次のプロジェクトでサーミスタを使用する方法

サーミスタは、電子プロジェクトで使用する可能性のあるすべての主要な温度センサーのタイプを見ていくシリーズの最終センサータイプです。このシリーズでは、プロジェクトでさまざまな温度センサーを実装する方法について見てきました。シリーズの最後には、実際の条件を使用してセンサーと実装を頭ごなしの競争に出します。この実世界でのテストを通じて、さまざまなセンサーがどのように振る舞い、変化する条件にどのように反応するか、また、感知した温度の出力がどれだけ線形で正確かについて、より良い理解を得ることができます。

このプロジェクトの設計ファイルは、他のすべてのプロジェクトと同様に、オープンソースのMITライセンスの下でGitHubに公開されています。商用プロジェクトであっても、回路やプロジェクトを自由に使用することができます。

温度センサーは多くの産業にとって不可欠であり、サーミスタはそれらの中でも特にそうです。サーミスタは非常に正確であり、感知温度の範囲が広いため、多くの産業用サーモスタット、プロセス制御、監視アプリケーションに理想的です。このシリーズでは、さまざまなセンサータイプとそれらを最適に使用する方法を見ていきます。次のような内容を見ていきます：

• 負温度係数（NTC）サーミスタ
• 正温度係数（PTC）サーミスタ
• 抵抗温度検出器（RTD）
• アナログ温度センサIC
• デジタル温度センサIC
• 熱電対

以前、この温度センサに関するシリーズの導入で、2つのプロジェクトテンプレートを構築しました。これらのプロジェクトテンプレートはそれぞれ同じインターフェースとコネクタの配置を持っており、私たちが見ているさまざまな温度センサーすべてに対して標準的なテストセットアップを持つことができます。これらのプロジェクトの1つはデジタル温度センサー用に、もう1つはアナログ温度センサー用に設計されています。この記事では、両方を使用し、デジタルプロジェクトテンプレートを高解像度ADC用に、アナログテンプレートを他のすべての実装用に使用します。

このシリーズの結論として、これらのセンサーカード用に2つのホストボードを構築します。1つは検証目的で単一のカードをテストするために設計され、もう1つはカードのスタックにインターフェースするために設計されます。この2番目のホストボードは、複数のセンサーを搭載した後、すべてのセンサー実装のパフォーマンスを評価する際に使用されます。

熱電対

もし、これまで見てきたセンサーでは測定できない極端な温度を測定したい場合、サーモカップルを探しているかもしれません。サーモカップルは、これまで見てきた他のセンサーとは全く異なる方法で動作し、抵抗の変化を測定するのではなく、異なる合金の金属を溶接して生成される電位差（電圧）から測定します。これにより、適切なサーモカップルを使用すれば、絶対零度から鉄や鋼の融点を超える温度まで測定することができます。サーモカップルは構造も非常に頑丈で、このプロジェクトで見てきた他のセンサーほど簡単には壊れません。サーモカップルは抵抗温度検出器ほど正確ではありませんが、特に広範囲な温度範囲を考慮すると、ほとんどのアプリケーションに対して十分な精度を提供します。

サーモカップルが温度から電気を生成するという事実は、電源として宇宙探査においても価値があります。放射性熱源の周りに数千のサーモカップルを直列に配置することで、放射性同位体熱電気発電機が作られ、これはボイジャー探査機、カッシーニ、ニューホライズンズ、そして火星のキュリオシティローバーなどの深宇宙ミッションに使用されました。

私たちの目的において、正極にニッケルクロムを、負極にニッケルアルミニウムを使用したK型熱電対は、最も一般的で最も安価な熱電対のタイプであり、私たちが使用するものです。K型熱電対を使用すると、-270℃から約1372℃までの温度を測定でき、それぞれ-6.458mVから54.886mVを生成します。ご覧の通り、この広い温度範囲を通じて生成される電圧の量はかなり少ないため、この微小な電圧から温度を測定するためにはいくつかの回路が必要になります。最大温度まで耐えられるK型熱電対がすべてそうであるわけではないことに注意する価値があります。非常に低コストのK型熱電対の多くは、絶縁体が劣化する前に500〜700℃しか扱えないかもしれません。低コストの低温K型熱電対と高コストの高温K型熱電対の実装は、基本的に同じになることが多いですが、私たちが読み取っているのは熱接合部が提供する電圧ポテンシャルであるためです。それにもかかわらず、すべての金属が同じように作られているわけではなく、より安価な熱電対は純度の低い金属を使用していたり、他の近道をしていることがあり、より高価なオプションの方が良い選択となることがあります。

サーモカップルの性能を超えて、期待される精度を確保するためにサーモカップルを使用する際に考慮すべき他の点があります。測定エリアから熱を遠ざけない限り、可能な限り大きなワイヤー径をサーモカップルに使用するべきです。私は、ダイカストや熱処理アプリケーションに最適な、キャストセラミックセクションで絶縁された8ゲージワイヤーを持つMcMaster CarrからのK型サーモカップルを使用してきました。太いワイヤーは、より低いワイヤー抵抗を可能にし、より正確な測定を提供するだけでなく、ワイヤーの破壊の可能性も減少させます。機械的ストレスと振動は、サーモカップルのリードをすぐに損傷させる可能性があるため、サーモカップルは可能な限り両方から隔離されるべきです。長いサーモカップルワイヤーを使用する場合は、干渉からの免疫性を向上させるために、遮蔽されたツイストペアの延長を使用してください。これにより、ホットジャンクションによって生成される小さな電圧を正確に読み取ることがより困難になる可能性があります。延長ワイヤーを使用する場合、延長とサーモカップルの接続は、その延長とサーモカップルの間のインターフェースであるコールドジャンクションが位置する温度変換ICの温度にできるだけ近いべきです。

サーミスタからの温度を正確に読み取ることは、電圧を増幅することほど単純ではありません。しかし、正確な測定を得るためには、測定の参照点となるいわゆる冷接点も必要です。サーミスタを基板や延長線に接続すると、2つの異なる金属間の接続が生じます。したがって、「冷接点」で2つの熱電対接合部を作成しています - 温度を感知しているサーミスタの端が「熱接点」です。

冷接点補償を行う方法はいくつかありますが、PCBには実用的ではないものがほとんどです。サーミスタ変換ICが使用する方法のほとんどは、ICの温度を接合部温度のオフセットとして使用することです。したがって、サーミスタのコネクタが変換ICに近く、変換ICと同じ温度であることが正確な測定には重要です。このプロジェクトでは、変換ICを使用したサーミスタのみを見ていきます。これにより、追加のコンポーネントを追加してマイクロコントローラのコードで冷接点補償を行うことに比べて、高いコストをかけずにプロセスを大幅に簡素化できます。エンジニアリングやテスト時間も省けます。

このプロジェクトでは、Kタイプのサーミスタを読み取る2つのサーミスタアンプを実装します。

サーミスター実装: MAX31855

これはおそらく最も人気のあるサーモカップルインターフェースICで、各サーモカップルタイプごとに異なるICモデルがあります。MAX31855はK、J、N、T、S、R、Eタイプのサーモカップルをサポートしており、実際に遭遇する可能性のあるものはすべてカバーしています。MAX31855の後の文字サフィックスはサーモカップルのタイプを示しているので、このプロジェクトではKタイプのサーモカップルを使用するためにMAX31855Kを使用しています。MAX31855には内部に14ビットADCがあり、その読み取り値をSPIバス経由で通信します。最高1800Cまでの高温と、最低270cまでの低温を読み取る能力があるにもかかわらず、ADCは-200cから+700cの間でKタイプのサーモカップルに対して0.25cの解像度と+/- 2Cの精度を提供します。上述のように、サーモカップルで正確な測定を行うためには、コールドジャンクション補償が不可欠であり、MAX31855はこれをサーモカップルの出力の信号調整とともに透過的に処理します。

MAX31855はSPIを使用しますが、読み取り専用デバイスであるため、MOSIピンを使用せず、統合回路には3本のデータラインのみが必要です。他のSPIデバイスを使用している場合によっては、マイクロコントローラのピンを節約したり、少なくともサーミスタからデジタルコンバータICへの配線を容易にすることができます。通信プロトコルについて話しているので、実用的な経験から、MAX31855に対して急速な変換要求を行うべきではないことがわかります。そうすると、誤った結果が生成される可能性が高くなります。私の経験では、信頼性の高いデータを得るために、1秒間に4回の要求が安全な温度要求速度であると考えています。

MAX31855の実装は非常にシンプルで、必要なのは2つの受動部品とマイクロコントローラのSPIポートのみです。このセンサーは、サーミスタの出力電圧をデジタル温度読み取りに直接変換するため、マイクロコントローラとの実装が非常に迅速かつ簡単になります。

私は、RGBW照明コントローラで使用したのと同じシリーズのAVX製の低プロファイルポークホームタイプのワイヤーからボードへのコネクタを使用して、サーミスタを接続しています。このコネクタは、その低い高さがボードの積み重ねを妨げず、また、サーミスタを確実に接続するための非常に簡単な方法を提供するため、これらのテストボードに理想的です。

このボード設計では、様々なテストクーポンボード間で測定温度を一貫して保つために、熱ブレークをそのままにしておきます。サーミスタのホットジャンクションを、他のセンサーが配置されているのと同じ場所に、カプトンテープで固定します。この配置により、シリーズ内の他のテストボードに対して一貫した測定が得られるはずです。

前述の通り、コネクタは変換ICにできるだけ近い位置になければなりません。したがって、二つは互いに隣接して配置され、サーミスタのデカップリングキャパシタがその間に配置されています。

サーミスタの実装：AD8495

Analog Devicesからは、内蔵の冷接点補償機能を持つ計測用アンプが提供されています。このデバイスからの出力はアナログであるため、マイクロコントローラをバックアップする温度制限や安全アプリケーション、または純粋にアナログ回路で使用することができます。出力はマイクロコントローラで読み取ることができますが、5mV/°Cの出力では、温度を正確に読み取るために外部の高ビット数ADCを使用したいと思うでしょう。

AD849xシリーズのサーモカップルアンプは単一の電源で動作しますが、サーモカップルの電圧が負になるゼロ度以下の温度も読み取ることができます。AD8495は最大5mAの電流を負荷に供給できますが、これにより自己発熱が生じ、シリーズの以前の記事で議論されたように、不正確な読み取りにつながります。この場合、サーモカップルの温度ではなく、冷接点の温度、そしてそれゆえに冷接点温度補償が問題となります。AD8495を使用するアプリケーションでわずかな電流以上が必要な場合は、電流を供給し、AD8495の出力に高インピーダンス入力を提供するために、電圧フォロワーを使用するべきです。AD849xの計測アンプ実装は、長いサーモカップルケーブルから拾うことができるノイズに対する優れたコモンモード除去を提供します。

このプロジェクトで使用しているAD8495は、0°Cから50°Cの間での動作に最適化されていますが、K型サーモカップルの全範囲を読み取ることができます。AD8494はJ型サーモカップルに対して同じ温度範囲を持っています。冷接点/コンバータの動作範囲に高温度が必要な場合、AD8496とAD8497はそれぞれJ型およびK型サーモカップルに対して25°Cから100°Cの最適化された動作範囲を提供します。

プロジェクトで非常に高温を扱う場合、マイクロコントローラーに何が起こっても機能する安全機能を追加したいと考えるかもしれません。その場合、AD8495をアナログコンパレーターと組み合わせて、加熱要素へのシャットオフを提供することができます。デジタル出力はシンプルで正確な読み取りを可能にしますが、デバイスの二次（または主要）安全機能にアナログ出力が必要な場合もあります。

AD8495の実装はMAX31855ほど単純ではありません。負の温度を読み取るためには、単一の電源を使用し、センサーの全範囲にわたって正の電圧出力を得たい場合、信号に直流バイアスを提供する必要があります。出力電圧は次のように定義されます：

したがって、100°Cは出力電圧を0.5V増加させることがわかります。このサーモカップルの実装では、サーモカップルがコンバータICを搭載した回路基板に取り付けられるため、K型サーモカップルが極端な温度と考えることはありません。1.25Vのバイアスを提供することで、0°Cを1.25Vと等しくし、-250°Cから410°Cまでの温度を測定できますが、これらはいずれもコンバータICとそれが取り付けられた基板の能力を超えます。低い基準電圧を使用することもできます。しかし、データシートに反して行動しており、1.25Vは私にとって非常に便利です。

基準電圧を提供するために、データシートは電圧分割器を直接使用することを推奨せず、代わりにオペレーショナルアンプやバッファアンプを使用して分割器の電圧をRefピンにバッファすることを推奨しています。コストを比較すると、1.25V MAX6070電圧リファレンスはより安価で、より正確な解決策であり、私のライブラリ内のすべての電圧リファレンスの中で最も低い電圧出力です。

実装された回路図は、冷接点補償付きのサーミスタアンプにとってはまだ比較的シンプルですが、デジタルコンバータほどシンプルではありません。REFピンについて興味深いと感じるのは、ここで単に電圧リファレンスや電圧分割器を使用するだけでなく、サーミスタの微調整を提供し、高精度の校正回路を望む場合には、抵抗分割器にポテンショメータを追加することもできる点です。

回路基板はMAX31855と非常に似ており、サーミスタコネクタとデカップリングキャパシタが隣り合って配置されており、良好な冷接点補償リファレンスを提供します。MAX31855と同様に、他のセンサータイプをこのシリーズで見てきたのと同じ位置に、サーミスタのホットジャンクションをPCBにカプトンテープで取り付けます。

サーミスタRFフィルタ

もしサーミスタを不利なRF/EMI環境で使用する予定がある場合は、サーミスタラインにシンプルなRCフィルタを追加することを検討してください。ただし、このプロジェクトで作成するPCBにはこれを追加しませんが、サーミスタが産業やプロセス監視アプリケーションで広く使用されていることを考えると、言及する価値があると感じます。

結論

これらのテスト回路基板の詳細は、他の温度センサー実装と共にGitHubで見つけることができます。これらの基板はMITオープンソースライセンスの下で公開されているため、自分で構築すること、プロジェクトでその回路を実装すること、または望むどのような方法でも使用することが歓迎されます。

温度センサーに興味がある場合は、このシリーズの他のプロジェクトもぜひご覧ください。サーミスターや他のオプションを使用するよりも安価な代替品が見つかるかもしれません。このシリーズの最後には、すべての異なるセンサータイプの比較が表示されるので、異なるセンサー実装が相互に比較して、さまざまな条件下でどのように機能するかを直接比較できます。

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