Progetto del sensore di temperatura: Rilevatori di temperatura a resistenza (RTD)

Questa è la quarta parte di una serie in cui esaminiamo tutti i principali tipi di sensori di temperatura che potresti utilizzare in un progetto elettronico. Stiamo guardando i vari modi per implementare questi diversi sensori in un design. Alla fine della serie, metteremo a confronto i sensori e le implementazioni in una competizione testa a testa utilizzando condizioni reali. Questi test nel mondo reale ci daranno una migliore comprensione di come i diversi sensori si comportano e rispondono alle condizioni variabili, così come quanto linearmente e accuratamente possono rilevare la temperatura.

Come per i miei progetti, puoi trovare i file di design di questo progetto rilasciati sotto la licenza open-source MIT su GitHub. Sei libero di utilizzare i circuiti o il progetto come desideri, anche per progetti commerciali. Troverai dettagli sui Detector di Temperatura a Resistenza di cui discutiamo, oltre a una gamma di altri Detector di Temperatura a Resistenza nella mia vasta libreria open-source Altium Designer Library. Troverai anche dettagli su tutti gli altri tipi di sensori di temperatura e un'enorme gamma di diversi componenti contenuti in questa libreria.

In questa parte della serie, stiamo esaminando i Rilevatori di Temperatura a Resistenza (RTD), che sono tra gli elementi di misurazione della temperatura più accurati a cui abbiamo facile accesso. Mi riferisco deliberatamente a "elementi" qui poiché i circuiti integrati e i dispositivi Microelettromeccanici (MEMS), che esamineremo nei prossimi articoli, possono essere più precisi e avere un'uscita più lineare. Il sensore RTD è essenzialmente un tipo di resistore il cui valore varia a un tasso molto preciso al cambiare della temperatura.

I sensori di temperatura sono vitali per molte industrie. Anche sulla tua PCB, un sensore di temperatura può essere utilizzato per garantire l'accuratezza dei dati ricevuti da altri sensori, così come per aiutare a proteggere la tua scheda dal surriscaldamento. In questa serie, esamineremo una gamma di diversi tipi di sensori e come utilizzarli al meglio. Esamineremo:

• Termistori a Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC)
• Termistori a Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)
• Rilevatori di Temperatura a Resistenza (RTD)
• Sensori di Temperatura Analogici a Circuito Integrato
• Sensori di Temperatura Digitali a Circuito Integrato
• Termocoppie

Nell'introduzione a questa serie sui sensori di temperatura, abbiamo creato due modelli di progetto, che ci permetteranno di avere un set di test standard per i diversi sensori di temperatura, ognuno con la stessa interfaccia e posizionamento dei connettori. Uno di questi progetti è progettato per i sensori di temperatura digitali, e l'altro è progettato per i sensori di temperatura analogici. In questo articolo, utilizzeremo entrambi, impiegando il modello di progetto digitale per un ADC ad alta risoluzione e il modello analogico per tutte le altre implementazioni.

Costruiremo due schede host per queste schede sensore alla fine della serie, una progettata per testare una singola scheda a scopo di validazione, e l'altra progettata per interfacciarsi a un insieme di schede. Questa seconda scheda host, con più sensori montati su di essa, è quella che utilizzeremo quando valuteremo le prestazioni di tutte le implementazioni dei sensori l'una contro l'altra.

Rilevatori di Temperatura a Resistenza (RTD)

I rilevatori di temperatura a resistenza, o RTD abbreviato, hanno un'implementazione simile a un termistore, ma sono generalmente più accurati. Mentre un termistore con una precisione dell'1% è considerato preciso e accettabile, un sensore RTD con una tolleranza dello 0,1% non è raro. I costi sono significativamente più alti per un sensore RTD rispetto a un termistore, ma questo è il compromesso per avere una migliore precisione. Oltre alle tolleranze più strette dell'RTD rispetto ai termistori che abbiamo esaminato nell'articolo sui Termistori NTC, un sensore RTD ha anche una curva di temperatura molto più lineare, il che rende l'utilizzo della resistenza misurata molto più semplice da implementare.

I rilevatori di temperatura a resistenza basati su nichel tendono ad avere una temperatura massima di rilevamento inferiore rispetto ai loro omologhi in platino. I rilevatori in platino sono capaci di misurare ben oltre il punto di fusione della saldatura, quindi si tende a trovare che, per applicazioni ad alta temperatura, questi vengono montati su un cavo utilizzando connessioni crimpati o incorporati in un dispositivo a sonda, piuttosto che semplicemente come un componente montato in superficie. Molti rilevatori di temperatura a resistenza possono anche funzionare abbastanza bene all'estremità inferiore della gamma, con una quantità significativa di opzioni sul mercato per temperature operative ben al di sotto di quelle che generalmente si trovano nell'ambiente naturale. I componenti RTD montati in superficie avranno tipicamente solo un intervallo di temperatura operativa simile alla maggior parte degli altri componenti montati in superficie (circa -55°C a 175°C). Tuttavia, i componenti RTD montati su piombo possono operare all'interno di un intervallo da -200°C a 850°C.

A differenza dei termistori, che definiscono la resistenza a 25°C come la loro resistenza di specifica, i sensori RTD utilizzano la resistenza a 0°C come la loro resistenza di specifica.

Come per i termistori, ridurre la corrente attraverso il rilevatore è fondamentale per garantire di poter misurare la temperatura precisa accuratamente, senza influenzare il risultato attraverso gli effetti di auto-riscaldamento. Tipicamente, si desidera mantenere la corrente che fluisce attraverso un RTD tra 0,1 mA e 1,5 mA. Gli RTD tendono ad avere valori di resistenza molto più bassi rispetto a un termistore, quindi il flusso di corrente più elevato può causare un grave problema di auto-riscaldamento se non controllato. Questo significa che molto probabilmente sarà necessario impiegare un metodo alternativo all'uso di un semplice partitore di tensione per effettuare una lettura accurata.

Implementazione del Sensore RTD: Divisore di Tensione

Un circuito semplice come un divisore di tensione non è consigliato per l'uso con un sensore RTD. La bassa resistenza del rilevatore significa che si verificherà un piccolo effetto di auto-riscaldamento che renderà le tue misurazioni inaccurate, specialmente quando si utilizza un sensore da 100 ohm come quello che stiamo per esaminare qui. Potremmo implementare il divisore di tensione per gli RTD da 1 kiloohm che stiamo cercando di utilizzare; tuttavia, questo non sarà così divertente! Con l'RTD da 100 ohm, speriamo di poter vedere un divisore di tensione fornire una prestazione molto più scarsa e mostrare perché l'utilizzo di topologie alternative è un'idea molto migliore, nonostante la loro maggiore complessità. A 0°C, dovremmo aspettarci di vedere circa 16,5 mA di corrente che scorre attraverso il sensore RTD, il doppio di quello che sarebbe l'ideale massimo, e sono curioso di vedere come questo influisce sulla temperatura rilevata.

La scheda del circuito per questa implementazione è semplice come ci si potrebbe aspettare, con solo due componenti aggiuntivi rispetto alla scheda modello del progetto.

Di nuovo, questa è un'idea davvero pessima per un'implementazione RTD. Genererà troppo calore da sé per poter sfruttare la sua precisione e tolleranze. Lasciate i semplici partitori di tensione ai dispositivi di tipo termistore.

Implementazione RTD: Ponte di Wheatstone di Base

Uno dei modi più accurati per misurare la resistenza è utilizzare un ponte di Wheatstone. Un ponte di Wheatstone utilizza due gambe bilanciate in un circuito a ponte per misurare la resistenza sconosciuta di una resistenza in una delle quattro gambe. Se questa resistenza sconosciuta è un dispositivo come un sensore RTD, possiamo effettuare una misurazione estremamente accurata della resistenza di quel dispositivo. Questo circuito fornisce un cambiamento di tensione man mano che la resistenza cambia, permettendo a un microcontrollore o altro dispositivo di monitoraggio di misurare la resistenza dell'elemento sconosciuto - l'RTD in questo caso.

Sto pianificando di utilizzare un microcontrollore sulle schede host che costruiremo più avanti in questa serie. Queste avranno ingressi differenziali e un ADC a 16 bit collegato a quei pin. Ciò significa che possiamo collegare direttamente il ponte di Wheatstone agli ingressi ADC differenziali del microcontrollore. Questo non ci fornirà tanta precisione quanto un ponte di Wheatstone amplificato di cui discuteremo più avanti in questo articolo. Tuttavia, significa che non introdurremo nell' sistema errori o bias legati all'amplificatore, riducendo così i requisiti di test e calibrazione in fabbrica del dispositivo. Ciò ci darà anche l'opportunità di esaminare l'output grezzo di un ponte di Wheatstone con un sensore RTD.

Se la risoluzione dell'output è sufficiente per l'applicazione, e un ADC con ingressi differenziali è disponibile, questa è un'implementazione semplice. Con l'aggiunta di un amplificatore operazionale o di un amplificatore strumentale, il voltaggio differenziale in uscita dal ponte di Wheatstone può essere aumentato, fornendo un voltaggio più utilizzabile che è più adatto alla risoluzione tipica degli ADC, e compatibile con gli ADC che non hanno ingressi differenziali.

Il ponte di Wheatstone avrà zero volt attraverso gli output quando è perfettamente bilanciato. Poiché è un circuito bilanciato, dovremo utilizzare resistori ad alta precisione per ottenere ciò. Inoltre, poiché viene utilizzato come sensore di temperatura, dobbiamo usare resistori con un basso coefficiente di temperatura per minimizzare gli errori. Tutti i resistori che sto utilizzando hanno una tolleranza dello 0,1% e un coefficiente di temperatura di 25 ppm/°C.

Per un RTD, impostato come sopra, ciò significa che il ponte è bilanciato a una temperatura di 0°C, poiché entrambi i lati del ponte hanno lo stesso potenziale a 0°C. Alla temperatura massima di rilevamento del sensore, intorno ai 150°C, dovremmo aspettarci di vedere una differenza di potenziale di circa 0,344 V. Alla temperatura minima di rilevamento di -50°C, dovremmo vedere una differenza di potenziale di circa -0,106 V. Tieni presente che questi valori di tensione sono relativi l'uno all'altro; non stiamo effettivamente creando un potenziale di tensione negativo quando riferito a terra. Vedrai che questa è una gamma di tensione molto piccola. Un intervallo più ampio potrebbe essere ottenuto utilizzando valori più piccoli di resistori sulla parte "superiore" del ponte. Tuttavia, fare ciò supererebbe la quantità di corrente che vogliamo far passare attraverso l'RTD. Inserire una resistenza aggiuntiva in serie con l'alimentazione da 5 V potrebbe controbilanciare ciò riducendo la corrente complessiva.

Anche con questo piccolo cambiamento di tensione nell'intervallo di rilevamento della temperatura, l'ADC nel NXP Kinetis che sto cercando di utilizzare sulle schede host dovrebbe comunque fornire passi di circa 0,02°C per la risoluzione dell'ADC. Questa è una risoluzione sufficiente per la maggior parte delle applicazioni pratiche.

Potreste aver notato che sto alimentando questo circuito con 5 V anziché i puliti 3,3 V che abbiamo usato per tutto il resto. Utilizzare l'alimentazione da 5 V dalla porta USB che alimenta la scheda ci dà un po' più di gamma di tensione in uscita. Poiché il ponte di Wheatstone è bilanciato, qualsiasi rumore di modo comune viene automaticamente respinto dal circuito, quindi avere un po' di rumore presente sull'alimentazione dalla USB non è un grosso problema, anche senza avere molto filtraggio a bordo.

Potreste anche aver notato che questa scheda ha un ordine diverso per i canali analogici; era semplicemente più facile mettere queste uscite analogiche su un nuovo stack poiché avremo più di dieci ingressi analogici al microcontrollore. Non fa alcuna differenza se gli ingressi sono in un ordine diverso rispetto all'ordine nell'articolo.

Per questo PCB, ho posizionato gli altri elementi resistivi del ponte sull'altro lato della pausa termica sulla scheda. Non mi aspetto che il calore generato da questi componenti influenzi la temperatura rilevata, e mantiene le schede coerenti con il componente di rilevamento della temperatura che è sempre da solo all'interno della pausa termica.

Implementazione RTD: Amplificatore Operazionale con Compensazione dell'Errore

Quindi, cosa succede se il tuo microcontrollore non dispone di un ADC differenziale, o forse non ha nemmeno un ADC ad alta risoluzione? Per ottenere la massima precisione di misurazione, preferisco utilizzare un convertitore analogico-digitale da 24 bit o superiore con un amplificatore di guadagno programmabile integrato. Esamineremo questa opzione più avanti in questo articolo.

Mentre un ponte di Wheatstone è un modo fantastico per misurare una resistenza sconosciuta, l'RTD presenta comunque una certa non linearità, che influenzerà le misurazioni. Esiste un'alternativa, uno schema a basso costo, che possiamo utilizzare per misurare la resistenza dell'RTD e anche linearizzare l'uscita del sensore per fornire una misurazione più accurata. In questo circuito mostrato di seguito, R4 fornisce una tensione di eccitazione di poco inferiore a 1 mA al nostro RTD (R5). Per linearizzare l'uscita, R3 fornisce una corrente di eccitazione che aumenta man mano che la temperatura sale, il che aiuta a compensare qualsiasi non linearità dell'elemento RTD.

I componenti scelti per questo schema sono intesi a fornire un'uscita di 1,65 V a 0°C; tuttavia, finiremo con un valore effettivo che è leggermente diverso a causa della necessità di utilizzare componenti di valore standard. L'obiettivo è fornire circa 25 mV/°C di guadagno, quindi al massimo intervallo di rilevamento del sensore di 150°C, stiamo massimizzando l'intervallo di tensione di ingresso per l'ADC del microcontrollore fornendo un segnale di 3,3 V. In realtà, otterremo una tensione di ingresso di circa 3,27 V a 150°C quando si utilizzano componenti del mondo reale.

Questo circuito dovrebbe fornirci un errore di temperatura molto piccolo su tutto l'intervallo operativo del sensore.

L'amplificatore operazionale utilizzato in questo circuito necessita di un'alimentazione negativa per poter rilevare e trasmettere su tutta la gamma di temperature che misureremo. Al giorno d'oggi, le tensioni negative sono spesso considerate un po' "spaventose" per gli ingegneri nuovi o meno esperti, ma sono davvero facili da generare se si ha bisogno di fornire solo una piccola quantità di corrente, come nel nostro caso. In precedenti articoli di progetto, ho utilizzato il dispositivo TPS60403 con ottimi risultati, e lo utilizzerò nuovamente qui poiché è un modo così semplice per generare una tensione negativa.

Questo ci dà un bel piccolo circuito stampato che sembra davvero che stia per fare qualcosa, rispetto ad alcuni dei nostri altri circuiti che hanno solo un paio di resistori. 

Implementazione RTD: Amplificatore di Strumentazione con Compensazione Lineare

Mentre il circuito sopra è un'ottima opzione per implementare un RTD linearizzato a basso costo, possiamo andare oltre con una piccola spesa aggiuntiva. Cambiando l'amplificatore operazionale in un amplificatore di strumentazione, possiamo bufferizzare l'ingresso a un costo inferiore rispetto all'aggiunta di un amplificatore buffer all'amplificatore operazionale. L'amplificatore di strumentazione ha un'impedenza di ingresso molto alta in modo che non influenzerà in modo quantificabile la misurazione del sensore.

Il nostro circuito è molto simile al precedente design sopra descritto, con R3 che fornisce una corrente di polarizzazione alla RTD (R5) che aumenta man mano che la sua temperatura aumenta. R4 fornisce una corrente di eccitazione nominale di circa 0,9 mA, che, come accennato in precedenza, si trova nella regione corretta per una RTD.

Come nella precedente implementazione, abbiamo anche bisogno di generare una tensione di alimentazione negativa per l'amplificatore strumentale. Manterremo le cose semplici e useremo lo stesso circuito di alimentazione negativa per questa implementazione che abbiamo usato per l'amplificatore operazionale.

Implementazione RTD: Ponte di Wheatstone Digitalizzato

Il circuito amplificato discusso sopra è un ottimo modo per vedere e capire cosa sta succedendo, ma il numero di resistori e amplificatori aggiuntivi di cui abbiamo bisogno introdurrà errori e bias aggiuntivi nella nostra misurazione. Un amplificatore di guadagno programmabile per un convertitore analogico-digitale (PGA-ADC) è essenzialmente lo stesso circuito che viene fornito in un unico pacchetto completo di un ADC. Tuttavia, ha il vantaggio di essere tarato e compensato in fabbrica, fornendo un'amplificazione e una conversione più precise. Implementando questo noi stessi utilizzando più componenti discreti, finiamo per avere una sovrapposizione di tolleranze che, in un mondo ideale, sarebbe impercettibile. Ma potenzialmente, questo potrebbe essere meno che perfetto, a seconda di quali valori di resistori abbiniamo a quale tipo di amplificatore.

Il ponte di Wheatstone digitalizzato è essenzialmente lo stesso circuito che abbiamo usato con l'implementazione del ponte di base, eccetto che il condensatore di disaccoppiamento tra le uscite del ponte è stato rimosso. Invece, verrà montato un condensatore nella sezione di filtraggio dell'ingresso dell'ADC. Il ponte non è più collegato direttamente a terra poiché l'ADC dispone di un interruttore interno che lo collega a terra. Questo garantisce che tutte le nostre connessioni terminino all'ADC. Ho anche aggiunto un condensatore di disaccoppiamento, C6, tra l'alimentazione a 5 V e la terra del ponte.

Sto utilizzando il dispositivo Texas Instruments ADS1220IPWR, che è il mio PGA-ADC di riferimento per i ponti di Wheatstone. Si tratta di un ADC a 24 bit, che offre una risoluzione molto superiore rispetto a quella necessaria per questa applicazione. Tuttavia, ho pensato che sarebbe stato interessante esaminare i dati a piena risoluzione che può fornire. Sebbene il datasheet contenga diversi esempi di implementazione per l'uso di connessioni a due, tre e quattro fili per un RTD, non utilizzeremo nessuno di questi per questo esempio. Ai fini di questo progetto, collegheremo semplicemente le uscite differenziali del ponte di Wheatstone direttamente agli ingressi. Poiché gli esempi di implementazione sono ben documentati nel datasheet dell'ADS1220, non vedo alcun vantaggio nel ridimostrarli qui. Invece, sono più interessato a mostrare le letture provenienti direttamente dal ponte di Wheatstone grezzo per permettere un confronto diretto con i circuiti precedentemente discussi. In questo modo, possiamo confrontare e contrapporre la loro efficacia.

Lo schema per l'ADC è abbastanza tipico per il collegamento a un ponte di Wheatstone. Utilizzeremo l'interruttore interno per collegare REFN1 a terra, con l'ADC alimentato da 5 V (AVDD) e fornito anche di un ingresso di riferimento da 5 V (REFP1). I cambiamenti di temperatura attraverso i quali faremo passare la scheda non includeranno cambiamenti o oscillazioni di temperatura sostanziali e istantanei, quindi possiamo implementare un filtro piuttosto aggressivo per respingere qualsiasi rumore in modo comune.

Per questa implementazione, sto mantenendo sollevate le due linee di selezione del chip. Quando ho usato l'ADS1120 in passato, ho trovato molto utile l'interruzione dal pin DRDY per notificare al microcontrollore quando può effettuare una lettura. Utilizzare questa funzionalità è molto più semplice che interrogare continuamente l'ADC con l'equivalente di "Ci siamo arrivati? Ci siamo arrivati?". Il pin DRDY ci permette di prendere la lettura dall'ADC non appena una conversione è completata, assicurando che il timestamp sui dati sarà il più accurato possibile. La linea di selezione del chip per il pin DRDY sarà semplicemente collegata a una linea di ingresso di interruzione sul microcontrollore che stiamo utilizzando per questo dispositivo.

Una alternativa più economica all'ADS1220 è la serie ADS1120, che ha lo stesso layout dei pin e le stesse funzionalità ma ha solo una risoluzione di 16 bit. Un ADC amplificato a 16 bit come questa serie di dispositivi sarà più che sufficiente per le tipiche applicazioni di rilevamento della temperatura e supererà di gran lunga le capacità del rilevatore.

Altre Opzioni: IC Convertitore RTD

Oltre a misurare la temperatura leggendo una tensione da un divisore di tensione o un ponte di Wheatstone, possiamo anche utilizzare un amplificatore per sensori di temperatura come quelli che esamineremo per l'uso con termocoppie. Questi IC vi forniranno un'uscita di temperatura digitale piuttosto che un livello di tensione e incorporano tipicamente tutta la circuiteria di amplificazione e compensazione di cui avete bisogno per fornire la misurazione della temperatura più accurata che il sensore può offrire. Il costo di questa opzione può essere un fattore significativo, ma lo è anche il costo dell'uso di un PGA-ADC, come discusso sopra. L'uso di un PGA-ADC offre un'esperienza di apprendimento e dimostrazione migliore per questo articolo, quindi non esamineremo in dettaglio un IC convertitore RTD.

Riassunto

Nonostante abbiamo costruito quattro diverse schede elettroniche per questa puntata della nostra serie sui sensori di temperatura, abbiamo appena sfiorato alcune delle molteplici modalità con cui è possibile utilizzare un sensore RTD. Con sensori a due, tre e quattro fili da considerare, oltre alla possibilità di implementare questi schemi con sensori montati sulla scheda, esiste un'ampia gamma di diversi modi per interfacciarsi con un RTD. Gli RTD sono tra i sensori di temperatura più versatili disponibili, con eccellenti valori di precisione e tolleranza e un enorme intervallo di rilevamento della temperatura disponibile con alcuni dispositivi.

Come ho detto diverse volte, il Texas Instruments ADS1220 è uno dei miei ADC ad alta risoluzione preferiti. Supponi che tu sia interessato a vedere alcune altre topologie per misurare la temperatura utilizzando gli RTD. In tal caso, il datasheet dell'ADS1220 presenta implementazioni per tutti i diversi cablaggi di un RTD, che potresti adattare alle tue esigenze di ADC/amplificazione se il dispositivo ADS1220 è oltre il budget del tuo progetto.

Puoi trovare i dettagli di ciascuno di questi circuiti di prova con tutte le altre implementazioni di sensori di temperatura su GitHub. Queste schede sono rilasciate sotto la licenza open-source MIT, quindi sei libero di costruirle da solo, implementare i loro circuiti nei tuoi progetti o usarle nel modo che preferisci.

Assicurati di dare un'occhiata agli altri progetti di questa serie se sei interessato ai sensori di temperatura, poiché potresti trovare un'alternativa più economica all'uso di un RTD o un'altra opzione che potrebbe funzionare per il tuo progetto. Alla fine di questa serie, vedrai un confronto tra tutti i diversi tipi di sensori, così potrai confrontare direttamente come le diverse implementazioni dei sensori si comportano in condizioni variabili l'una rispetto all'altra.

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