Nhận được kết quả tích cực từ nhiệt điện trở NTC với giao diện thụ động đơn giản

Nhiệt điện trở NTC được ưa chuộng vì giá thành thấp, kích thước nhỏ, cấu trúc chắc chắn, độ chính xác cao, tính linh hoạt và độ nhạy cao, nhưng chức năng phản ứng nhiệt độ của chúng lại không tuyến tính, khiến việc kích thích, số hóa và xử lý tín hiệu trở thành một nhiệm vụ khó khăn...

Với chi phí thấp, kích thước nhỏ, cấu trúc chắc chắn, độ chính xác, tính linh hoạt và độ nhạy, không có gì ngạc nhiên khi các nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ âm cơ bản (NTC) được xếp hạng trong số các cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất hiện có. Tuy nhiên, hàm phản ứng nhiệt độ của chúng rất phi tuyến tính (theo nghĩa đen là hàm mũ), khiến cho việc kích thích và số hóa tín hiệu và xử lý trở thành các bài tập thiết kế thú vị.

Bảng dữ liệu của nhiệt điện trở NTC thông thường (ví dụ: Molex 2152723605) tóm tắt các đặc tính nhiệt điện với bốn tham số (Phương trình 1 đến 5), được hiển thị trong Hình 1 (các số được mượn từ dữ liệu 2152723605):

To = nhiệt độ định mức/hiệu chuẩn (25°C = 298.15 K) (1)

Ro = điện trở tại To (10k ±1%) (2)

b = beta (3892 K) (3)

Hệ số tản nhiệt (tự làm nóng) (1.5 mW/°C) (4)

Sau đó, điện trở nhiệt điện trở (Rt) theo nhiệt độ (T) tính bằng Kelvin được dự đoán bởi:

Rt = Ro exp(b(T(-1– Đến(-1))) (5)

Áp dụng nguyên lý KISS cổ điển, chúng ta thấy trong Hình 1 một ứng cử viên cho mạch đơn giản nhất có thể để lấy tín hiệu từ nhiệt điện trở và một số phép toán cơ bản để lọc ra phép đo nhiệt độ từ đầu ra của nó và các tham số 1, 2 và 3 ở trên.

Hình 1 Mạch kích thích thụ động nhiệt điện trở cơ bản:

Cx = giảm nhiễu tùy chọn, có thể là 100 nF

Rx = điện trở kích thích

Rt = Rx(V/Vref)/(1 – V/Vref)

T= (Ln (Đáp/Đáp)/b + Đáp-1)-1

Ngoài Cx (rất không quan trọng) và bản thân nhiệt điện trở, thành phần duy nhất trong Hình 1 là Rx. Làm thế nào để chọn giá trị của nó tốt nhất?

Trực giác gợi ý và toán học xác nhận rằng lựa chọn tối ưu (ít nhất là gần như vậy) là làm cho Rx bằng với nhiệt điện trở ở giữa khoảng đo nhiệt độ mà ứng dụng yêu cầu. Nhiệt độ điểm giữa đã nói (gọi là Tx) sau đó sẽ đưa ra V = Vref/2 và do đó phân phối độ phân giải ADC một cách đối xứng trên phạm vi đo lường. Phương trình. 5 cho chúng ta biết cách để đạt được điều đó.

Giả sử chúng ta chọn phạm vi đo từ 0oC đến 100oC, khi đó Tx = 50oC = 323.15 K và phép tính số học của Phương trình 5 cho chúng ta biết (sử dụng các số của 2152723605):

Rx = Ro exp(b(Tx-1- Đến-1)) Đơn thuốc = 10000 exp(3892 (323.15-1 - 298.15-1)) Rx = 3643 (giá trị chuẩn gần nhất 1% = 3650)

Bây giờ, nếu chúng ta thuận tiện chọn Vref = 5V cho cả đầu vào Rx và đầu vào tham chiếu của ADC (vì đây là phép đo tỷ lệ, giá trị tuyệt đối của Vref tương đối không quan trọng), chúng ta có thể đặt:

X = ADC/2N = V/Vref Khi đó, T = (Ln(X/(1 – X))/b + Tx -1)-1

°C = (Ln(X/(1 – X))/3892 + 0.003095)-1- 273.15

Và công việc đã hoàn thành!

Hay là vậy? Hệ số tiêu tán (tự làm nóng) (1.5 mW/°C) thì sao?

Rõ ràng là chúng ta không muốn nhiệt điện trở tự làm nóng gây ảnh hưởng đáng kể đến phép đo nhiệt độ. Giới hạn hợp lý cho lỗi tự làm nóng có thể là nửa độ và trong trường hợp 2152723803 là 1.5 mW/°C, điều này sẽ chỉ ra việc giới hạn mức tiêu tán tối đa không quá:

Pmax = (1.5 mW)/2 = 0.75 mW

Sự tiêu tán đạt cực đại tới Vref(2)/4/Rx khi Rt = Rx và trong trường hợp này là Vref

= 5V do đó sẽ là:

Pmax = Vref2/4/Đơn thuốc

= 25/4/3650

= 1.7 mW

= 1.1 ° C

Trời ơi! Nhiều hơn thế nữa hai lần lỗi tự làm nóng tối đa được quy định. Phải làm gì? Đừng lo lắng, một giải pháp được gợi ý trong Hình 2.

Hình 2 Rvdd giới hạn nhiệt độ tự làm nóng tối đa của điện trở nhiệt ở mức Pmax:

Pmax = Vdd(2)/4/(Rx + Rvdd)

Rvdd = Vdd(2)/4/Pmax – Rx nếu > 0, ngược lại Rvdd = XNUMX

(Vdd Rx/(Rvdd + Rx)) < Vref < Vdd

Nhúng lại vào số 2152723605 và giữ Vdd = 5 V:

Rvdd = 25/4/(0.75 mW) – 3650

Rvdd = 8333 – 3650 = 4.7k

Pmax = 0.749 mW

2.8 V < Vref < 5 V

Lưu ý rằng nếu phép toán trong Hình 2 cho ra giá trị bằng 1 hoặc âm cho Rvdd thì không cần Rvdd và mạch trong Hình XNUMX ban đầu sẽ hoạt động bình thường.

Mặc dù Vref sẽ thay đổi theo Rt và do đó là nhiệt độ, nhưng ADC đơn khối tham chiếu bên ngoài thường rất dễ chấp nhận các biến thể Vref trong phạm vi hiển thị và sẽ thực hiện các chuyển đổi tỷ lệ chính xác bất chấp các biến thể này.