Projet de capteur de température : Détecteurs de température à résistance (RTD)

Ceci est la quatrième partie d'une série où nous examinons tous les principaux types de capteurs de température que vous pourriez utiliser dans un projet électronique. Nous regardons les différentes manières d'implémenter ces différents capteurs dans une conception. À la fin de la série, nous mettrons les capteurs et les implémentations en compétition directe en utilisant des conditions réelles. Ces tests dans le monde réel nous donneront une meilleure compréhension de la manière dont les différents capteurs se comportent et répondent aux conditions changeantes, ainsi que de leur linéarité et précision dans la détection de la température.

Comme pour mes projets, vous pouvez trouver les fichiers de conception pour ce projet publiés sous la licence open-source MIT sur GitHub. Vous êtes libre d'utiliser les circuits ou le projet comme vous le souhaitez, même pour des projets commerciaux. Vous trouverez les détails des Détecteurs de Température à Résistance que nous discutons, ainsi qu'une gamme d'autres Détecteurs de Température à Résistance dans ma vaste bibliothèque open-source Altium Designer Library. Vous trouverez également les détails de tous les autres types de capteurs de température et une énorme gamme de différents composants contenus dans cette bibliothèque également.

Dans cette partie de la série, nous examinons les détecteurs de température à résistance (RTD), qui figurent parmi les éléments de mesure de température les plus précis auxquels nous avons facilement accès. Je fais délibérément référence à des « éléments » ici, car les circuits intégrés et les dispositifs de systèmes microélectromécaniques (MEMS), que nous examinerons dans les prochains articles, peuvent être plus précis et avoir une sortie plus linéaire. Le capteur RTD est essentiellement un type de résistance dont la valeur varie à un taux très précis au fur et à mesure que la température change.

Les capteurs de température sont vitaux pour de nombreuses industries. Même sur votre PCB, un capteur de température peut être utilisé pour assurer la précision des données reçues d'autres capteurs, ainsi que pour aider à protéger votre carte contre la surchauffe. Dans cette série, nous examinerons une gamme de différents types de capteurs et la meilleure façon de les utiliser. Nous allons examiner :

• Les thermistances à coefficient de température négatif (NTC)
• Les thermistances à coefficient de température positif (PTC)
• Les détecteurs de température à résistance (RTD)
• Les circuits intégrés de capteurs de température analogiques
• Les circuits intégrés de capteurs de température numériques
• Les thermocouples

Dans l'introduction de cette série sur les capteurs de température, nous avons construit deux modèles de projets, qui nous permettront d'avoir un ensemble de tests standard pour les différents capteurs de température, chacun avec la même interface et le même placement de connecteur. L'un de ces projets est conçu pour les capteurs de température numériques, et l'autre est conçu pour les capteurs de température analogiques. Dans cet article, nous utiliserons les deux, en utilisant le modèle de projet numérique pour un ADC de haute résolution et le modèle analogique pour toutes les autres mises en œuvre.

Nous construirons deux cartes hôtes pour ces cartes de capteurs à la fin de la série, une conçue pour tester une seule carte à des fins de validation, et l'autre conçue pour se connecter à une pile de cartes. Cette deuxième carte hôte, avec plusieurs capteurs montés dessus, est ce que nous utiliserons lorsque nous évaluerons la performance de toutes les mises en œuvre de capteurs les unes contre les autres.

Détecteurs de Température à Résistance (RTD)

Les détecteurs de température à résistance, ou RTD en abrégé, ont une mise en œuvre similaire à un thermistor mais sont généralement plus précis. Alors qu'un thermistor avec une précision de 1 % est considéré comme précis et acceptable, un capteur RTD avec une tolérance de 0,1 % n'est pas rare. Les coûts sont nettement plus élevés pour un capteur RTD que pour un thermistor, mais c'est le compromis pour avoir une meilleure précision. En plus des tolérances plus serrées du RTD par rapport aux thermistors que nous avons examinés dans l'article sur le thermistor NTC, un capteur RTD a également une courbe de température beaucoup plus linéaire, ce qui rend l'utilisation de la résistance mesurée beaucoup plus simple à mettre en œuvre.

Les détecteurs de température à résistance à base de nickel ont tendance à avoir une température de détection maximale inférieure à celle de leurs homologues en platine. Les détecteurs en platine sont capables de mesurer bien au-delà du point de fusion de la soudure, donc vous constaterez que pour les applications à haute température, ils sont montés sur un câble à l'aide de connexions serties ou intégrés dans un dispositif de sonde, plutôt que simplement en tant que composant monté en surface. De nombreux détecteurs de température à résistance fonctionnent également assez bien à l'extrémité inférieure de la gamme, avec une quantité significative d'options sur le marché pour des températures de fonctionnement bien en dessous de ce que vous trouverez généralement dans l'environnement naturel. Les composants RTD montés en surface auront typiquement une plage de température de fonctionnement similaire à la plupart des autres pièces montées en surface (autour de -55°C à 175°C). Cependant, les composants RTD montés sur fils peuvent fonctionner dans une plage de -200°C à 850°C.

Contrairement aux thermistances, qui définissent la résistance à 25°C comme leur résistance de spécification, les capteurs RTD utilisent la résistance à 0°C comme leur résistance de spécification.

Comme avec les thermistances, réduire le courant traversant le détecteur est crucial pour garantir que vous pouvez mesurer la température précise de manière exacte, sans influencer le résultat par des effets d'auto-échauffement. Vous voulez généralement maintenir le courant traversant une RTD entre 0,1 mA et 1,5 mA. Les RTD ont tendance à avoir des valeurs de résistance beaucoup plus faibles qu'une thermistance, donc un flux de courant plus élevé peut causer un problème sérieux d'auto-échauffement s'il n'est pas contrôlé. Cela signifie que vous aurez très probablement besoin d'employer une méthode alternative à l'utilisation d'un simple diviseur de tension pour prendre une lecture précise.

Implémentation du capteur RTD : Diviseur de tension

Un circuit simple tel qu'un diviseur de tension n'est pas recommandé pour une utilisation avec un capteur RTD. La faible résistance du détecteur signifie que vous allez expérimenter un petit effet d'auto-échauffement qui rendra vos mesures inexactes, surtout lors de l'utilisation d'un capteur de 100 ohms comme celui que nous allons examiner ici. Nous pourrions implémenter le diviseur de tension pour les RTD de 1 kiloohm que nous envisageons d'utiliser ; cependant, cela ne sera pas aussi amusant ! Avec le RTD de 100 ohms, nous espérons pouvoir voir un diviseur de tension donner une performance bien moindre et montrer pourquoi l'utilisation de topologies alternatives est une bien meilleure idée, malgré leur complexité supplémentaire. À 0°C, nous devrions nous attendre à voir environ 16,5 mA de courant traverser le capteur RTD, le double de ce qui serait l'idéal maximum, et je suis curieux de voir comment cela influence la température détectée.

Le circuit imprimé pour cette mise en œuvre est aussi élémentaire que vous pourriez l'attendre, avec juste deux composants supplémentaires ajoutés par rapport à la carte modèle de projet.

Encore une fois, c'est une très mauvaise idée pour une mise en œuvre de RTD. Il va générer trop de chaleur lui-même pour pouvoir utiliser sa précision et ses tolérances. Laissez les diviseurs de tension simples aux dispositifs de type thermistance.

Mise en œuvre RTD : Pont de Wheatstone Basique

L'une des méthodes les plus précises pour mesurer la résistance consiste à utiliser un pont de Wheatstone. Un pont de Wheatstone utilise deux branches équilibrées dans un circuit en pont pour mesurer la résistance inconnue d'une résistance dans l'une des quatre branches. Si cette résistance inconnue est un dispositif tel qu'un capteur RTD, nous pouvons effectuer une mesure extrêmement précise de la résistance de ce dispositif. Ce circuit fournit un changement de tension à mesure que la résistance change, permettant à un microcontrôleur ou à un autre dispositif de surveillance de mesurer la résistance de l'élément inconnu - le RTD dans ce cas.

Je prévois d'utiliser un microcontrôleur sur les cartes hôtes que nous construirons plus tard dans cette série. Elles disposeront d'entrées différentielles et d'un CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) 16 bits connecté à ces broches. Cela signifie que nous pouvons connecter directement le pont de Wheatstone aux entrées CAN différentielles du microcontrôleur. Cela ne nous fournira pas autant de précision qu'un pont de Wheatstone amplifié dont nous discuterons plus tard dans cet article. Cependant, cela signifie que nous n'introduirons pas non plus d'erreur liée à l'amplificateur ou de biais dans le système, ce qui réduit les exigences de test et de calibration en usine de l'appareil. Cela nous donnera également l'occasion d'examiner la sortie brute d'un pont de Wheatstone avec un capteur RTD.

Si la résolution de la sortie est suffisante pour l'application, et qu'un CAN avec entrées différentielles est disponible, c'est une mise en œuvre simple. Avec l'ajout d'un amplificateur opérationnel ou d'un amplificateur d'instrumentation, la sortie de tension différentielle du pont de Wheatstone peut être augmentée, fournissant une tension plus utilisable qui est plus adaptée à la résolution typique des CAN, et compatible avec les CAN qui n'ont pas d'entrées différentielles.

Le pont de Wheatstone aura zéro volt à travers les sorties lorsqu'il est parfaitement équilibré. Étant donné qu'il s'agit d'un circuit équilibré, nous devrons utiliser des résistances de haute précision pour y parvenir. De plus, comme cela est utilisé comme capteur de température, nous devons utiliser des résistances à faible coefficient de température pour minimiser les erreurs. Toutes les résistances que j'utilise ont une tolérance de 0,1 % et un coefficient de température de 25 ppm/°C.

Pour un RTD, configuré comme décrit ci-dessus, cela signifie que le pont est équilibré à une température de 0°C, car les deux côtés du pont ont le même potentiel à 0°C. À la température maximale de détection du capteur, aux alentours de 150°C, nous devrions nous attendre à voir une différence de potentiel d'environ 0,344 V. À la température minimale de détection de -50°C, nous devrions voir une différence de potentiel d'environ -0,106 V. Gardez à l'esprit que ces valeurs de tension sont relatives l'une à l'autre ; nous ne créons pas réellement un potentiel de tension négative lorsqu'il est référencé à la terre. Vous verrez que c'est une plage de tension très faible. Une plage plus grande pourrait être obtenue en utilisant des valeurs de résistances plus petites sur la partie « supérieure » du pont. Cependant, cela dépasserait la quantité de courant que nous voulons faire circuler à travers le RTD. L'ajout d'une résistance supplémentaire en série avec l'alimentation de 5 V pourrait contrer cela en réduisant le flux de courant global.

Même avec ce faible changement de tension sur la plage de détection de température, l'ADC dans le NXP Kinetis que je cherche à utiliser sur les cartes hôtes devrait encore fournir des pas d'environ 0,02°C pour la résolution de l'ADC. C'est une résolution suffisante pour la plupart des applications pratiques.

Vous avez peut-être remarqué que j'alimente ce circuit avec 5 V plutôt qu'avec les 3,3 V propres que nous avons utilisés pour tout le reste. Utiliser l'alimentation 5 V provenant du port USB qui alimente la carte nous donne une plage de tension un peu plus large en sortie. Comme le pont de Wheatstone est équilibré, tout bruit de mode commun est automatiquement rejeté par le circuit, donc avoir un peu de bruit présent sur l'alimentation provenant de l'USB n'est pas un énorme problème, même sans avoir beaucoup de filtrage embarqué.

Vous avez peut-être aussi remarqué que cette carte a un ordre différent pour les canaux analogiques ; il était juste plus facile de placer ces sorties analogiques sur une nouvelle pile puisque nous allons avoir plus de dix entrées analogiques vers le microcontrôleur. Cela ne fait aucune différence si les entrées sont dans un ordre différent de l'ordre dans l'article.

Pour ce PCB, j'ai placé les autres éléments résistifs du pont de l'autre côté de la coupure thermique sur la carte. Je ne m'attends pas à ce que la chaleur générée par ces composants influence la température détectée, et cela permet de garder les cartes cohérentes avec le composant de détection de température étant toujours seul à l'intérieur de la coupure thermique.

Implémentation RTD : Amplificateur opérationnel avec compensation d'erreur

Alors, que faire si votre microcontrôleur ne dispose pas d'un CAN différentiel, ou peut-être même qu'il ne possède pas de CAN haute résolution ? Pour obtenir la plus haute précision de mesure, je préfère utiliser un convertisseur analogique numérique de 24 bits ou plus avec un amplificateur à gain programmable intégré. Nous examinerons cette option plus tard dans cet article.

Alors qu'un pont de Wheatstone est une excellente manière de mesurer une résistance inconnue, la RTD présente tout de même une certaine non-linéarité, qui affectera les mesures. Il existe une alternative, un schéma à faible coût, que nous pouvons utiliser pour mesurer la résistance de la RTD et également linéariser la sortie du capteur pour fournir une mesure plus précise. Dans ce circuit présenté ci-dessous, R4 fournit une tension d'excitation de juste moins de 1 mA à notre RTD (R5). Pour linéariser la sortie, R3 fournit un courant d'excitation qui augmente à mesure que la température monte, ce qui aide à compenser toute non-linéarité de l'élément RTD.

Les composants choisis pour ce schéma sont destinés à fournir une sortie de 1,65 V à 0°C ; cependant, nous obtiendrons une valeur réelle légèrement différente en raison de la nécessité d'utiliser des composants à valeur standard. L'objectif est de fournir environ 25 mV/°C de gain, donc à la plage de détection maximale du capteur de 150°C, nous maximisons la plage de tension d'entrée pour l'ADC du microcontrôleur en fournissant un signal de 3,3 V. En réalité, nous obtiendrons une tension d'entrée d'environ 3,27 V à 150°C en utilisant des composants du monde réel.

Ce circuit devrait nous fournir une erreur de température très faible sur toute la plage de fonctionnement du capteur.

L'amplificateur opérationnel utilisé dans ce circuit nécessite une alimentation négative pour pouvoir détecter et sortir sur toute la gamme de températures que nous allons mesurer. De nos jours, les tensions négatives sont souvent considérées comme quelque peu « effrayantes » pour les ingénieurs nouveaux ou moins expérimentés, mais elles sont vraiment faciles à générer si vous avez seulement besoin de fournir une petite quantité de courant, comme c'est le cas ici. Dans des articles de projets précédents, j'ai utilisé le dispositif TPS60403 avec de très bons résultats, et je vais l'utiliser à nouveau ici car c'est une manière si simple de générer une tension négative.

Cela nous donne une petite carte de circuit qui a vraiment l'air de vouloir faire quelque chose, comparée à certaines de nos autres cartes qui n'ont que quelques résistances dessus.

Mise en œuvre de la RTD : Amplificateur d'instrumentation avec compensation linéaire

Alors que le circuit ci-dessus est une excellente option pour mettre en œuvre une RTD linéarisée à faible coût, nous pouvons aller un peu plus loin avec juste un petit surcoût. En changeant l'amplificateur opérationnel pour un amplificateur d'instrumentation, nous pouvons tamponner l'entrée à moindre coût que si nous avions ajouté un amplificateur tampon à l'amplificateur opérationnel. L'amplificateur d'instrumentation a une impédance d'entrée très élevée de sorte qu'il ne biaisera pas la mesure du capteur de manière quantifiable.

Notre circuit est très similaire au design précédent, avec R3 fournissant un courant de polarisation à la RTD (R5) qui augmente à mesure que sa température augmente. R4 fournit un courant d'excitation nominal d'environ 0,9 mA, qui, comme mentionné précédemment, se trouve dans la région correcte pour une RTD.

Comme dans la mise en œuvre précédente, nous devons également générer une tension d'alimentation négative pour l'amplificateur d'instrumentation. Nous allons garder les choses simples et utiliser le même circuit d'alimentation en tension négative pour cette mise en œuvre que celui utilisé pour l'amplificateur opérationnel.

Implémentation RTD : Pont de Wheatstone numérisé

Le circuit amplifié discuté ci-dessus est un excellent moyen de voir et de comprendre ce qui se passe, mais le nombre de résistances et d'amplificateurs supplémentaires nécessaires introduira des erreurs et des biais supplémentaires dans notre mesure. Un amplificateur à gain programmable pour un convertisseur analogique-numérique (PGA-ADC) est essentiellement le même circuit qui est disponible dans un seul boîtier complet avec un ADC. Cependant, il a l'avantage d'être ajusté et compensé en usine, offrant une amplification et une conversion plus précises. En mettant cela en œuvre nous-mêmes en utilisant plusieurs composants discrets, nous nous retrouvons avec une accumulation de tolérances qui, dans un monde idéal, serait imperceptible. Mais potentiellement, cela pourrait être moins que parfait, selon les valeurs des résistances que nous associons avec quel type d'amplificateur.

Le pont de Wheatstone numérisé est essentiellement le même circuit que nous avons utilisé avec l'implémentation de base du pont, sauf que le condensateur de découplage entre les sorties du pont a été retiré. À la place, un condensateur sera installé dans la section de filtrage de l'entrée de l'ADC. Le pont n'est également plus connecté directement à la terre puisque l'ADC dispose d'un commutateur interne le reliant à la terre. Cela garantit que toutes nos connexions se terminent à l'ADC. J'ai également ajouté un condensateur de découplage, C6, entre l'alimentation 5 V et la terre du pont.

J'utilise le dispositif Texas Instruments ADS1220IPWR, qui est mon choix privilégié pour les ponts de Wheatstone en tant que PGA-ADC. C'est un ADC de 24 bits, ce qui offre une résolution bien supérieure à celle dont nous avons besoin pour cette application. Cependant, j'ai pensé qu'il serait intéressant de regarder les données à pleine résolution qu'il peut fournir. Bien que la fiche technique contienne plusieurs exemples de mise en œuvre pour l'utilisation de connexions à deux, trois et quatre fils pour un RTD, nous n'allons utiliser aucune de ces configurations pour cet exemple. Pour les besoins de ce projet, nous allons simplement connecter les sorties différentielles du pont de Wheatstone directement aux entrées. Comme les exemples de mise en œuvre sont bien documentés dans la fiche technique de l'ADS1220, je ne vois aucun avantage à les redémontrer ici. Au lieu de cela, je suis plus intéressé par montrer les lectures issues directement du pont de Wheatstone brut pour permettre une comparaison directe avec les circuits précédemment discutés. De cette façon, nous pouvons comparer et contraster leur efficacité.

Le schéma pour l'ADC est assez typique pour une connexion à un pont de Wheatstone. Nous utiliserons l'interrupteur interne pour connecter REFN1 à la terre, avec l'ADC alimenté par 5 V (AVDD) et également pourvu d'une entrée de référence de 5 V (REFP1). Les changements de température que nous ferons subir à la carte n'incluront pas de changements ou de fluctuations de température instantanés substantiels, donc nous pouvons mettre en œuvre un filtre raisonnablement agressif pour rejeter tout bruit en mode commun.

Pour cette mise en œuvre, je maintiens les deux lignes de sélection de puce. Lorsque j'ai utilisé l'ADS1120 dans le passé, j'ai trouvé que l'interruption provenant de la broche DRDY était très utile pour notifier au microcontrôleur quand il peut prendre une lecture. Utiliser cette fonctionnalité est beaucoup plus facile que de sonder continuellement l'ADC avec l'équivalent de "Sommes-nous arrivés ? Sommes-nous arrivés ?". La broche DRDY nous permet de prendre la lecture de l'ADC dès qu'une conversion est terminée, assurant que l'horodatage des données sera aussi précis que possible. La ligne de sélection de puce pour la broche DRDY sera simplement connectée à une ligne d'entrée d'interruption sur le microcontrôleur que nous utilisons pour cet appareil.

Une alternative moins coûteuse à l'ADS1220 est la série ADS1120, qui possède le même agencement de broches et les mêmes fonctionnalités mais ne dispose que d'une résolution de 16 bits. Un CAN amplifié de 16 bits comme cette série d'appareils sera plus que suffisant pour les applications typiques de détection de température et dépassera de loin les capacités du détecteur.

Autres options : CI convertisseur RTD

En plus de mesurer la température en lisant une tension issue d'un diviseur de tension ou d'un pont de Wheatstone, nous pouvons également utiliser un amplificateur de capteur de température comme ceux que nous examinerons pour une utilisation avec des thermocouples. Ces CI vous fourniront une sortie de température numérique plutôt qu'un niveau de tension, et intègrent généralement tout le circuit d'amplification et de compensation nécessaire pour fournir la mesure de température la plus précise que le capteur peut délivrer. Le coût de cette option peut être un facteur significatif, mais il en va de même pour l'utilisation d'un PGA-ADC, comme discuté ci-dessus. Utiliser un PGA-ADC offre une meilleure expérience d'apprentissage et de démonstration pour cet article, c'est pourquoi nous n'examinerons pas en détail un CI convertisseur RTD.

Résumé

Malgré la construction de quatre cartes de circuits différents pour cet épisode de notre série sur les capteurs de température, nous n'avons fait qu'effleurer certaines des nombreuses façons différentes d'utiliser un capteur RTD. Avec des capteurs à deux, trois et quatre fils à considérer, ainsi que la possibilité de mettre en œuvre ces schémas avec des capteurs montés sur carte, il existe une large gamme de façons différentes d'interfacer avec un RTD. Les RTD figurent parmi les capteurs de température les plus polyvalents disponibles, avec une excellente précision et des valeurs de tolérance, ainsi qu'une énorme plage de détection de température disponible avec certains dispositifs.

Comme je l'ai dit à plusieurs reprises, le Texas Instruments ADS1220 est l'un de mes ADC haute résolution préférés. Supposons que vous soyez intéressé par voir certaines autres topologies pour mesurer la température à l'aide de RTD. Dans ce cas, la fiche technique ADS1220 présente des implémentations pour tous les différents câblages d'un RTD, que vous pourriez adapter à vos propres besoins en ADC/amplification si le dispositif ADS1220 dépasse le budget de votre projet.

Vous pouvez trouver les détails de chacun de ces circuits de test avec toutes les autres implémentations de capteurs de température sur GitHub. Ces cartes sont publiées sous la licence open-source MIT, donc vous êtes libre de les construire vous-même, d'implémenter leurs circuits dans vos propres projets ou de les utiliser de la manière que vous souhaitez.

Assurez-vous de jeter un œil aux autres projets de cette série si vous êtes intéressé par les capteurs de température, car vous pourriez trouver une alternative moins chère à l'utilisation d'un RTD ou une autre option qui pourrait fonctionner pour votre projet. À la fin de cette série, vous verrez une comparaison entre tous les différents types de capteurs, afin que vous puissiez comparer directement comment les différentes implémentations de capteurs se comportent dans des conditions variées les unes par rapport aux autres.

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