sai điện trở ở 25 ° C và dung sai cho giá trị beta.
Các nhiệt điện nhiệt độ chính xác cao hơn và các giải pháp chấm dứt chính xác cao như chuỗi 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, một lần nữa được cung cấp bởi nhà sản xuất cảm biến. Do các hệ số phương trình được tạo bằng ba điểm nhiệt độ, phương trình kết quả giảm thiểu lỗi được đưa ra bằng cách tuyến tính hóa (thường là 0,02 ° C).
A, B và C là các hằng số có nguồn gốc từ ba điểm đặt nhiệt độ. R = Điện trở nhiệt trong ohms t = nhiệt độ tính bằng k độ
Trên hình. 3 cho thấy sự kích thích hiện tại của cảm biến. Dòng điện được áp dụng cho nhiệt điện trở và cùng một dòng điện được áp dụng cho điện trở chính xác; Một điện trở chính xác được sử dụng làm tài liệu tham khảo để đo lường. 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 chọn dòng kích thích, điện trở tối đa của nhiệt điện trở một lần nữa phải được tính đến. Điều này đảm bảo rằng điện áp trên cảm biến và điện trở tham chiếu luôn ở mức được chấp nhận đối với các thiết bị điện tử. Nguồn hiện tại của trường yêu cầu một số khớp đầu hoặc đầu ra. Nếu nhiệt điện trở có điện trở cao ở nhiệt độ có thể đo được thấp nhất, điều này sẽ dẫn đến dòng điện rất thấp. Do đó, điện áp được tạo ra trên nhiệt điện nhiệt ở nhiệt độ cao là nhỏ. Các giai đoạn tăng có thể lập trình có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc đo các tín hiệu cấp thấp này. Tuy nhiên, mức tăng phải được lập trình một cách động bởi vì mức tín hiệu từ nhiệt điện trở thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ.
Một tùy chọn khác là đặt mức tăng nhưng sử dụng dòng ổ đĩa động. Do đó, khi mức tín hiệu từ nhiệt điện trở thay đổi, giá trị hiện tại của ổ đĩa thay đổi một cách động để điện áp được phát triển 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 được phát triển trên điện trở tham chiếu cũng ở mức được chấp nhận đối với các thiết bị điện tử. Cả hai tùy chọn đều yêu cầu mức độ kiểm soát cao, theo dõi liên tục điện áp trên nhiệt điện trở để các thiết bị điện tử có thể đo tín hiệu. Có một lựa chọn dễ dàng hơn? Xem xét kích thích điện áp.
Khi điện áp DC được áp dụng cho nhiệt điện trở, dòng điện qua nhiệt điện tự động sẽ tự động mở rộng khi điện trở của nhiệt điện trở thay đổi. Bây giờ, bằng cách sử dụng điện trở đo chính xác thay vì điện trở tham chiếu, mục đích của nó là tính toán dòng điện chảy qua nhiệt điện trở, do đó cho phép tính toán điện trở của nhiệt điện trở. Vì điện áp ổ đĩa cũng được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu ADC, nên không cần giai đoạn tăng. Bộ xử lý không có công việc giám sát điện áp nhiệt, xác định xem mức tín hiệu có thể được đo bằng thiết bị điện tử và tính toán mức tăng ổ đĩa/giá trị hiện tại cần được điều chỉnh. Đây là phương pháp được sử dụng trong bài viết này.
Nếu nhiệt điện trở có xếp hạng điện trở nhỏ và phạm vi điện trở, điện áp hoặc kích thích hiện tại có thể được sử dụng. Trong trường hợp này, dòng ổ đĩa và mức tăng có thể được sửa chữa. Do đó, mạch sẽ được hiển thị 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, có giá trị trong các ứng dụng công suất thấp. Ngoài ra, tự làm nóng của nhiệt điện trở được giảm thiểu.
Kích thích điện áp cũng có thể được sử dụng cho các nhiệt điện với xếp hạng điện trở thấp. Tuy nhiên, người dùng phải luôn đảm bảo rằng dòng điện thông qua cảm biến không quá cao đối với cảm biến hoặc ứng dụng.
Kích thích điện áp đơn giản hóa việc thực hiện khi sử dụng nhiệt điện trở có xếp hạng điện trở lớn và phạm vi nhiệt độ rộng. Điện trở danh nghĩa lớn hơn cung cấp một mức độ hiện tại được chấp nhận. Tuy nhiên, các nhà thiết kế cần đảm bảo rằng dòng điện ở mức chấp nhận được trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ được hỗ trợ bởi ứng dụng.
Sigma-delta ADCS cung cấp một số lợi thế khi thiết kế hệ thống đo nhiệt độ. Đầu tiên, vì Sigma-delta ADC chỉ định lại đầu vào tương tự, việc lọc bên ngoài được giữ ở mức tối thiểu và yêu cầu duy nhất là bộ lọc RC đơn giản. Chúng cung cấp sự linh hoạt trong loại bộ lọc và tốc độ baud đầu ra. Lọc kỹ thuật số tích hợp có thể được sử dụng để ngăn chặn mọi nhiễu trong các thiết bị chạy bằng chính. Các thiết bị 24 bit như AD7124-4/AD7124-8 có độ phân giải đầy đủ lên tới 21,7 bit, vì vậy chúng cung cấp độ phân giải cao.
Việc sử dụng Sigma-Delta ADC đơn giản hóa rất nhiều thiết kế nhiệt điện nhiệt trong khi giảm thông số kỹ thuật, chi phí hệ thống, không gian bảng và thời gian ra thị trường.
Bài viết này sử dụng AD7124-4/AD7124-8 làm ADC vì chúng là tiếng ồn thấp, dòng điện thấp, ADC chính xác với PGA tích hợp, tham chiếu tích hợp, đầu vào tương tự và bộ đệm tham chiếu.
Bất kể bạn đang sử dụng dòng điện truyền động hay điện áp ổ đĩa, cấu hình ratiometric được khuyến nghị trong đó điện áp tham chiếu và điện áp cảm biến đến từ cùng một nguồn ổ. Điều này có nghĩa là bất kỳ thay đổi nào trong nguồn kích thích sẽ không ảnh hưởng đến tính chính xác của phép đo.
Trên hình. 5 cho thấy dòng ổ đĩa không đổi cho điện trở và điện trở chính xác RREF, điện áp được 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 lỗi nào trong dòng điện trường sẽ được loại bỏ trong cấu hình này. Nói chung, kích thích hiện tại được ưu tiên hơn kích thích điện áp do kiểm soát độ nhạy vượt trội và khả năng miễn dịch nhiễu tốt hơn khi cảm biến nằm ở các vị trí xa. Loại phương pháp thiên vị này thường được sử dụng cho RTD hoặc nhiệt điện trở có giá trị điện trở thấp. Tuy nhiên, đối với một bộ điều nhiệt có giá trị điện trở cao hơn và độ nhạy cao hơn, mức tín hiệu được tạo ra bởi mỗi thay đổi nhiệt độ sẽ lớn hơn, do đó kích thích 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 ổ đĩa tối thiểu 50 Phaa được cung cấp bởi AD7124-4/AD7124-8 tạo ra 441.117 kΩ × 50 Lờia = 22 V, quá cao và ngoài phạm vi hoạt động của hầu hết các ADC có sẵn được sử dụng trong khu vực ứng dụng này. Nhiệt điện trở cũng thường được kết nối hoặc nằm gần các thiết bị điện tử, do đó, khả năng miễn dịch để điều khiển dòng điện là không cần thiết.
Thêm một điện trở cảm giác nối tiếp dưới dạng mạch chia điện áp sẽ giới hạn dòng điện thông qua nhiệt điện trở vào giá trị điện trở tối thiểu của nó. Trong cấu hình này, giá trị của điện trở cảm giác phải bằng giá trị của điện trở nhiệt điện trở ở nhiệt độ tham chiếu 25 ° C, do đó điện áp đầu ra sẽ bằng với điểm trung bình của điện áp tham chiếu ở nhiệt độ danh nghĩa của nó là 25 k phải Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của nhiệt điện trở NTC cũng thay đổi và tỷ lệ của điện áp ổ đĩa trên nhiệt điện nhiệt cũng thay đổi, dẫn đến điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện trở của nhiệt điện trở NTC.
Nếu tham chiếu điện áp được chọn được sử dụng để cung cấp năng lượng cho bộ điều nhiệt và/hoặc rsense phù hợp với điện áp tham chiếu ADC được sử dụng để đo, hệ thống sẽ được đặt thành phép đo Ratiometric (Hình 7) để mọi nguồn điện áp liên quan đến kích thích sẽ bị sai lệch để loại bỏ.
Lưu ý rằng điện trở cảm giác (điều khiển điện áp) hoặc điện trở tham chiếu (điều khiển dòng điện) phải có dung sai ban đầu thấp và độ trôi thấp, vì cả hai biến có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của toàn bộ hệ thống.
Khi sử dụng nhiều nhiệt điện trở, một điện áp kích thích có thể được sử dụng. Tuy nhiên, mỗi bộ nhiệt điện phải có điện trở cảm giác chính xác riêng, như trong hình. 8. Một tùy chọn khác là sử dụng bộ ghép kênh bên ngoài hoặc công tắc công tắc độ phân giải thấp ở trạng thái BẬT, cho phép chia sẻ một điện trở cảm giác chính xác. Với cấu hình này, mỗi bộ điều nhiệt cần một số thời gian giải quyết khi đo.
Tóm lại, khi thiết kế hệ thống đo nhiệt độ dựa trên nhiệt điện nhiệt, có nhiều câu hỏi cần xem xét: lựa chọn cảm biến, hệ thống dây cảm biến, đánh đổi lựa chọn thành phần, cấu hình ADC và cách các biến khác nhau này ảnh hưởng đến độ chính xác tổng thể của hệ thống. Bài viết tiếp theo trong loạt bài này giải thích cách tối ưu hóa thiết kế hệ thống và ngân sách lỗi hệ thống của bạn để đạt được hiệu suất mục tiêu của bạn.
Thời gian đăng: Tháng 9-30-2022