서미스터 기반 온도 측정 시스템 최적화 : 도전

이것은 두 부분으로 구성된 시리즈의 첫 번째 기사입니다. 이 기사는 먼저 역사와 디자인 과제에 대해 논의 할 것입니다.서미스터 기반 온도측정 시스템 및 저항 온도계 (RTD) 온도 측정 시스템과의 비교. 또한이 애플리케이션 영역에서 서미스터, 구성 트레이드 오프 및 Sigma-Delta 아날로그-디지털 변환기 (ADC)의 중요성을 설명합니다. 두 번째 기사는 최종 서미스터 기반 측정 시스템을 최적화하고 평가하는 방법을 자세히 설명합니다.
이전 기사 시리즈에 설명 된 바와 같이, RTD 온도 센서 시스템 최적화, RTD는 온도에 따라 저항이 다른 저항입니다. 서미스터는 RTD와 유사하게 작동합니다. 양의 온도 계수 만있는 RTD와 달리, 서미스터는 양 또는 음의 온도 계수를 가질 수 있습니다. 온도 계수 (NTC) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항을 감소시키는 반면, 양의 온도 계수 (PTC) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항을 증가시킵니다. 그림에서 도 1은 일반적인 NTC 및 PTC 서머 스터의 응답 특성을 보여주고 RTD 곡선과 비교합니다.
온도 범위의 관점에서, RTD 곡선은 거의 선형이며 센서는 서미스터의 비선형 (지수) 특성으로 인해 서미스터 (일반적으로 -200 ° C ~ +850 ° C)보다 훨씬 더 넓은 온도 범위를 포함합니다. RTD는 일반적으로 잘 알려진 표준화 된 곡선으로 제공되는 반면 서미스터 곡선은 제조업체마다 다릅니다. 이 기사의 서미스터 선택 안내서 섹션에서 자세히 설명하겠습니다.
서미스터는 복합 재료, 일반적으로 세라믹, 폴리머 또는 반도체 (일반적으로 금속 산화물) 및 순수 금속 (백금, 니켈 또는 구리)으로 만들어집니다. 서미스터는 RTD보다 온도 변화를 더 빨리 감지하여 더 빠른 피드백을 제공 할 수 있습니다. 따라서 서미스터는 일반적으로 저렴한 비용, 작은 크기, 더 빠른 응답, 감도가 높은 감도 및 전자 제어 제어, 가정 및 건물 제어, 과학 실험실 또는 상업용 또는 산업 응용 분야의 열전대 보상과 같은 제한된 온도 범위가 필요한 애플리케이션에서 센서에서 일반적으로 사용됩니다. 목적. 응용 프로그램.
대부분의 경우 NTC 서머 스터는 PTC 서머 스터가 아닌 정확한 온도 측정에 사용됩니다. 과전류 방지 회로 또는 안전 응용 분야를위한 재설정 가능한 퓨즈로 사용할 수있는 일부 PTC 서머 스터를 사용할 수 있습니다. PTC 서머 스터의 저항 온도 곡선은 스위치 포인트 (또는 퀴리 포인트)에 도달하기 전에 매우 작은 NTC 영역을 보여줍니다.이 저항은 섭씨 몇 도의 범위에서 여러 차례에 의해 급격히 상승합니다. 과전류 조건에서, PTC 서머 스터는 스위칭 온도를 초과 할 때 강한 자조를 생성하고 저항이 급격히 상승하여 시스템의 입력 전류를 줄여 손상을 방지합니다. PTC 서머 스터의 스위칭 지점은 일반적으로 60 ℃ 내지 120 ℃이며 광범위한 응용 분야에서 온도 측정을 제어하는 ​​데 적합하지 않다. 이 기사는 일반적으로 -80 ° C ~ +150 ° C 범위의 온도를 측정하거나 모니터링 할 수있는 NTC 서머 스터에 중점을 둡니다. NTC 서머 스터는 25 ° C에서 몇 옴 내지 10 MΩ 범위의 저항 등급을 갖습니다. 그림과 같이. 1, 서미스터의 섭씨 당 저항 당 저항의 변화는 저항 온도계보다 더 두드러진다. 서미스터와 비교하여 서미스터의 높은 감도 및 높은 저항 값은 입력 회로를 단순화합니다. 서미스터는 리드 저항을 보상하기 위해 3 와이어 또는 4 와이어와 같은 특수 배선 구성이 필요하지 않기 때문에 입력 회로를 단순화합니다. 서미스터 설계는 간단한 2 와이어 구성 만 사용합니다.
고정밀 서미스터 기반 온도 측정은도 1과 같이 정확한 신호 처리, 아날로그-디지털 변환, 선형화 및 보상이 필요합니다. 2.
신호 체인은 단순 해 보일 수 있지만 전체 마더 보드의 크기, 비용 및 성능에 영향을 미치는 몇 가지 복잡성이 있습니다. ADI의 정밀 ADC 포트폴리오에는 AD7124-4/AD7124-8과 같은 몇 가지 통합 솔루션이 포함되어 있으며, 응용 프로그램에 필요한 대부분의 빌딩 블록이 내장되어 있기 때문에 열 시스템 설계에 대한 여러 가지 장점을 제공합니다. 그러나 서미스터 기반 온도 측정 솔루션을 설계하고 최적화하는 데 다양한 과제가 있습니다.
이 기사는 이러한 각 문제에 대해 설명하고이를 해결하고 그러한 시스템의 설계 프로세스를 더욱 단순화하기위한 권장 사항을 제공합니다.
다양한 것이 있습니다NTC 서머 스터오늘날 시장에서 응용 프로그램에 적합한 서미스터를 선택하는 것은 어려운 작업이 될 수 있습니다. 서미스터는 공칭 값으로 나열되며, 이는 25 ° C에서 공칭 저항입니다. 따라서, 10kΩ 서미스터는 25 ℃에서 공칭 저항이 10kΩ입니다. 서미스터는 몇 옴 내지 10 MΩ 범위의 공칭 또는 기본 저항 값을 갖습니다. 저항 등급이 낮은 서미스터 (10kΩ 이하의 공칭 저항)는 일반적으로 -50 ° C ~ +70 ° C와 같은 더 낮은 온도 범위를 지원합니다. 저항 등급이 높은 서미스터는 최대 300 ° C의 온도를 견딜 수 있습니다.
서미스터 요소는 금속 산화물로 만들어집니다. 서미스터는 볼, 방사형 및 SMD 모양으로 제공됩니다. 서미스터 비드는 에폭시 코팅 또는 추가 보호를 위해 캡슐화 된 유리입니다. 에폭시 코팅 볼 서미스터, 방사형 및 표면 서미스터는 최대 150 ° C의 온도에 적합합니다. 유리 비드 서미스터는 고온을 측정하는 데 적합합니다. 모든 유형의 코팅/포장도 부식을 방지합니다. 일부 서머 스터에는 가혹한 환경에서 추가적인 보호를위한 추가 주택이 있습니다. 비드 서머 스터는 방사형/SMD 서머 스터보다 응답 시간이 빠릅니다. 그러나 그들은 내구성이 없습니다. 따라서 사용되는 서미스터의 유형은 최종 적용 및 서미스터가 위치한 환경에 따라 다릅니다. 서미스터의 장기 안정성은 재료, 포장 및 설계에 따라 다릅니다. 예를 들어, 에폭시 코팅 된 NTC 서머 스터는 매년 0.2 ° C를 변경할 수 있으며 밀봉 된 서미스터는 매년 0.02 ° C 만 변경합니다.
서미스터는 정확도가 다릅니다. 표준 서머 스터는 일반적으로 정확도가 0.5 ° C ~ 1.5 ° C입니다. 서미스터 저항 등급 및 베타 값 (25 ° C ~ 50 ° C/85 ° C의 비율)은 공차를 갖습니다. 서미스터의 베타 값은 제조업체마다 다릅니다. 예를 들어, 다른 제조업체의 10kΩ NTC 서머 스터마다 베타 값이 다릅니다. 보다 정확한 시스템의 경우 Omega ™ 44XXX 시리즈와 같은 서미스터를 사용할 수 있습니다. 그들은 0 ° C ~ 70 ° C의 온도 범위에서 0.1 ° C 또는 0.2 ° C의 정확도를 갖습니다. 따라서 측정 할 수있는 온도 범위와 해당 온도 범위에 필요한 정확도는 서미스터 가이 응용 프로그램에 적합한 지 여부를 결정합니다. 오메가 44xxx 시리즈의 정확도가 높을수록 비용이 높아집니다.
저항을 섭씨 도로 변환하기 위해 베타 값이 일반적으로 사용됩니다. 베타 값은 각 온도 지점에서 두 온도 지점과 해당 저항을 아는 것으로 결정됩니다.
RT1 = 온도 저항 1 RT2 = 온도 저항 2 T1 = 온도 1 (k) T2 = 온도 2 (k)
사용자는 프로젝트에 사용 된 온도 범위에 가장 가까운 베타 값을 사용합니다. 대부분의 서미스터 데이터 시트는 25 ° C의 저항 공차와 베타 값에 대한 공차와 함께 베타 값을 나열합니다.
오메가 44xxx 시리즈와 같은 높은 정밀 서미스터 및 고 정밀 종료 솔루션은 Steinhart-Hart 방정식을 사용하여 저항을 섭씨 도로 전환합니다. 방정식 2는 센서 제조업체가 다시 제공하는 3 개의 상수 A, B 및 C를 필요로합니다. 방정식 계수는 3 개의 온도 점을 사용하여 생성되기 때문에 결과 방정식은 선형화에 의해 도입 된 오차 (일반적으로 0.02 ° C)를 최소화합니다.
A, B 및 C는 3 개의 온도 세트 포인트에서 파생 된 상수입니다. r = 옴의 서미스터 저항 t = k도 온도
그림에서 3은 센서의 현재 여기를 보여줍니다. 드라이브 전류는 서미스터에 적용되며 동일한 전류가 정밀성 저항에 적용됩니다. 정밀성 저항은 측정을위한 참조로 사용됩니다. 기준 저항의 값은 시스템에서 측정 된 최저 온도에 따라 서미스터 저항의 최고 값보다 크거나 동일해야합니다.
여기 전류를 선택할 때는 서미스터의 최대 저항을 다시 고려해야합니다. 이를 통해 센서와 기준 저항의 전압이 항상 전자 제품에 허용되는 레벨에 있습니다. 필드 현재 소스에는 일부 헤드 룸 또는 출력 일치가 필요합니다. 서미스터의 측정 가능한 온도가 가장 낮은 저항이 높으면 드라이브 전류가 매우 낮습니다. 따라서, 고온에서 서미스터를 가로 질러 생성 된 전압은 작습니다. 프로그래밍 가능한 게인 단계를 사용하여 이러한 낮은 레벨 신호의 측정을 최적화 할 수 있습니다. 그러나 서미스터의 신호 레벨은 온도에 따라 크게 변하기 때문에 이득은 동적으로 프로그래밍되어야합니다.
또 다른 옵션은 게인을 설정하지만 동적 드라이브 전류를 사용하는 것입니다. 따라서, 서미스터의 신호 레벨이 변함에 따라, 드라이브 전류 값은 동적으로 변하면 서미스터를 가로 질러 개발 된 전압이 전자 장치의 지정된 입력 범위 내에 있도록한다. 사용자는 기준 저항을 가로 질러 개발 된 전압이 전자 제품에 허용되는 수준에 도달해야합니다. 두 옵션 모두 전자 장치가 신호를 측정 할 수 있도록 서머스의 전압을 지속적으로 모니터링해야합니다. 더 쉬운 옵션이 있습니까? 전압 여기를 고려하십시오.
DC 전압이 서미스터에 적용되면 서미스터를 통한 전류는 서미스터의 저항이 변경됨에 따라 자동으로 조정됩니다. 이제, 기준 저항 대신 정밀 측정 저항을 사용하여, 그 목적은 서미스터를 통해 흐르는 전류를 계산하여 서미스터 저항을 계산할 수 있도록하는 것입니다. 구동 전압은 ADC 참조 신호로 사용되므로 게인 스테이지가 필요하지 않습니다. 프로세서에는 서미스터 전압을 모니터링하는 작업이없고 전자 제품에 의해 신호 레벨을 측정 할 수 있는지 결정하고 조정해야 할 구동 게인/현재 값을 계산합니다. 이것은이 기사에 사용 된 방법입니다.
서미스터에 저항 등급이 작은 경우 저항 범위가 있으면 전압 또는 전류 여기를 사용할 수 있습니다. 이 경우 구동 전류 및 게인을 고정 할 수 있습니다. 따라서 회로는 그림 3에 표시된대로 될 것입니다.이 방법은 센서와 기준 저항을 통해 전류를 제어 할 수 있다는 점에서 편리합니다.이 방법은 저전력 응용 분야에서 가치가 있습니다. 또한, 서미스터의 자체 가열이 최소화됩니다.
저항 등급이 낮은 서머 스터에는 전압 흥분이 사용될 수 있습니다. 그러나 사용자는 항상 센서를 통한 전류가 센서 나 애플리케이션에 대해 너무 높지 않도록해야합니다.
전압 흥분은 저항 등급이 크고 온도 범위가 큰 서미스터를 사용할 때 구현을 단순화합니다. 더 큰 공칭 저항은 허용 가능한 정격 전류 수준을 제공합니다. 그러나 설계자는 전류가 응용 프로그램에서 지원하는 전체 온도 범위에 걸쳐 허용 가능한 수준에 있는지 확인해야합니다.
Sigma-Delta ADC는 서미스터 측정 시스템을 설계 할 때 몇 가지 장점을 제공합니다. 첫째, Sigma-Delta ADC가 아날로그 입력을 리 샘플링하기 때문에 외부 필터링은 최소로 유지되며 유일한 요구 사항은 간단한 RC 필터입니다. 필터 유형 및 출력 보드 속도의 유연성을 제공합니다. 내장 된 디지털 필터링을 사용하여 전원 전원 장치의 간섭을 억제 할 수 있습니다. AD7124-4/AD7124-8과 같은 24 비트 장치는 최대 21.7 비트의 전체 해상도를 가지므로 고해상도를 제공합니다.
Sigma-Delta ADC를 사용하면 서미스터 설계를 크게 단순화하면서 사양, 시스템 비용, 보드 공간 및 시장 시간을 줄입니다.
이 기사에서는 AD7124-4/AD7124-8을 ADC로 사용합니다. 저음이 적고 전류가 적은 정밀 ADC가 내장 된 PGA, 내장 참조, 아날로그 입력 및 참조 버퍼이기 때문입니다.
드라이브 전류 또는 구동 전압을 사용하는지 여부에 관계없이 기준 전압 및 센서 전압이 동일한 구동 소스에서 나오는 등급 구성이 권장됩니다. 이는 여기 소스의 모든 변화가 측정의 정확도에 영향을 미치지 않음을 의미합니다.
그림에서 도 5는 서미스터 및 정밀성 저항 RREF의 일정한 구동 전류를 보여줍니다. RREF를 가로 질러 개발 된 전압은 서미스터를 측정하기위한 기준 전압입니다.
필드 전류는 정확할 필요가 없으며 필드 전류의 오류 가이 구성에서 제거되므로 덜 안정적 일 수 있습니다. 일반적으로, 센서가 원격 위치에있을 때 우수한 감도 제어 및 더 나은 노이즈 면역으로 인해 전압 여기보다 전류 흥분이 선호됩니다. 이 유형의 바이어스 방법은 일반적으로 저항 값이 낮은 RTD 또는 서머 스터에 사용됩니다. 그러나, 저항 값이 높고 감도가 높은 서미스터의 경우, 각 온도 변화에 의해 생성 된 신호 레벨이 커질 것이므로 전압 여기가 사용됩니다. 예를 들어, 10 kΩ 서미스터의 저항은 25 ° C에서 10kΩ입니다. -50 ° C에서 NTC 서머 스터의 저항은 441.117 kΩ입니다. AD7124-4/AD7124-8이 제공하는 최소 드라이브 전류는 441.117 kΩ × 50 µA = 22V를 생성하며,이 응용 프로그램 영역에서 사용되는 대부분의 ADC의 작동 범위를 너무 높고 외부에서 생성합니다. 서미스터는 일반적으로 전자 제품 근처에 연결되거나 위치하므로 전류를 구동하기위한 면역이 필요하지 않습니다.
전압 분배기 회로로 직렬로 SENSER 저항을 추가하면 서미스터를 통한 전류가 최소 저항 값으로 제한됩니다. 이 구성에서, 감지 저항 rsense의 값은 25 ° C의 기준 온도에서 서미스터 저항의 값과 동일해야하므로 출력 전압은 25 ° C에서 10kΩ의 10kΩ가있는 10kΩ 열병이 사용되면, 25 ° CC의 공칭 온도에서 기준 전압의 중간 점과 동일해야합니다. 온도가 변함에 따라 NTC 서머 스터의 저항도 변화하고 서미스터 전체의 구동 전압의 비율도 변화하여 출력 전압이 NTC 서머 스터의 저항에 비례합니다.
서미스터 및/또는 Rsense에 전력을 공급하는 데 사용되는 선택된 전압 기준이 측정에 사용되는 ADC 기준 전압과 일치하는 경우, 시스템이 평가로 설정되어 (그림 7), 여기 관련 오차 전압 소스가 바이어스되어 제거되도록합니다.
감지 저항 (전압 구동) 또는 기준 저항 (전류 구동)은 두 변수 모두 전체 시스템의 정확도에 영향을 줄 수 있으므로 초기 공차가 낮고 드리프트가 낮아야합니다.
여러 서머 스터를 사용하면 하나의 여기 전압을 사용할 수 있습니다. 그러나, 각 서머 스터는도 1과 같이 고유 한 정밀 센스 저항을 가져야한다. 8. 또 다른 옵션은 ON 상태에서 외부 멀티플렉서 또는 저항 스위치를 사용하여 하나의 정밀 센스 저항을 공유하는 것입니다. 이 구성을 사용하면 각 서미스터는 측정시 약간의 침전 시간이 필요합니다.
요약하면, 서미스터 기반 온도 측정 시스템을 설계 할 때 센서 선택, 센서 배선, 구성 요소 선택 트레이드 오프, ADC 구성 및 이러한 다양한 변수가 시스템의 전반적인 정확도에 어떤 영향을 미치는지 고려해야 할 많은 질문이 있습니다. 이 시리즈의 다음 기사는 시스템 설계 및 전체 시스템 오류 예산을 최적화하여 목표 성능을 달성하는 방법을 설명합니다.