Aplicación y principio del sensor de temperatura (termistor, termopar)
Las aplicaciones de medición de temperatura son muy extensas, no solo los procesos de producción requieren control de temperatura, sino que algunos productos electrónicos también necesitan medir su propia temperatura. Por ejemplo, si la computadora quiere monitorear la temperatura de la CPU, el controlador del motor debe conocer la temperatura del IC del controlador de potencia, etc. Varios productos de sensores de temperatura comúnmente utilizados se describen a continuación.
La temperatura es un parámetro que a menudo se prueba en aplicaciones prácticas. Desde la fabricación de acero hasta la producción de semiconductores, muchos procesos dependen de la temperatura, y los productos de sensores de temperatura son el puente entre el sistema de aplicación y el mundo real. Este artículo proporciona una breve descripción de los diferentes productos de sensores de temperatura y describe la interfaz con el sistema de circuitos.
Termistor
Existen muchos tipos de productos de sensores para medir la temperatura, y los termistores son uno de ellos. Muchos termistores tienen un coeficiente de temperatura negativo (NTC), lo que significa que su resistencia aumenta a medida que baja la temperatura. En todos los productos de sensores pasivos de temperatura, la sensibilidad del termistor (es decir, el cambio de resistencia para cada grado de cambio de temperatura) es más alta, pero la curva de resistencia / temperatura del termistor no es lineal.
La Tabla 1 es un parámetro típico de rendimiento del termistor NTC.
Estos datos se miden en un termistor Vishay-Dale, pero también representan la condición general del termistor NTC. El valor de resistencia se da como una relación (R / R25), que representa la relación de la resistencia a la temperatura actual a la resistencia a 25 ° C. Por lo general, la misma serie de termistores tienen características similares y la misma curva de resistencia / temperatura. Tome la serie de termistor en la Tabla 1 como ejemplo. La resistencia a 10 ° C es de 10KΩ. La resistencia es 28.1KΩ a 0 ° C. La resistencia a 4.0 ° C es 4.086 KΩ; Del mismo modo, un termistor de 5 kΩ a 25 ° C tiene una resistencia de 14.050 KΩ a 0 ° C.
Aquí T se refiere a la temperatura absoluta de Kelvin, y A, B, C y D son constantes, que varían según las características del termistor. Estos parámetros son proporcionados por el fabricante del termistor.
Los termistores generalmente tienen un rango de error que se utiliza para especificar la consistencia entre las muestras. El valor de error suele estar entre 1% y 10% dependiendo del material utilizado. Algunos termistores están diseñados para ser intercambiables para aplicaciones donde el ajuste de campo no es posible. Por ejemplo, un instrumento, usuario o ingeniero de campo solo puede reemplazar el termistor y no puede calibrarse. Este termistor es mucho más alto que el ordinario y es mucho más costoso.
La figura 2 es un circuito típico para medir la temperatura usando un termistor. La resistencia R1 eleva el voltaje del termistor hasta el voltaje de referencia, que generalmente es consistente con el voltaje de referencia del ADC, por lo que si el voltaje de referencia del ADC es de 5V, Vref también será de 5V. El termistor y la resistencia están conectados en serie para generar un voltaje parcial, y el cambio de resistencia hace que el voltaje en el nodo también cambie. La precisión del circuito depende del error del termistor y la resistencia y la precisión del voltaje de referencia.
La temperatura es un parámetro que a menudo se prueba en aplicaciones prácticas. Desde la fabricación de acero hasta la producción de semiconductores, muchos procesos dependen de la temperatura, y los productos de sensores de temperatura son el puente entre el sistema de aplicación y el mundo real. Este artículo proporciona una breve descripción de los diferentes productos de sensores de temperatura y describe la interfaz con el sistema de circuitos.
Termistor
Existen muchos tipos de productos de sensores para medir la temperatura, y los termistores son uno de ellos. Muchos termistores tienen un coeficiente de temperatura negativo (NTC), lo que significa que su resistencia aumenta a medida que baja la temperatura. En todos los productos de sensores pasivos de temperatura, la sensibilidad del termistor (es decir, el cambio de resistencia para cada grado de cambio de temperatura) es más alta, pero la curva de resistencia / temperatura del termistor no es lineal.
La Tabla 1 es un parámetro típico de rendimiento del termistor NTC.
Fig. 1 muestra la curva de temperatura del termistor. Se puede ver que la curva de resistencia / temperatura no es lineal. Aunque los datos del termistor aquí están en incrementos de 10 ° C, algunos termistores pueden estar en incrementos de 5 ° C o incluso 1 ° C. Si desea conocer el valor de resistencia a una temperatura determinada entre dos puntos, puede usar esta curva para estimar, o puede calcular directamente el valor de resistencia. La fórmula de cálculo es la siguiente:
Aquí T se refiere a la temperatura absoluta de Kelvin, y A, B, C y D son constantes, que varían según las características del termistor. Estos parámetros son proporcionados por el fabricante del termistor.
Los termistores generalmente tienen un rango de error que se utiliza para especificar la consistencia entre las muestras. El valor de error suele estar entre 1% y 10% dependiendo del material utilizado. Algunos termistores están diseñados para ser intercambiables para aplicaciones donde el ajuste de campo no es posible. Por ejemplo, un instrumento, usuario o ingeniero de campo solo puede reemplazar el termistor y no puede calibrarse. Este termistor es mucho más alto que el ordinario y es mucho más costoso.
La figura 2 es un circuito típico para medir la temperatura usando un termistor. La resistencia R1 eleva el voltaje del termistor hasta el voltaje de referencia, que generalmente es consistente con el voltaje de referencia del ADC, por lo que si el voltaje de referencia del ADC es de 5V, Vref también será de 5V. El termistor y la resistencia están conectados en serie para generar un voltaje parcial, y el cambio de resistencia hace que el voltaje en el nodo también cambie. La precisión del circuito depende del error del termistor y la resistencia y la precisión del voltaje de referencia.
Problema de autocalentamiento
Como el termistor es una resistencia, se genera una cierta cantidad de calor cuando la corriente fluye a través de él. Por lo tanto, el diseñador del circuito debe asegurarse de que la resistencia pull-up sea lo suficientemente grande como para evitar que el termistor se caliente automáticamente; de lo contrario, el sistema mide el calor generado por el termistor en lugar de la temperatura ambiente.
El efecto de la energía consumida por el termistor sobre la temperatura se expresa en términos de la constante de disipación, que es el número de milivatios necesarios para aumentar la temperatura del termistor en 1 ° C por encima de la temperatura ambiente. La constante de disipación es diferente según el paquete del termistor, las especificaciones del pin, el material de encapsulación y otros factores.
La cantidad de resistencia de autocalentamiento y limitación de corriente permitida por el sistema está determinada por la precisión de la medición. El sistema de medición con una precisión de medición de ± 5 ° C es mayor que el autocalentamiento del termistor que el sistema de medición puede soportar con una precisión de ± 1 ° C.
El valor de resistencia del RTD es un valor nominal de 0 ° C. 0 ° C 100Ω La resistencia RTD de platino es típicamente 100.39Ω a 1 ° C y 119.4Ω a 50 ° C.
La Figura 4 es una comparación de la curva de resistencia / temperatura RTD versus la curva de resistencia / temperatura del termistor. El error del RTD es menor que el del termistor. Para el platino, el error es generalmente del 0.01%, y el níquel es generalmente del 0.5%. Además del pequeño error y resistencia, el circuito de interfaz del RTD y el termistor es básicamente el mismo.
Par termoeléctrico
Los termopares están formados por dos metales diferentes que generan un voltaje pequeño cuando se calientan. La magnitud del voltaje depende de los dos materiales metálicos que componen el termopar. Los termopares de hierro-constantan (tipo J), cobre-constantan (tipo T) y cromo-aluminio (tipo K) son los tres más utilizados.
Los termopares producen voltajes muy pequeños, generalmente solo unos pocos milivoltios. El cambio de voltaje de la temperatura del termopar de tipo K es solo de aproximadamente 40 μV cuando la temperatura cambia en 1 ° C, por lo que el sistema de medición debe poder medir la precisión de medición de la variación de voltaje de 4 μV para alcanzar 0.1 ° C.
Dado que los dos tipos diferentes de metales se combinan para crear una diferencia de potencial, la conexión del termopar al sistema de medición también produce un voltaje. El punto de conexión generalmente se coloca en el bloque aislante para reducir este efecto, de modo que los dos nodos estén a la misma temperatura, reduciendo así el error. A veces, la temperatura del bloque de aislamiento también se mide para compensar los efectos de la temperatura (Figura 5).
La ganancia requerida para medir el voltaje del termopar es típicamente de 100 a 300, y el ruido generado por el termopar se amplifica por el mismo factor. Un amplificador de medición se usa típicamente para amplificar la señal porque elimina el ruido de modo común de los cables del termopar. Los acondicionadores de señal de termopar, como el AD594 / 595 de Analog Devices, están disponibles en el mercado para simplificar las interfaces de hardware.
Sensor térmico de estado sólido
El sensor de temperatura semiconductor más simple es una unión PN, como una unión PN entre un diodo o un emisor base de transistor. Si fluye una corriente constante a través de la unión PN de silicio polarizado hacia adelante, la caída de voltaje directo se reduce en 1.8 mV por cada cambio de temperatura de 1 ° C. Muchos circuitos integrados utilizan esta característica de los semiconductores para medir la temperatura, incluidos los MAX1617 de Maxim, los LM335 y LM74 del país. Los sensores de semiconductores vienen en una variedad de interfaces, desde la salida de voltaje hasta las interfaces seriales SPI / microwire.
Existen muchos tipos de sensores de temperatura y, al seleccionar adecuadamente el software y el hardware, puede encontrar el sensor adecuado para su aplicación.
Como el termistor es una resistencia, se genera una cierta cantidad de calor cuando la corriente fluye a través de él. Por lo tanto, el diseñador del circuito debe asegurarse de que la resistencia pull-up sea lo suficientemente grande como para evitar que el termistor se caliente automáticamente; de lo contrario, el sistema mide el calor generado por el termistor en lugar de la temperatura ambiente.
El efecto de la energía consumida por el termistor sobre la temperatura se expresa en términos de la constante de disipación, que es el número de milivatios necesarios para aumentar la temperatura del termistor en 1 ° C por encima de la temperatura ambiente. La constante de disipación es diferente según el paquete del termistor, las especificaciones del pin, el material de encapsulación y otros factores.
La cantidad de resistencia de autocalentamiento y limitación de corriente permitida por el sistema está determinada por la precisión de la medición. El sistema de medición con una precisión de medición de ± 5 ° C es mayor que el autocalentamiento del termistor que el sistema de medición puede soportar con una precisión de ± 1 ° C.
Cabe señalar que la resistencia de la resistencia de pull-up debe calcularse para limitar el consumo de energía de autocalentamiento en todo el rango de temperatura de medición. Cuando se da el valor de resistencia, la potencia disipativa varía a diferentes temperaturas debido a la variación del valor de resistencia del termistor.
A veces es necesario calibrar la entrada del termistor para obtener la resolución de temperatura adecuada. La Figura 3 es un circuito que extiende el rango de temperatura de 10 a 40 ° C a todo el rango de entrada de 0 a 5 V del ADC.
La fórmula de salida del amplificador operacional es la siguiente:
Una vez que se calibra la entrada del termistor, la resistencia real a la temperatura se puede representar gráficamente. Como el termistor no es lineal, debe representarse gráficamente. El sistema necesita saber cuál es el valor del ADC para cada temperatura. La precisión de la tabla se determina en incrementos específicos de 1 ° C o 5 ° C dependiendo de la aplicación específica.
Si desea alta precisión y quiere gastar menos, debe calibrar el sistema después de que se haya construido. Dado que la placa y el termistor deben reemplazarse en el campo, generalmente no se recomienda. En el caso de que el dispositivo no se pueda reemplazar en el campo o el ingeniero tenga otros métodos para monitorear la temperatura, el software también se puede usar para crear una tabla de cambios de ADC dependientes de la temperatura. En este caso, el valor de temperatura real necesita ser medido por otras herramientas, y el software puede crear la tabla correspondiente. Para los sistemas donde el termistor debe reemplazarse en el campo, el componente a reemplazar (sensor o todo el extremo frontal analógico) se puede calibrar en la fábrica y los resultados de la calibración se pueden guardar en un disco u otro medio de almacenamiento. Por supuesto, después del reemplazo de componentes, el software debe poder conocer el uso de los datos calibrados.
En general, los termistores son un método de medición de temperatura de bajo costo y son fáciles de usar. A continuación presentamos el detector de temperatura de resistencia y el sensor de temperatura del termopar.
Detector de temperatura de resistencia
Un detector de temperatura de resistencia (RTD) es en realidad un cable especial cuya resistencia varía con la temperatura. Por lo general, los materiales RTD incluyen cobre, platino, níquel y aleaciones de níquel / hierro. El elemento RTD puede ser un alambre o una película delgada recubierta sobre un sustrato cerámico mediante electrochapado o pulverización catódica.
A veces es necesario calibrar la entrada del termistor para obtener la resolución de temperatura adecuada. La Figura 3 es un circuito que extiende el rango de temperatura de 10 a 40 ° C a todo el rango de entrada de 0 a 5 V del ADC.
La fórmula de salida del amplificador operacional es la siguiente:
Una vez que se calibra la entrada del termistor, la resistencia real a la temperatura se puede representar gráficamente. Como el termistor no es lineal, debe representarse gráficamente. El sistema necesita saber cuál es el valor del ADC para cada temperatura. La precisión de la tabla se determina en incrementos específicos de 1 ° C o 5 ° C dependiendo de la aplicación específica.
Error acumulativo
Al medir la temperatura con un termistor, seleccione el sensor y otros componentes en el circuito de entrada para que coincida con la precisión requerida. En algunos casos, se requiere una resistencia con una precisión del 1%, y algunos pueden requerir una resistencia con una precisión del 0,1%. En cualquier caso, se utiliza una tabla para calcular el efecto del error acumulativo de todos los componentes en la precisión de la medición, incluida la resistencia, el voltaje de referencia y el propio termistor.
Al medir la temperatura con un termistor, seleccione el sensor y otros componentes en el circuito de entrada para que coincida con la precisión requerida. En algunos casos, se requiere una resistencia con una precisión del 1%, y algunos pueden requerir una resistencia con una precisión del 0,1%. En cualquier caso, se utiliza una tabla para calcular el efecto del error acumulativo de todos los componentes en la precisión de la medición, incluida la resistencia, el voltaje de referencia y el propio termistor.
En general, los termistores son un método de medición de temperatura de bajo costo y son fáciles de usar. A continuación presentamos el detector de temperatura de resistencia y el sensor de temperatura del termopar.
Detector de temperatura de resistencia
Un detector de temperatura de resistencia (RTD) es en realidad un cable especial cuya resistencia varía con la temperatura. Por lo general, los materiales RTD incluyen cobre, platino, níquel y aleaciones de níquel / hierro. El elemento RTD puede ser un alambre o una película delgada recubierta sobre un sustrato cerámico mediante electrochapado o pulverización catódica.
La Figura 4 es una comparación de la curva de resistencia / temperatura RTD versus la curva de resistencia / temperatura del termistor. El error del RTD es menor que el del termistor. Para el platino, el error es generalmente del 0.01%, y el níquel es generalmente del 0.5%. Además del pequeño error y resistencia, el circuito de interfaz del RTD y el termistor es básicamente el mismo.
Par termoeléctrico
Los termopares están formados por dos metales diferentes que generan un voltaje pequeño cuando se calientan. La magnitud del voltaje depende de los dos materiales metálicos que componen el termopar. Los termopares de hierro-constantan (tipo J), cobre-constantan (tipo T) y cromo-aluminio (tipo K) son los tres más utilizados.
Los termopares producen voltajes muy pequeños, generalmente solo unos pocos milivoltios. El cambio de voltaje de la temperatura del termopar de tipo K es solo de aproximadamente 40 μV cuando la temperatura cambia en 1 ° C, por lo que el sistema de medición debe poder medir la precisión de medición de la variación de voltaje de 4 μV para alcanzar 0.1 ° C.
Dado que los dos tipos diferentes de metales se combinan para crear una diferencia de potencial, la conexión del termopar al sistema de medición también produce un voltaje. El punto de conexión generalmente se coloca en el bloque aislante para reducir este efecto, de modo que los dos nodos estén a la misma temperatura, reduciendo así el error. A veces, la temperatura del bloque de aislamiento también se mide para compensar los efectos de la temperatura (Figura 5).
La ganancia requerida para medir el voltaje del termopar es típicamente de 100 a 300, y el ruido generado por el termopar se amplifica por el mismo factor. Un amplificador de medición se usa típicamente para amplificar la señal porque elimina el ruido de modo común de los cables del termopar. Los acondicionadores de señal de termopar, como el AD594 / 595 de Analog Devices, están disponibles en el mercado para simplificar las interfaces de hardware.
Sensor térmico de estado sólido
El sensor de temperatura semiconductor más simple es una unión PN, como una unión PN entre un diodo o un emisor base de transistor. Si fluye una corriente constante a través de la unión PN de silicio polarizado hacia adelante, la caída de voltaje directo se reduce en 1.8 mV por cada cambio de temperatura de 1 ° C. Muchos circuitos integrados utilizan esta característica de los semiconductores para medir la temperatura, incluidos los MAX1617 de Maxim, los LM335 y LM74 del país. Los sensores de semiconductores vienen en una variedad de interfaces, desde la salida de voltaje hasta las interfaces seriales SPI / microwire.
Existen muchos tipos de sensores de temperatura y, al seleccionar adecuadamente el software y el hardware, puede encontrar el sensor adecuado para su aplicación.
