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基于熱敏電阻的溫度檢測(cè)系統(tǒng)—第1部分:設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和電路配置

發(fā)布時(shí)間:2022-10-24 來(lái)源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本系列文章分為兩部分,這是第1部分。本部分首先討論基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),以及它與基于電阻溫度檢測(cè)器(RTD)的溫度測(cè)量系統(tǒng)的比較。此外,本文還會(huì)簡(jiǎn)要介紹熱敏電阻選擇、配置權(quán)衡,以及Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在該應(yīng)用領(lǐng)域中的重要作用。第2部分將詳細(xì)介紹如何優(yōu)化和評(píng)估基于熱敏電阻的最終測(cè)量系統(tǒng)。


熱敏電阻與RTD


正如文章 "如何選擇并設(shè)計(jì)理想RTD溫度檢測(cè)系統(tǒng)" 中所討論的,RTD是一種電阻值隨溫度變化的電阻器。熱敏電阻的工作方式與RTD類似。RTD僅有正溫度系數(shù),熱敏電阻則不同,既可以有正溫度系數(shù),也可以有負(fù)溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度升高而減小,而正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度升高而增大。圖1顯示了典型NTC和PTC熱敏電阻的響應(yīng)特性,以及它們與RTD曲線的比較。


2.png圖 1. 熱敏電阻與 RTD 的響應(yīng)特性比較


在溫度范圍方面,RTD曲線接近線性,而熱敏電阻具有非線性(指數(shù))特性,因此前者覆蓋的溫度范圍(通常為–200°C至+850°C)比后者要寬得多。RTD通常提供眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)化曲線,而熱敏電阻曲線則因制造商而異。我們將在本文的"熱敏電阻選擇指南"部分詳細(xì)討論這一點(diǎn)。


熱敏電阻由復(fù)合材料——通常是陶瓷、聚合物或半導(dǎo)體(通常是金屬氧化物)——制成,與由純金屬(鉑、鎳或銅)制成的RTD相比,前者要小得多且更便宜,但不如后者堅(jiān)固。熱敏電阻能夠比RTD更快地檢測(cè)溫度變化,從而提供更快的反饋。因此,熱敏電阻傳感器常用于要求低成本、小尺寸、更快響應(yīng)速度、更高靈敏度且溫度范圍受限的應(yīng)用,例如監(jiān)控電子設(shè)備、家庭和樓宇控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,或商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中的熱電偶所使用的冷端補(bǔ)償。


在大多數(shù)情況下,精密溫度測(cè)量應(yīng)用使用NTC熱敏電阻,而非PTC熱敏電阻。有一些PTC熱敏電阻被用于過(guò)流輸入保護(hù)電路,或用作安全應(yīng)用的可復(fù)位保險(xiǎn)絲。PTC熱敏電阻的電阻-溫度曲線在達(dá)到其切換點(diǎn)(或居里點(diǎn))之前有一個(gè)非常小的NTC區(qū)域;超過(guò)切換點(diǎn)之后,在幾攝氏度的范圍內(nèi),其電阻會(huì)急劇增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,在過(guò)流情況下,PTC熱敏電阻在超過(guò)切換溫度后會(huì)產(chǎn)生大量自發(fā)熱,其電阻會(huì)急劇增加,導(dǎo)致輸入系統(tǒng)的電流減少,從而防止系統(tǒng)發(fā)生損壞。PTC熱敏電阻的切換點(diǎn)通常在60°C和120°C之間,因此它不適合用在寬溫度范圍應(yīng)用中監(jiān)控溫度測(cè)量結(jié)果。本文重點(diǎn)介紹能夠測(cè)量或監(jiān)控–80°C至+150°C溫度范圍的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻在25°C時(shí)的標(biāo)稱電阻從幾歐姆到10 MΩ不等。如圖1所示,與RTD相比,熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更為顯著。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使得其前端電路比RTD要簡(jiǎn)單得多,因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(例如3線或4線)來(lái)補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡(jiǎn)單的2線配置。


表1顯示了RTD、NTC和PTC熱敏電阻的優(yōu)缺點(diǎn)。


表1. 熱敏電阻與RTD

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基于熱敏電阻的溫度測(cè)量挑戰(zhàn)


高精度的熱敏電阻溫度測(cè)量需要精密信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和補(bǔ)償,如圖2所示。盡管信號(hào)鏈看起來(lái)簡(jiǎn)單明了,但其中涉及的幾個(gè)復(fù)雜因素也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的電路板尺寸、成本和性能。ADI精密ADC產(chǎn)品組合中有幾種集成解決方案,例如 AD7124-4/AD7124-8,它們能為溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)多方面好處,應(yīng)用所需的大部分構(gòu)建模塊都已內(nèi)置。但是,設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度測(cè)量解決方案涉及到多種挑戰(zhàn)。


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圖 2. 典型 NTC 熱敏電阻測(cè)量信號(hào)鏈模塊


挑戰(zhàn)包括:


●   市場(chǎng)上有各種各樣的熱敏電阻。

   ○ 如何為具體應(yīng)用選擇合適的熱敏電阻?

●   與RTD一樣,熱敏電阻是無(wú)源器件,自身不會(huì)產(chǎn)生電氣輸出。使用激勵(lì)電流或電壓來(lái)測(cè)量傳感器的電阻,即讓一個(gè)小電流經(jīng)過(guò)傳感器以產(chǎn)生電壓。

   ○ 如何選擇電流/電壓?

   ○ 熱敏電阻信號(hào)應(yīng)如何調(diào)理?

   ○ 如何調(diào)整上述變量,以便在規(guī)格范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建模塊?

   ○ 在一個(gè)系統(tǒng)中連接多個(gè)熱敏電阻:傳感器如何連接?不同傳感器之間是否能共享一些模塊?對(duì)系統(tǒng)整體性能有何影響?

●   熱敏電阻的一個(gè)主要問(wèn)題是其非線性響應(yīng)和系統(tǒng)精度。

   ○ 設(shè)計(jì)的預(yù)期誤差是多少?

   ○ 使用哪些線性化和補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能?


本文將討論所有這些挑戰(zhàn),并就如何解決這些問(wèn)題和進(jìn)一步簡(jiǎn)化此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程提供建議。


熱敏電阻選擇指南


當(dāng)今市場(chǎng)上有很多NTC熱敏電阻可供選擇,為具體應(yīng)用選擇特定的熱敏電阻可能相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。請(qǐng)注意,熱敏電阻按其標(biāo)稱值列出,即25°C時(shí)的標(biāo)稱電阻。因此,10 kΩ熱敏電阻在25°C時(shí)的標(biāo)稱電阻為10 kΩ。熱敏電阻的標(biāo)稱或基本電阻值從幾歐姆到10 MΩ不等。標(biāo)稱電阻較低(10 kΩ或更低)的熱敏電阻,支持的溫度范圍通常也較低,例如–50°C至+70°C。標(biāo)稱電阻較高的熱敏電阻,可支持最高300°C的溫度。


熱敏電阻元件由金屬氧化物制成。熱敏電阻有珠狀、徑向和SMD等形式。珠狀熱敏電阻采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層或玻璃封裝,以提供額外保護(hù)。環(huán)氧樹(shù)脂涂層珠狀熱敏電阻、徑向和SMD熱敏電阻適用于最高150°C的溫度。玻璃涂層珠狀熱敏電阻適用于高溫測(cè)量。所有類型熱敏電阻的涂層/封裝還能防止腐蝕。一些熱敏電阻還具有額外的外殼,以在惡劣環(huán)境中提供進(jìn)一步的保護(hù)。與徑向/SMD熱敏電阻相比,珠狀熱敏電阻具有更快的響應(yīng)時(shí)間。然而,后者不如前者那么穩(wěn)健。因此,使用何種熱敏電阻取決于最終應(yīng)用和熱敏電阻所處的環(huán)境。熱敏電阻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性取決于制造材料及其封裝和結(jié)構(gòu)。例如,環(huán)氧樹(shù)脂涂層的NTC熱敏電阻每年可能變化0.2°C,而密封的熱敏電阻每年僅變化0.02°C。


不同熱敏電阻有不同的精度。標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻的精度通常為0.5°C至1.5°C。熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值和β值(25°C至50°C/85°C關(guān)系)有一個(gè)容差。請(qǐng)注意,熱敏電阻的β值取決于制造商。例如,不同制造商生產(chǎn)的10 kΩ NTC熱敏電阻會(huì)有不同的β值。對(duì)于較高精度的系統(tǒng),可以使用Omega? 44xxx系列等熱敏電阻。在0°C至70°C的溫度范圍內(nèi),其精度為0.1°C或0.2°C。因此,所測(cè)量的溫度范圍以及該溫度范圍內(nèi)所需的精度決定了一個(gè)熱敏電阻是否適合特定應(yīng)用。請(qǐng)注意,Omega 44xxx系列的精度越高,其成本也越高。


因此,使用何種熱敏電阻取決于:


●   被測(cè)溫度范圍

●   精度要求

●   使用熱敏電阻的環(huán)境

●   長(zhǎng)期穩(wěn)定性


線性化:β與Steinhart-Hart方程


為了將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度,通常使用β值。知道兩個(gè)溫度點(diǎn)以及每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻,便可確定β值。


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其中:


RT1 = 溫度1時(shí)的電阻


RT2 = 溫度2時(shí)的電阻


T1 = 溫度1 (K)


T2 = 溫度2 (K)


熱敏電阻的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)列出兩種情況的β值:


●   兩個(gè)溫度分別為25°C和50°C

●   兩個(gè)溫度分別為25°C和85°C


用戶使用接近設(shè)計(jì)所用溫度范圍的β值。大多數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)在列出β值的同時(shí),還會(huì)列出25°C時(shí)的電阻容差和β值的容差。


較高精度的熱敏電阻(如Omega 44xxx系列)和較高精度的最終解決方案使用Steinhart-Hart方程將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度。公式2需要三個(gè)常數(shù)A、B和C,這些常數(shù)同樣由傳感器制造商提供。公式的系數(shù)是利用三個(gè)溫度點(diǎn)生成的,因此所得公式盡可能減少了線性化引入的誤差(線性化引起的誤差通常為0.02°C)。


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其中:


A、B、C是從三個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)得出的常數(shù)。


R = 熱敏電阻的阻值,單位為Ω


T = 溫度,單位為K


電流?電壓激勵(lì)


圖3顯示了傳感器的電流激勵(lì)。將激勵(lì)電流作用于熱敏電阻,并將相同電流作用于精密電阻;精密電阻用作測(cè)量的參考。參考電阻的值必須大于或等于熱敏電阻的最高電阻值(取決于系統(tǒng)中測(cè)量的最低溫度)。選擇激勵(lì)電流的大小時(shí),同樣要考慮熱敏電阻的最大電阻值,以確保傳感器和參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓始終處于電子設(shè)備可接受的水平。激勵(lì)電流源需要一定的裕量或輸出順從性。如果熱敏電阻在所測(cè)量的最低溫度時(shí)具有較大電阻,則激勵(lì)電流值將非常低。因此,高溫下熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓很小。為了優(yōu)化這些低電平信號(hào)的測(cè)量,可以使用可編程增益級(jí)。然而,增益需要?jiǎng)討B(tài)編程,因?yàn)閬?lái)自熱敏電阻的信號(hào)電平會(huì)隨溫度發(fā)生顯著變化。


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圖 3. 熱敏電阻的電流激勵(lì)


另一個(gè)方案是設(shè)置增益但使用動(dòng)態(tài)激勵(lì)電流。當(dāng)來(lái)自熱敏電阻的信號(hào)電平發(fā)生變化時(shí),激勵(lì)電流值也會(huì)動(dòng)態(tài)變化,使得熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓處于電子設(shè)備的額定輸入范圍內(nèi)。用戶必須確保參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓也處于電子設(shè)備可接受的水平。這兩種方案都需要高水平的控制,持續(xù)監(jiān)測(cè)熱敏電阻兩端的電壓,以確保信號(hào)能被電子設(shè)備測(cè)量。有沒(méi)有更簡(jiǎn)單的方案?我們來(lái)看看電壓激勵(lì)。


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圖 4. 熱敏電阻的電壓激勵(lì)


當(dāng)熱敏電阻由恒定電壓激勵(lì)時(shí),通過(guò)熱敏電阻的電流將隨著熱敏電阻阻值的變化而自動(dòng)縮放?,F(xiàn)在使用精密檢測(cè)電阻,而不使用參考電阻,其目的是計(jì)算流過(guò)熱敏電阻的電流,這樣就能計(jì)算出熱敏電阻的阻值。由于激勵(lì)電壓也用作ADC基準(zhǔn)電壓,因此無(wú)需增益級(jí)。處理器無(wú)需監(jiān)控?zé)崦綦娮鑳啥说碾妷?,無(wú)需確定該信號(hào)電平能否被電子設(shè)備測(cè)量,也無(wú)需計(jì)算要將增益/激勵(lì)電流調(diào)整到什么值。這是本文中使用的方法。


熱敏電阻阻值范圍?激勵(lì)


如果熱敏電阻的標(biāo)稱電阻和阻值范圍較小,那么電壓或電流激勵(lì)均可使用。在這種情況下,激勵(lì)電流和增益可以是固定值。電路將如圖3所示。這種方法很有用,因?yàn)榱鬟^(guò)傳感器和參考電阻的電流是可控的,這在低功耗應(yīng)用中很有價(jià)值。此外,熱敏電阻的自發(fā)熱也極小。


對(duì)標(biāo)稱電阻較低的熱敏電阻也可以使用電壓激勵(lì)。但是,用戶必須確保通過(guò)傳感器的電流對(duì)于傳感器本身或應(yīng)用而言任何時(shí)候都不能太大。


當(dāng)使用標(biāo)稱電阻和溫度范圍均較大的熱敏電阻時(shí),電壓激勵(lì)會(huì)使系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。較大標(biāo)稱電阻確保標(biāo)稱電流處于合理水平。但是,設(shè)計(jì)人員需要確保電流在應(yīng)用支持的整個(gè)溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。


Σ-Δ ADC在基于熱敏電阻的應(yīng)用中的重要作用


當(dāng)設(shè)計(jì)熱敏電阻測(cè)量系統(tǒng)時(shí),Σ-Δ ADC能提供多方面優(yōu)勢(shì)。首先,Σ-Δ型ADC能夠?qū)δM輸入過(guò)采樣,從而盡可能地減少外部濾波,只需要簡(jiǎn)單的RC濾波器。另外,它們支持靈活地選擇濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率。在采用市電供電的設(shè)計(jì)中,內(nèi)置數(shù)字濾波可用來(lái)抑制交流電源的干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位器件的峰峰值分辨率21.7位(最大值),因此它們能提供高分辨率。


其他優(yōu)點(diǎn)包括:


●   寬共模范圍的模擬輸入

●   寬共模范圍的基準(zhǔn)輸入

●   能夠支持比率式配置


有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能,包括:


●   PGA

●   內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源

●   基準(zhǔn)電壓源/模擬輸入緩沖器

●   校準(zhǔn)功能


使用Σ-Δ ADC可大幅簡(jiǎn)化熱敏電阻設(shè)計(jì),減少BOM,降低系統(tǒng)成本,縮小電路板空間,并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。


本文將AD7124-4/AD7124-8用作ADC,它們是集成PGA、嵌入式基準(zhǔn)電壓源、模擬輸入和基準(zhǔn)電壓緩沖器的低噪聲、低電流精密ADC。


熱敏電阻電路配置——比率式配置


無(wú)論使用激勵(lì)電流還是激勵(lì)電壓,都建議使用比率式配置,其中基準(zhǔn)電壓和傳感器電壓是從同一激勵(lì)源獲得。這意味著激勵(lì)源的任何變化都不會(huì)影響測(cè)量的精度。


圖5顯示,恒定激勵(lì)電流為熱敏電阻和精密電阻RREF供電,RREF上產(chǎn)生的電壓就是熱敏電阻測(cè)量的基準(zhǔn)電壓。激勵(lì)電流不需要非常準(zhǔn)確,穩(wěn)定性不需要太高,因?yàn)樵诖伺渲弥?,激?lì)電流的任何誤差都會(huì)被抵消。激勵(lì)電流通常比電壓激勵(lì)更受歡迎,原因是它能出色地控制靈敏度,而且當(dāng)傳感器位于遠(yuǎn)程地點(diǎn)時(shí),它具有更好的抗擾度。這種類型的偏置技術(shù)常用于電阻值較低的RTD或熱敏電阻。但是,對(duì)于電阻值較大且靈敏度較高的熱敏電阻,溫度變化所產(chǎn)生的信號(hào)電平會(huì)較大,因此應(yīng)使用電壓激勵(lì)。例如,一個(gè)10 kΩ熱敏電阻在25°C時(shí)的阻值為10 kΩ,而在?50°C時(shí),NTC熱敏電阻的阻值為441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8提供的50 μA最小激勵(lì)電流可產(chǎn)生的電壓為441.117 kΩ × 50 μA = 22 V,此電壓過(guò)高,超出了該應(yīng)用領(lǐng)域中使用的大多數(shù)ADC的工作范圍。熱敏電阻通常還連接到電子設(shè)備或位于電子設(shè)備附近,因此不需要激勵(lì)電流的抗噪優(yōu)勢(shì)。


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圖 5. 恒流源配置


圖6顯示了用于在NTC熱敏電阻兩端產(chǎn)生電壓的恒定激勵(lì)電壓。以分壓器電路的形式添加一個(gè)串聯(lián)檢測(cè)電阻,會(huì)限制熱敏電阻在最小電阻值時(shí)流經(jīng)其中的電流。在此配置中,在25°C的基本溫度時(shí),檢測(cè)電阻RSENSE的值必須等于熱敏電阻的電阻值,以便將它處于25°C標(biāo)稱溫度時(shí)的輸出電壓設(shè)置為基準(zhǔn)電壓的中間值。同樣,如果使用25°C時(shí)阻值為10 kΩ的10 kΩ熱敏電阻,則RSENSE必須等于10 kΩ。當(dāng)溫度改變時(shí),NTC熱敏電阻的阻值也會(huì)改變,熱敏電阻兩端的激勵(lì)電壓的一小部分也發(fā)生改變,從而產(chǎn)生與成NTC熱敏電阻阻值比例的輸出電壓。


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圖 6. 分壓電路配置


如果選擇用來(lái)為熱敏電阻和/或RSENSE供電的基準(zhǔn)電壓與用于測(cè)量的ADC基準(zhǔn)電壓相同,則系統(tǒng)就是比率式測(cè)量配置(圖7),任何與激勵(lì)電壓源相關(guān)的誤差都會(huì)被消除。


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圖 7. 熱敏電阻比率式配置測(cè)量


請(qǐng)注意,檢測(cè)電阻(電壓激勵(lì))或參考電阻(電流激勵(lì))的初始容差和漂移必須很低,因?yàn)檫@兩個(gè)變量均會(huì)影響系統(tǒng)總體精度。


當(dāng)使用多個(gè)熱敏電阻時(shí),可以使用單個(gè)激勵(lì)電壓。但是,每個(gè)熱敏電阻必須有自己的精密檢測(cè)電阻,如圖8所示。另一個(gè)方案是使用低導(dǎo)通電阻的外部多路復(fù)用器或開(kāi)關(guān),從而支持共享單個(gè)精密檢測(cè)電阻。采用這種配置時(shí),每個(gè)熱敏電阻在測(cè)量時(shí)都需要一定的建立時(shí)間。


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圖 8. 多個(gè)熱敏電阻的模擬輸入配置測(cè)量


總之,設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度系統(tǒng)時(shí)需要關(guān)注多個(gè)方面:傳感器選擇,傳感器連接,元器件選擇的權(quán)衡,ADC配置,以及這些不同變量如何影響系統(tǒng)整體精度。本系列的下一篇文章將解釋如何優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整體系統(tǒng)誤差預(yù)算以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。


來(lái)源:ADI

作者:Jellenie Rodriguez 和 Mary McCarthy



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