サーミスタベースの温度測定システムの最適化: 課題

これは 2 部構成のシリーズの最初の記事です。この記事ではまず、その歴史と設計上の課題について説明します。サーミスタベースの温度測定システムと測温抵抗体 (RTD) 温度測定システムとの比較。また、このアプリケーション分野におけるサーミスタの選択、構成のトレードオフ、およびシグマデルタ アナログ デジタル コンバータ (ADC) の重要性についても説明します。2 番目の記事では、最終的なサーミスタベースの測定システムを最適化して評価する方法について詳しく説明します。
以前の記事シリーズ「RTD 温度センサー システムの最適化」で説明したように、RTD は温度によって抵抗が変化する抵抗器です。サーミスタは RTD と同様に機能します。正の温度係数のみを持つ RTD とは異なり、サーミスタは正または負の温度係数を持つことができます。負の温度係数 (NTC) サーミスタは温度が上昇すると抵抗が減少しますが、正の温度係数 (PTC) サーミスタは温度が上昇すると抵抗が増加します。図上。図 1 は、典型的な NTC および PTC サーミスタの応答特性を示し、RTD 曲線と比較しています。
温度範囲に関しては、RTD 曲線はほぼ線形であり、サーミスタの非線形 (指数関数的) 性質により、センサーはサーミスタよりもはるかに広い温度範囲 (通常 -200 °C ～ +850 °C) をカバーします。通常、RTD はよく知られた標準化された曲線で提供されますが、サーミスターの曲線はメーカーによって異なります。これについては、この記事のサーミスタ選択ガイドのセクションで詳しく説明します。
サーミスタは複合材料、通常はセラミック、ポリマー、または半導体 (通常は金属酸化物) と純金属 (プラチナ、ニッケル、または銅) から作られています。サーミスタは RTD よりも速く温度変化を検出できるため、より高速なフィードバックが提供されます。したがって、サーミスタは、電子制御、家庭および建物の制御、科学実験室、商用の熱電対の冷接点補償など、低コスト、小型、高速応答、高感度、および限られた温度範囲を必要とするアプリケーションのセンサーで一般的に使用されます。または産業用途。目的。アプリケーション。
ほとんどの場合、正確な温度測定には PTC サーミスタではなく NTC サーミスタが使用されます。一部の PTC サーミスタは、過電流保護回路で使用したり、安全用途のリセット可能なヒューズとして使用したりできます。PTC サーミスタの抵抗温度曲線は、スイッチ ポイント (またはキュリー点) に達する前に非常に小さな NTC 領域を示し、それを超えると抵抗が摂氏数度の範囲で数桁急激に上昇します。過電流状態では、スイッチング温度を超えると PTC サーミスタが強い自己発熱を発生し、その抵抗が急激に上昇してシステムへの入力電流が減少し、損傷が防止されます。PTC サーミスタのスイッチングポイントは通常 60°C ～ 120°C の間であり、幅広い用途での温度測定の制御には適していません。この記事では、通常 -80°C ～ +150°C の範囲の温度を測定または監視できる NTC サーミスタに焦点を当てます。NTC サーミスタの抵抗定格は、25°C で数オームから 10 MΩ の範囲です。図に示すように。図 1 に示すように、サーミスタの摂氏 1 度あたりの抵抗の変化は測温抵抗体よりも顕著です。サーミスタは、サーミスタと比べて、リード抵抗を補償するために 3 線式や 4 線式などの特別な配線構成を必要としないため、高感度で高抵抗値であるため、入力回路が簡素化されます。サーミスタの設計には、単純な 2 線構成のみが使用されます。
サーミスタベースの高精度温度測定には、図に示すように、正確な信号処理、アナログ/デジタル変換、線形化、補償が必要です。2.
信号チェーンは単純に見えるかもしれませんが、マザーボード全体のサイズ、コスト、パフォーマンスに影響を与える複雑な点がいくつかあります。ADI の高精度 ADC ポートフォリオには、AD7124-4/AD7124-8 などの統合ソリューションがいくつか含まれており、アプリケーションに必要なビルディング ブロックのほとんどが組み込まれているため、熱システム設計に多くの利点をもたらします。ただし、サーミスタベースの温度測定ソリューションの設計と最適化にはさまざまな課題があります。
この記事では、これらの問題のそれぞれについて説明し、それらを解決し、そのようなシステムの設計プロセスをさらに簡素化するための推奨事項を提供します。
多種多様なものがありますNTCサーミスタ現在市場にはサーミスタが存在するため、アプリケーションに適したサーミスタを選択するのは困難な作業になる可能性があります。サーミスタは公称値 (25°C における公称抵抗) でリストされていることに注意してください。したがって、10 kΩ サーミスタの公称抵抗は 25°C で 10 kΩ になります。サーミスタの公称抵抗値または基本抵抗値は、数オームから 10 MΩ の範囲です。低抵抗定格 (公称抵抗 10 kΩ 以下) のサーミスタは、通常、-50 °C ～ +70 °C などの低い温度範囲をサポートします。より高い抵抗定格を持つサーミスタは、最大 300°C の温度に耐えることができます。
サーミスタ素子は金属酸化物でできています。サーミスタはボール、ラジアル、SMD 形状で入手可能です。サーミスタ ビーズは、保護を強化するためにエポキシ コーティングまたはガラス カプセル化されています。エポキシでコーティングされたボール サーミスタ、ラジアル サーミスタ、および表面サーミスタは、最大 150°C の温度に適しています。ガラスビーズサーミスタは高温の測定に適しています。あらゆる種類のコーティング/パッケージも腐食から保護します。一部のサーミスタには、過酷な環境での保護を強化するための追加のハウジングも付いています。ビーズ サーミスタは、ラジアル/SMD サーミスタよりも速い応答時間を持ちます。ただし、耐久性はそれほど高くありません。したがって、使用されるサーミスタのタイプは、最終用途とサーミスタが配置される環境によって異なります。サーミスタの長期安定性は、その材料、パッケージング、および設計によって決まります。たとえば、エポキシでコーティングされた NTC サーミスタは年間 0.2°C 変化する可能性がありますが、密閉されたサーミスタは年間 0.02°C しか変化しません。
サーミスタにはさまざまな精度があります。標準的なサーミスタの精度は通常 0.5 °C ～ 1.5 °C です。サーミスタの抵抗定格とベータ値（25℃と50℃/85℃の比）には公差があります。サーミスタのベータ値はメーカーによって異なることに注意してください。たとえば、メーカーが異なる 10 kΩ NTC サーミスタのベータ値は異なります。より正確なシステムの場合は、Omega™ 44xxx シリーズなどのサーミスターを使用できます。0°C ～ 70°C の温度範囲にわたって 0.1°C または 0.2°C の精度があります。したがって、サーミスタがこの用途に適しているかどうかは、測定できる温度範囲とその温度範囲にわたって必要とされる精度によって決まります。オメガ44xxxシリーズは精度が高くなるほど価格も高くなりますのでご注意ください。
抵抗を摂氏に変換するには、通常、ベータ値が使用されます。ベータ値は、2 つの温度点と各温度点での対応する抵抗を知ることによって決定されます。
RT1 = 温度抵抗 1 RT2 = 温度抵抗 2 T1 = 温度 1 (K) T2 = 温度 2 (K)
ユーザーは、プロジェクトで使用される温度範囲に最も近いベータ値を使用します。ほとんどのサーミスタのデータシートには、25°C での抵抗許容差およびベータ値の許容差とともにベータ値が記載されています。
Omega 44xxx シリーズなどの高精度サーミスタや高精度終端ソリューションでは、Steinhart-Hart 方程式を使用して抵抗を摂氏に変換します。式 2 には、センサーの製造元によって提供される 3 つの定数 A、B、C が必要です。方程式の係数は 3 つの温度点を使用して生成されるため、結果として得られる方程式は、線形化によって生じる誤差 (通常 0.02 °C) を最小限に抑えます。
A、B、C は 3 つの温度設定値から導出される定数です。R = サーミスタ抵抗 (オーム) T = 温度 (K 度)
図上。図 3 は、センサーの電流励起を示しています。駆動電流がサーミスタに印加され、同じ電流が高精度抵抗器に印加されます。高精度抵抗器は測定の基準として使用されます。基準抵抗の値は、サーミスタ抵抗の最高値以上でなければなりません (システムで測定された最低温度に応じて異なります)。
励起電流を選択するときは、サーミスタの最大抵抗を再度考慮する必要があります。これにより、センサーと基準抵抗器にかかる電圧が常に電子機器にとって許容可能なレベルに保たれます。界磁電流源には、ある程度のヘッドルームまたは出力マッチングが必要です。測定可能な最低温度でサーミスタの抵抗が高い場合、駆動電流が非常に低くなります。したがって、高温時にサーミスタの両端に発生する電圧は小さくなります。プログラム可能なゲインステージを使用して、これらの低レベル信号の測定を最適化できます。ただし、サーミスタからの信号レベルは温度によって大きく変化するため、ゲインは動的にプログラムする必要があります。
別のオプションは、ゲインを設定して動的駆動電流を使用することです。したがって、サーミスタからの信号レベルが変化すると、サーミスタの両端に発生する電圧が電子デバイスの指定された入力範囲内になるように、駆動電流値が動的に変化します。ユーザーは、基準抵抗器の両端に発生する電圧も電子機器が許容できるレベルであることを確認する必要があります。どちらのオプションでも、電子機器が信号を測定できるように、高度な制御、サーミスター両端の電圧の継続的な監視が必要です。もっと簡単なオプションはありますか?電圧励起を考えてみましょう。
DC 電圧がサーミスタに印加されると、サーミスタの抵抗の変化に応じてサーミスタを流れる電流が自動的に変化します。ここで、基準抵抗器の代わりに高精度測定抵抗器を使用すると、その目的はサーミスタに流れる電流を計算することにより、サーミスタ抵抗を計算できるようになります。駆動電圧は ADC 基準信号としても使用されるため、ゲイン段は必要ありません。プロセッサには、サーミスタ電圧を監視したり、電子機器で信号レベルを測定できるかどうかを判断したり、どの駆動ゲイン/電流値を調整する必要があるかを計算したりする仕事はありません。これがこの記事で使用されている方法です。
サーミスタの抵抗定格と抵抗範囲が小さい場合は、電圧または電流励起を使用できます。この場合、駆動電流とゲインを固定することができます。したがって、回路は図 3 のようになります。この方法は、センサーと基準抵抗を流れる電流を制御できるため便利であり、低電力アプリケーションで役立ちます。さらに、サーミスタの自己発熱も最小限に抑えられます。
電圧励起は、抵抗定格の低いサーミスタにも使用できます。ただし、ユーザーは、センサーを流れる電流がセンサーまたはアプリケーションに対して高すぎないことを常に確認する必要があります。
電圧励起により、抵抗定格が大きく温度範囲が広いサーミスタを使用する場合の実装が簡素化されます。公称抵抗が大きいほど、許容可能なレベルの定格電流が得られます。ただし、設計者は、アプリケーションがサポートする温度範囲全体にわたって電流が許容可能なレベルであることを確認する必要があります。
シグマデルタ ADC は、サーミスタ測定システムを設計する際にいくつかの利点をもたらします。まず、シグマデルタ ADC はアナログ入力をリサンプリングするため、外部フィルタリングは最小限に抑えられ、必要なのは単純な RC フィルタだけです。フィルタのタイプと出力ボーレートに柔軟性をもたらします。内蔵のデジタル フィルタリングを使用して、主電源装置の干渉を抑制できます。AD7124-4/AD7124-8 などの 24 ビット デバイスは最大 21.7 ビットのフル解像度を備えているため、高解像度を実現します。
シグマデルタ ADC を使用すると、サーミスタの設計が大幅に簡素化され、仕様、システム コスト、基板スペース、市場投入までの時間が短縮されます。
この記事では、AD7124-4/AD7124-8 を ADC として使用します。これは、AD7124-4/AD7124-8 が、内蔵 PGA、内蔵リファレンス、アナログ入力、リファレンス バッファを備えた低ノイズ、低電流、高精度の ADC であるためです。
駆動電流と駆動電圧のどちらを使用しているかに関係なく、基準電圧とセンサー電圧が同じ駆動源から供給されるレシオメトリック構成をお勧めします。これは、励振源が変化しても測定の精度に影響を与えないことを意味します。
図上。図 5 は、サーミスタと高精度抵抗 RREF の一定の駆動電流を示しています。RREF の両端に発生する電圧は、サーミスタを測定するための基準電圧です。
この構成では界磁電流の誤差が排除されるため、界磁電流は正確である必要はなく、安定性が低下する可能性があります。一般に、センサーが離れた場所にある場合は、感度制御が優れ、ノイズ耐性が優れているため、電圧励起よりも電流励起の方が優先されます。このタイプのバイアス方法は通常、抵抗値の低い RTD またはサーミスタに使用されます。ただし、サーミスタの抵抗値が高く感度が高い場合、温度変化ごとに発生する信号レベルが大きくなるため、電圧励磁が使用されます。たとえば、10 kΩ サーミスタの抵抗は 25°C で 10 kΩ です。-50°C では、NTC サーミスタの抵抗は 441.117 kΩ です。AD7124-4/AD7124-8 が提供する最小駆動電流 50 µA は 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V を生成しますが、これは高すぎて、このアプリケーション分野で使用されるほとんどの市販 ADC の動作範囲を超えています。サーミスタも通常は電子機器の近くに接続または配置されるため、駆動電流に対する耐性は必要ありません。
分圧回路として検出抵抗を直列に追加すると、サーミスタを流れる電流が最小抵抗値に制限されます。この構成では、出力電圧が公称温度25℃で基準電圧の中点に等しくなるように、センス抵抗RSENSEの値は基準温度25℃でのサーミスタ抵抗の値と等しくなければなりません。 25°C 同様に、25°C で抵抗が 10 kΩ の 10 kΩ サーミスタを使用する場合、RSENSE は 10 kΩ にする必要があります。温度が変化すると、NTC サーミスタの抵抗も変化し、サーミスタの駆動電圧の比率も変化するため、出力電圧は NTC サーミスタの抵抗に比例します。
サーミスタや RSENSE に電力を供給するために使用される選択された電圧リファレンスが、測定に使用される ADC リファレンス電圧と一致する場合、システムはレシオメトリック測定に設定され (図 7)、励起関連の誤差電圧源がバイアスされて除去されます。
検出抵抗器 (電圧駆動) または基準抵抗器 (電流駆動) は、両方の変数がシステム全体の精度に影響を与える可能性があるため、初期許容誤差とドリフトが小さい必要があることに注意してください。
複数のサーミスタを使用する場合、1 つの励起電圧を使用できます。ただし、図に示すように、各サーミスターには独自の高精度検出抵抗が必要です。8. 別のオプションは、外部マルチプレクサまたはオン状態の低抵抗スイッチを使用することです。これにより、1 つの高精度センス抵抗を共有できます。この構成では、各サーミスタの測定時にある程度の整定時間が必要になります。
要約すると、サーミスタベースの温度測定システムを設計する際には、センサーの選択、センサーの配線、コンポーネント選択のトレードオフ、ADC 構成、およびこれらのさまざまな変数がシステム全体の精度にどのように影響するかなど、考慮すべき多くの質問があります。このシリーズの次の記事では、目標のパフォーマンスを達成するためにシステム設計とシステム全体のエラー バジェットを最適化する方法について説明します。