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 trởhệ thống đo lường, cũng như so sánh chúng với hệ thống đo nhiệt độ nhiệt kế điện trở (RTD).Nó cũng sẽ mô tả việc lựa chọn điện trở nhiệt, cân bằng 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 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.Nhiệt kế có hệ số nhiệt độ âm (NTC) giảm điện trở khi nhiệt độ tăng, trong khi nhiệt kế có hệ số nhiệt độ dương (PTC) tăng điện trở khi nhiệt độ tăng.Trên hình.1 cho thấy các đặc tính đáp ứng của điện trở 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 phủ phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiều so với nhiệt điện trở (thường là -200°C đến +850°C) do tính chất phi tuyến tính (hàm mũ) của nhiệt điện trở.RTD thường được cung cấp ở dạng đường cong tiêu chuẩn hóa phổ biến, trong khi đường cong nhiệt điện trở khác nhau 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 sứ, polyme hoặc chất bán dẫn (thường là oxit kim loại) và kim loại nguyên chất (bạch kim, niken hoặc đồng).Điện trở nhiệt có thể phát hiện sự thay đổi nhiệt độ nhanh hơn RTD, cung cấp phản hồi nhanh hơn.Do đó, điện trở nhiệt thường được các cảm biến sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu 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 và tòa nhà, phòng thí nghiệm khoa học hoặc bù điểm lạnh cho cặp nhiệt điện trong thương mại. hoặc các ứng dụng công nghiệp.mục đích.Các ứng dụng.
Trong hầu hết các trường hợp, điện trở nhiệt NTC được sử dụng để đo nhiệt độ chính xác chứ không phải điện trở nhiệt PTC.Một số điện trở nhiệt 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 đổi (hoặc điểm Curie), trên đó điện trở tăng mạnh theo vài bậc độ lớn trong phạm vi vài độ C.Trong điều kiện quá dòng, nhiệt điện trở PTC sẽ tự phát 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 vào hệ thống, từ 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 điện trở nhiệt NTC, thường có thể đo hoặc theo dõi nhiệt độ từ -80°C đến +150°C.Điện trở nhiệt NTC có mức điện trở từ vài ohm đến 10 MΩ ở 25°C.Như thể hiện trong hình.Như được hiển thị trong Hình 1, sự thay đổi điện trở trên mỗi độ C của nhiệt điện trở rõ rệt hơn so với nhiệt kế điện trở.So với điện trở nhiệt, độ nhạy cao và giá trị điện trở cao của nhiệt điện trở giúp đơn giản hóa mạch đầu vào của nó, vì điện trở 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 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 yêu cầu 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 điểm phức tạp ảnh hưởng đến kích thước, giá thành 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 một số 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, có nhiều 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 đưa ra các khuyến nghị để giải quyết chúng cũng như đơn giản hóa hơn nữa quy trình thiết kế cho các hệ thống như vậy.
Có rất nhiều loạiĐiện trở nhiệt NTCtrên thị trường hiện nay, vì vậy việc 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, đó là điện trở danh nghĩa của chúng 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 nằm trong khoảng 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.Nhiệt điện trở có mức điện trở cao hơn có thể chịu được nhiệt độ lên tới 300°C.
Phần tử nhiệt điện trở được làm bằng oxit kim loại.Điện trở nhiệt có sẵn ở dạng quả bóng, hướng tâm và SMD.Các hạt nhiệt điện trở được phủ epoxy hoặc bọc thủy tinh để tăng cường bảo vệ.Điện trở nhiệt dạng bi được phủ epoxy, điện trở nhiệt hướng tâm và nhiệt độ bề mặt phù hợp với nhiệt độ lên tới 150°C.Nhiệt kế hạt thủy tinh thích hợp để đo nhiệt độ cao.Tất cả các loại lớp phủ/bao bì cũng bảo vệ chống ăn mòn.Một số điện trở nhiệt cũng sẽ có vỏ bổ sung để tăng cường bảo vệ trong môi trường khắc nghiệt.Nhiệt điện trở hạt có thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiệt điện trở xuyên tâm/SMD.Tuy nhiên, chúng không bền bằng.Do đó, loại nhiệt điện trở được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cuối và môi trường đặt nhiệt điện trở.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 độ chính xác khác nhau.Điện trở nhiệt tiêu chuẩn thường có độ chính xác từ 0,5°C đến 1,5°C.Xếp hạng điện trở nhiệt điện trở và giá trị beta (tỷ lệ từ 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.Để có hệ thống chính xác hơn, có thể sử dụng các điện trở nhiệt như dòng Omega™ 44xxx.Chúng có độ chính xác 0,1°C hoặc 0,2°C trong khoảng 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 liệu nhiệt điện trở có phù hợp cho ứng dụng này hay không.Xin lưu ý rằng độ chính xác của dòng Omega 44xxx càng cao thì giá thành càng cao.
Để chuyển đổi điện trở sang độ C, 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 ở mỗi điểm nhiệt độ.
RT1 = Khả năng chịu nhiệt độ 1 RT2 = Khả năng chịu 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 bảng dữ liệu điện trở nhiệt đều liệt kê giá trị beta cùng với dung sai điện trở ở 25°C và dung sai cho giá trị beta.
Điện trở nhiệt có độ chính xác cao hơn và các giải pháp đầu cuối có độ chính xác cao như dòng Omega 44xxx sử dụng phương trình Steinhart-Hart để chuyển đổi điện trở thành độ C.Phương trình 2 yêu cầu ba hằng số A, B và C, lại được cung cấp bởi nhà sản xuất cảm biến.Bởi vì các hệ số phương trình được tạo ra bằng cách sử dụng ba điểm nhiệt độ, nên phương trình thu được sẽ giảm thiểu sai số do tuyến tính hóa gây ra (thường là 0,02 °C).
A, B và C là các hằng số được lấy từ ba điểm đặt nhiệt độ.R = điện trở nhiệt điện trở tính bằng ohm T = nhiệt độ tính bằng K độ
Trên hình.3 cho thấy sự kích thích hiện tại của cảm biến.Dòng điện truyền động được đặt vào nhiệt điện trở và dòng điện tương tự được đặt vào điện trở chính xác;một 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 đo được trong hệ thống).
Khi chọn dòng điện kích thích, phải tính đến điện trở tối đa của điện trở nhiệt.Điều này đảm bảo rằng điện áp trên cảm biến và điện trở tham chiếu luôn ở mức chấp nhận được đối với thiết bị điện tử.Nguồn hiện tại của trường yêu cầu một số khoảng trống hoặc kết hợp đầu ra.Nếu nhiệt điện trở có điện trở cao ở nhiệt độ thấp nhất có thể đo được, điều này sẽ dẫn đến dòng điện rất thấp.Vì vậy, điện áp tạo ra trên nhiệt điện trở ở nhiệt độ cao là nhỏ.Các giai đoạn khuếch đại có thể lập trình có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc đo các tín hiệu mức thấp này.Tuy nhiên, mức tăng phải được lập trình linh hoạt 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 điện động.Do đó, khi mức tín hiệu từ nhiệt điện trở thay đổi, giá trị dòng điện của biến tần sẽ thay đổi linh hoạt để điện áp phát triển trên điện trở nhiệt nằm trong phạm vi đầu vào được chỉ định của thiết bị điện tử.Người dùng phải đảm bảo rằng điện áp phát triển trên điện trở tham chiếu cũng ở mức chấp nhận được đối với thiết bị điện tử.Cả hai tùy chọn đều yêu cầu mức độ kiểm soát cao, giám sát liên tục điện áp trên điện trở để thiết bị điện tử có thể đo tín hiệu.Có lựa chọn nào dễ dàng hơn không?Xem xét kích thích điện áp.
Khi điện áp DC được cấp vào nhiệt điện trở, dòng điện qua nhiệt điện trở sẽ tự động tăng lên khi điện trở của nhiệt điện trở thay đổi.Bây giờ, bằng cách sử dụng một điện trở đo chính xác thay vì một điện trở tham chiếu, mục đích của nó là tính toán dòng điện chạy qua nhiệt điện trở, từ đó cho phép tính toán điện trở nhiệt điện trở.Vì điện áp điều khiển cũng được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu ADC nên không cần giai đoạn khuếch đại.Bộ xử lý không có nhiệm vụ giám sát điện áp nhiệt điện trở, xác định xem thiết bị điện tử có thể đo được mức tín hiệu hay không và tính toán mức tăng/giá trị hiện tại của ổ đĩa cần được 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 thì có thể sử dụng kích thích bằng điện áp hoặc dòng điện.Trong trường hợp này, dòng điện và mức tăng có thể được cố định.Như vậy, mạch sẽ như trong Hình 3. Phương pháp này thuận tiện ở chỗ có thể điều khiển dòng điện qua cảm biến và điện trở tham chiếu, rất có giá trị trong các ứng dụng công suất thấp.Ngoài ra, khả năng tự làm nóng của nhiệt điện trở được giảm thiểu.
Kích thích bằng điện áp cũng có thể được sử dụng cho các điện trở nhiệt có điện trở thấp.Tuy nhiên, người dùng phải luôn đảm bảo dòng điện qua cảm biến không quá cao đối với cảm biến hoặc ứng dụng.
Kích thích điện áp giúp đơn giản hóa việc thực hiện khi sử dụng nhiệt điện trở có định mức điện trở lớn và phạm vi nhiệt độ rộng.Điện trở danh định lớn hơn sẽ cung cấp mức dòng điện định mức có thể chấp nhận được.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 ứng dụng hỗ trợ.
Sigma-Delta ADC cung cấp một số lợi thế khi thiết kế hệ thống đo nhiệt điện trở.Đầu tiên, do ADC sigma-delta lấy mẫu lại đầu vào analog nên bộ 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 truyền đầu ra.Bộ lọc kỹ thuật số tích hợp có thể được sử dụng để ngăn chặn bất kỳ sự can thiệp nào trong các thiết bị được cấp nguồn điện lưới.Các thiết bị 24 bit như AD7124-4/AD7124-8 có độ phân giải đầy đủ lên tới 21,7 bit nên cho độ phân giải cao.
Việc sử dụng ADC sigma-delta giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế điện trở nhiệt 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 các ADC có độ ồn thấp, dòng điện thấp, độ chính xác với PGA tích hợp, tham chiếu tích hợp, đầu vào analog và bộ đệm tham chiếu.
Bất kể bạn đang sử dụng dòng điện hay điện áp biến tần, nên sử dụng cấu hình đo tỷ lệ trong đó điện áp tham chiếu và điện áp cảm biến đến từ cùng một nguồn biến tần.Điều này có nghĩa là bất kỳ thay đổi nào trong nguồn kích thích sẽ không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Trên hình.5 cho thấy dòng điện điều khiển 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 kích từ không cần phải chính xác và có thể kém ổn định hơn vì bất kỳ lỗi nào trong dòng điện kích từ sẽ bị loại bỏ trong cấu hình này.Nói 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.Loại phương pháp sai lệch 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 cao hơn và độ nhạy cao hơn, mức tín hiệu được tạo ra bởi mỗi lần thay đổi nhiệt độ sẽ lớn hơn nên sử dụng kích thích điện áp.Ví dụ, một 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 điều khiển 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 ADC hiện có được sử dụng trong lĩnh vực ứng dụng này.Điện trở nhiệt cũng thường được kết nối hoặc đặt gần các thiết bị điện tử, do đó không cần phải có khả năng miễn nhiễm với dòng điện.
Việc thêm một điện trở cảm giác nối tiếp làm mạch chia điện áp sẽ hạn chế dòng điện qua nhiệt điện trở ở giá trị điện trở tối thiểu.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 25°C, sao cho điện áp đầu ra sẽ bằng điểm giữa của điện áp tham chiếu ở nhiệt độ danh định là 25°C. 25°CC Tương tự, nếu sử dụng điện trở nhiệt 10 kΩ có điện trở 10 kΩ ở 25°C thì RSENSE phải là 10 kΩ.Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của nhiệt điện trở NTC cũng thay đổi và tỷ lệ điện áp truyền động trên điện trở 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 đã chọn được sử dụng để cấp nguồn cho nhiệt điện trở và/hoặc RSENSE khớp với điện áp tham chiếu ADC được sử dụng để đo, thì hệ thống được đặt thành phép đo tỷ lệ (Hình 7) để mọi nguồn điện áp lỗi liên quan đến kích thích sẽ bị sai lệch để loại bỏ.
Lưu ý rằng điện trở cảm biến (điều khiển bằng điện áp) hoặc điện trở tham chiếu (điều khiển bằng dòng điện) phải có dung sai ban đầu thấp và độ lệch thấp, vì cả hai biến này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của toàn bộ hệ thống.
Khi sử dụng nhiều điện trở nhiệt, có thể sử dụng một điện áp kích thích.Tuy nhiên, mỗi điện trở nhiệt phải có điện trở cảm nhận chính xác riêng, như thể hiện trong hình.8. Một lựa chọn khác là sử dụng bộ ghép kênh bên ngoài hoặc công tắc điện trở thấp ở trạng thái bật, cho phép chia sẻ một điện trở cảm nhận chính xác.Với cấu hình này, mỗi điện trở nhiệt 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 nhiều câu hỏi cần xem xét: lựa chọn cảm biến, nối dây cảm biến, cân bằng lựa chọn thành phần, cấu hình ADC và các biến khác nhau này ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác chung của hệ thống.Bài viết tiếp theo trong loạt bài này giải thích cách tối ưu hóa thiết kế hệ thống và tổng số lỗi hệ thống để đạt được hiệu suất mục tiêu.
Thời gian đăng: 30-09-2022