การเพิ่มประสิทธิภาพระบบการวัดอุณหภูมิแบบเทอร์มิสเตอร์: ความท้าทาย

นี่เป็นบทความแรกในชุดสองส่วน บทความนี้จะกล่าวถึงความท้าทายด้านประวัติศาสตร์และการออกแบบของอุณหภูมิที่ใช้เทอร์มิสเตอร์ระบบการวัด ตลอดจนการเปรียบเทียบกับระบบวัดอุณหภูมิความต้านทานเทอร์โมมิเตอร์ (RTD) นอกจากนี้ ยังจะอธิบายตัวเลือกของเทอร์มิสเตอร์ การแลกเปลี่ยนการกำหนดค่า และความสำคัญของตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) แบบซิกมาเดลต้าในพื้นที่การใช้งานนี้ บทความที่สองจะกล่าวถึงรายละเอียดวิธีการปรับให้เหมาะสมและประเมินระบบการวัดที่ใช้เทอร์มิสเตอร์ขั้นสุดท้าย
ตามที่อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้านี้ การปรับระบบเซ็นเซอร์อุณหภูมิ RTD ให้เหมาะสม RTD คือตัวต้านทานที่มีความต้านทานแปรผันตามอุณหภูมิ เทอร์มิสเตอร์ทำงานคล้ายกับ RTD แตกต่างจาก RTD ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกเท่านั้น เทอร์มิสเตอร์สามารถมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกหรือลบได้ เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (NTC) จะลดความต้านทานเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ในขณะที่เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) จะเพิ่มความต้านทานเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น บนรูป รูปที่ 1 แสดงคุณลักษณะการตอบสนองของเทอร์มิสเตอร์ NTC และ PTC ทั่วไป และเปรียบเทียบกับกราฟ RTD
ในแง่ของช่วงอุณหภูมิ กราฟ RTD เกือบจะเป็นเส้นตรง และเซ็นเซอร์ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าเทอร์มิสเตอร์มาก (โดยทั่วไปคือ -200°C ถึง +850°C) เนื่องจากลักษณะของเทอร์มิสเตอร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น (เอ็กซ์โปเนนเชียล) โดยทั่วไป RTD จะมีให้ในเส้นโค้งมาตรฐานที่รู้จักกันดี ในขณะที่เส้นโค้งของเทอร์มิสเตอร์จะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต เราจะหารือเรื่องนี้โดยละเอียดในส่วนคำแนะนำในการเลือกเทอร์มิสเตอร์ของบทความนี้
เทอร์มิสเตอร์ทำจากวัสดุคอมโพสิต ซึ่งมักจะเป็นเซรามิก โพลีเมอร์ หรือเซมิคอนดักเตอร์ (โดยปกติจะเป็นโลหะออกไซด์) และโลหะบริสุทธิ์ (แพลตตินัม นิกเกิล หรือทองแดง) เทอร์มิสเตอร์สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้เร็วกว่า RTD และให้ผลป้อนกลับที่รวดเร็วกว่า ดังนั้นเทอร์มิสเตอร์จึงมักใช้โดยเซ็นเซอร์ในการใช้งานที่ต้องการต้นทุนต่ำ ขนาดเล็ก การตอบสนองที่รวดเร็ว ความไวที่สูงขึ้น และช่วงอุณหภูมิที่จำกัด เช่น การควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ การควบคุมบ้านและอาคาร ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ หรือการชดเชยจุดเชื่อมต่อความเย็นสำหรับเทอร์โมคัปเปิลในเชิงพาณิชย์ หรืองานอุตสาหกรรม วัตถุประสงค์ การใช้งาน
ในกรณีส่วนใหญ่ เทอร์มิสเตอร์ NTC ใช้ในการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำ ไม่ใช่เทอร์มิสเตอร์ PTC เทอร์มิสเตอร์ PTC บางตัวมีจำหน่ายซึ่งสามารถใช้ในวงจรป้องกันกระแสเกินหรือเป็นฟิวส์แบบรีเซ็ตได้สำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัย กราฟความต้านทาน-อุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ PTC แสดงให้เห็นบริเวณ NTC ที่เล็กมากก่อนที่จะถึงจุดสวิตช์ (หรือจุด Curie) ซึ่งสูงกว่านั้น ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามขนาดหลายลำดับในช่วงหลายองศาเซลเซียส ภายใต้สภาวะกระแสเกิน เทอร์มิสเตอร์ PTC จะสร้างความร้อนในตัวเองอย่างแรงเมื่ออุณหภูมิสวิตช์เกิน และความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะลดกระแสอินพุตเข้าสู่ระบบ ดังนั้นจึงป้องกันความเสียหาย โดยทั่วไปจุดสวิตช์ของเทอร์มิสเตอร์ PTC จะอยู่ระหว่าง 60°C ถึง 120°C และไม่เหมาะสำหรับการควบคุมอุณหภูมิในการใช้งานที่หลากหลาย บทความนี้เน้นที่เทอร์มิสเตอร์ NTC ซึ่งโดยทั่วไปสามารถวัดหรือตรวจสอบอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -80°C ถึง +150°C เทอร์มิสเตอร์ NTC มีพิกัดความต้านทานตั้งแต่ไม่กี่โอห์มไปจนถึง 10 MΩ ที่ 25°C ดังแสดงในรูป 1 การเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่อองศาเซลเซียสสำหรับเทอร์มิสเตอร์จะเด่นชัดกว่าเทอร์โมมิเตอร์ต้านทาน เมื่อเปรียบเทียบกับเทอร์มิสเตอร์ ความไวสูงและค่าความต้านทานสูงของเทอร์มิสเตอร์จะทำให้วงจรอินพุตง่ายขึ้น เนื่องจากเทอร์มิสเตอร์ไม่จำเป็นต้องมีการกำหนดค่าการเดินสายพิเศษใดๆ เช่น 3 สายหรือ 4 สาย เพื่อชดเชยความต้านทานของตัวนำ การออกแบบเทอร์มิสเตอร์ใช้การกำหนดค่าแบบ 2 สายอย่างง่ายเท่านั้น
การวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์มิสเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงต้องใช้การประมวลผลสัญญาณที่แม่นยำ การแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล การทำให้เป็นเส้นตรง และการชดเชย ดังแสดงในรูป 2.
แม้ว่าสายโซ่สัญญาณอาจดูเรียบง่าย แต่ก็มีความซับซ้อนหลายประการที่ส่งผลต่อขนาด ราคา และประสิทธิภาพของมาเธอร์บอร์ดทั้งหมด กลุ่มผลิตภัณฑ์ ADC ที่มีความแม่นยำของ ADI ประกอบด้วยโซลูชันครบวงจรหลายตัว เช่น AD7124-4/AD7124-8 ซึ่งให้ข้อดีหลายประการสำหรับการออกแบบระบบระบายความร้อน เนื่องจากโครงสร้างส่วนใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานนั้นมีอยู่ภายใน อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายมากมายในการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพโซลูชันการวัดอุณหภูมิแบบเทอร์มิสเตอร์
บทความนี้กล่าวถึงแต่ละปัญหาเหล่านี้ และให้คำแนะนำสำหรับการแก้ไขปัญหาเหล่านั้น และทำให้กระบวนการออกแบบสำหรับระบบดังกล่าวง่ายขึ้น
มีหลากหลายเทอร์มิสเตอร์กทชในตลาดปัจจุบัน ดังนั้นการเลือกเทอร์มิสเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานของคุณอาจเป็นงานที่น่ากังวล โปรดทราบว่าเทอร์มิสเตอร์จะแสดงรายการตามค่าที่ระบุ ซึ่งเป็นความต้านทานที่ระบุที่ 25°C ดังนั้น เทอร์มิสเตอร์ขนาด 10 kΩ จึงมีความต้านทานปกติที่ 10 kΩ ที่ 25°C เทอร์มิสเตอร์มีค่าความต้านทานปกติหรือพื้นฐานอยู่ในช่วงตั้งแต่ 2-3 โอห์มไปจนถึง 10 MΩ เทอร์มิสเตอร์ที่มีอัตราความต้านทานต่ำ (ความต้านทานปกติ 10 kΩ หรือน้อยกว่า) โดยทั่วไปจะรองรับช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า เช่น -50°C ถึง +70°C เทอร์มิสเตอร์ที่มีพิกัดความต้านทานสูงกว่าสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 300°C
องค์ประกอบเทอร์มิสเตอร์ทำจากโลหะออกไซด์ เทอร์มิสเตอร์มีจำหน่ายทั้งแบบทรงกลม ทรงกลม และแบบ SMD เม็ดเทอร์มิสเตอร์เคลือบอีพ็อกซี่หรือหุ้มแก้วเพื่อเพิ่มการปกป้อง เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์แบบบอลเคลือบอีพ็อกซี่ เทอร์มิสเตอร์แนวรัศมีและพื้นผิว เหมาะสำหรับอุณหภูมิสูงถึง 150°C เทอร์มิสเตอร์ลูกปัดแก้วเหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิที่สูง สารเคลือบ/บรรจุภัณฑ์ทุกประเภทยังป้องกันการกัดกร่อนอีกด้วย เทอร์มิสเตอร์บางตัวจะมีตัวเรือนเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มการป้องกันในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เทอร์มิสเตอร์บีดมีเวลาตอบสนองเร็วกว่าเทอร์มิสเตอร์แนวรัศมี/SMD อย่างไรก็ตามมันไม่คงทนเท่าที่ควร ดังนั้นประเภทของเทอร์มิสเตอร์ที่ใช้จึงขึ้นอยู่กับการใช้งานขั้นสุดท้ายและสภาพแวดล้อมที่เทอร์มิสเตอร์ตั้งอยู่ ความเสถียรในระยะยาวของเทอร์มิสเตอร์ขึ้นอยู่กับวัสดุ บรรจุภัณฑ์ และการออกแบบ ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ NTC ที่เคลือบอีพ็อกซี่สามารถเปลี่ยนอุณหภูมิได้ 0.2°C ต่อปี ในขณะที่เทอร์มิสเตอร์แบบปิดผนึกเปลี่ยนแปลงเพียง 0.02°C ต่อปีเท่านั้น
เทอร์มิสเตอร์มีความแม่นยำต่างกัน เทอร์มิสเตอร์มาตรฐานโดยทั่วไปจะมีความแม่นยำ 0.5°C ถึง 1.5°C ระดับความต้านทานเทอร์มิสเตอร์และค่าเบต้า (อัตราส่วน 25°C ถึง 50°C/85°C) มีระดับความคลาดเคลื่อน โปรดทราบว่าค่าเบต้าของเทอร์มิสเตอร์จะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ NTC 10 kΩ จากผู้ผลิตหลายรายจะมีค่าเบต้าที่แตกต่างกัน เพื่อให้ระบบมีความแม่นยำมากขึ้น สามารถใช้เทอร์มิสเตอร์ เช่น Omega™ 44xxx series ได้ มีความแม่นยำ 0.1°C หรือ 0.2°C ในช่วงอุณหภูมิ 0°C ถึง 70°C ดังนั้น ช่วงของอุณหภูมิที่สามารถวัดได้และความแม่นยำที่ต้องการในช่วงอุณหภูมินั้น จะเป็นตัวกำหนดว่าเทอร์มิสเตอร์เหมาะสำหรับการใช้งานนี้หรือไม่ โปรดทราบว่ายิ่งความแม่นยำของซีรีส์ Omega 44xxx สูงเท่าใด ราคาก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
ในการแปลงความต้านทานเป็นองศาเซลเซียส โดยปกติจะใช้ค่าเบต้า ค่าเบต้าถูกกำหนดโดยการรู้จุดอุณหภูมิสองจุดและความต้านทานที่สอดคล้องกันในแต่ละจุดอุณหภูมิ
RT1 = ทนต่ออุณหภูมิ 1 RT2 = ทนต่ออุณหภูมิ 2 T1 = อุณหภูมิ 1 (K) T2 = อุณหภูมิ 2 (K)
ผู้ใช้ใช้ค่าเบต้าที่ใกล้เคียงกับช่วงอุณหภูมิที่ใช้ในโปรเจ็กต์มากที่สุด เอกสารข้อมูลเทอร์มิสเตอร์ส่วนใหญ่จะแสดงรายการค่าเบต้าพร้อมกับความทนทานต่อความต้านทานที่ 25°C และความทนทานต่อค่าเบต้า
เทอร์มิสเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงกว่าและโซลูชั่นการสิ้นสุดที่มีความแม่นยำสูง เช่น ซีรีส์ Omega 44xxx ใช้สมการ Steinhart-Hart เพื่อแปลงความต้านทานเป็นองศาเซลเซียส สมการที่ 2 ต้องใช้ค่าคงที่สามค่า A, B และ C ซึ่งผู้ผลิตเซ็นเซอร์ระบุไว้อีกครั้ง เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์สมการถูกสร้างขึ้นโดยใช้จุดอุณหภูมิสามจุด สมการที่ได้จึงลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการทำให้เป็นเส้นตรง (โดยทั่วไปคือ 0.02 °C)
A, B และ C เป็นค่าคงที่ที่ได้มาจากจุดตั้งค่าอุณหภูมิสามจุด R = ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์มีหน่วยเป็นโอห์ม T = อุณหภูมิมีหน่วยเป็น K องศา
บนรูป 3 แสดงการกระตุ้นปัจจุบันของเซ็นเซอร์ กระแสไฟของไดรฟ์ถูกจ่ายให้กับเทอร์มิสเตอร์ และกระแสเดียวกันกับตัวต้านทานความแม่นยำ ตัวต้านทานที่มีความแม่นยำถูกใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการวัด ค่าของตัวต้านทานอ้างอิงต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่าสูงสุดของความต้านทานเทอร์มิสเตอร์ (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิต่ำสุดที่วัดได้ในระบบ)
เมื่อเลือกกระแสกระตุ้นจะต้องคำนึงถึงความต้านทานสูงสุดของเทอร์มิสเตอร์อีกครั้ง เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมเซ็นเซอร์และตัวต้านทานอ้างอิงจะอยู่ในระดับที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยอมรับได้เสมอ แหล่งที่มาปัจจุบันของฟิลด์ต้องมีช่องว่างด้านบนหรือการจับคู่เอาต์พุต หากเทอร์มิสเตอร์มีความต้านทานสูงที่อุณหภูมิที่วัดได้ต่ำสุด จะส่งผลให้กระแสไฟของไดรฟ์ต่ำมาก ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นทั่วเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิสูงจึงมีน้อย สามารถใช้ขั้นเกนที่ตั้งโปรแกรมได้เพื่อปรับการวัดสัญญาณระดับต่ำเหล่านี้ให้เหมาะสม อย่างไรก็ตาม อัตราขยายจะต้องถูกตั้งโปรแกรมแบบไดนามิก เนื่องจากระดับสัญญาณจากเทอร์มิสเตอร์จะแปรผันอย่างมากตามอุณหภูมิ
อีกทางเลือกหนึ่งคือการตั้งค่าเกนแต่ใช้ไดนามิกไดรฟ์ในปัจจุบัน ดังนั้น เมื่อระดับสัญญาณจากเทอร์มิสเตอร์เปลี่ยนแปลง ค่ากระแสของไดรฟ์จะเปลี่ยนแบบไดนามิกเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาข้ามเทอร์มิสเตอร์อยู่ภายในช่วงอินพุตที่ระบุของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ผู้ใช้ต้องแน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาข้ามตัวต้านทานอ้างอิงนั้นอยู่ในระดับที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยอมรับได้เช่นกัน ตัวเลือกทั้งสองต้องการการควบคุมในระดับสูง โดยมีการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าทั่วเทอร์มิสเตอร์อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถวัดสัญญาณได้ มีตัวเลือกที่ง่ายกว่านี้ไหม? พิจารณาการกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า
เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงกับเทอร์มิสเตอร์ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์จะปรับขนาดโดยอัตโนมัติเมื่อความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์เปลี่ยนแปลง ในปัจจุบัน การใช้ตัวต้านทานการวัดที่มีความแม่นยำแทนตัวต้านทานอ้างอิง จุดประสงค์คือเพื่อคำนวณกระแสที่ไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ ดังนั้นจึงทำให้สามารถคำนวณความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ได้ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ยังใช้เป็นสัญญาณอ้างอิง ADC จึงไม่จำเป็นต้องมีสเตจเกน โปรเซสเซอร์ไม่มีหน้าที่ในการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเทอร์มิสเตอร์ โดยพิจารณาว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถวัดระดับสัญญาณได้หรือไม่ และคำนวณว่าจำเป็นต้องปรับเกน/ค่าปัจจุบันของไดรฟ์ใด นี่คือวิธีการที่ใช้ในบทความนี้
หากเทอร์มิสเตอร์มีพิกัดความต้านทานและช่วงความต้านทานต่ำ สามารถใช้การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสได้ ในกรณีนี้ กระแสไฟและเกนของไดรฟ์สามารถแก้ไขได้ ดังนั้นวงจรจะได้ดังแสดงในรูปที่ 3 วิธีการนี้สะดวกตรงที่สามารถควบคุมกระแสผ่านเซ็นเซอร์และตัวต้านทานอ้างอิงได้ ซึ่งมีประโยชน์ในการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ นอกจากนี้ ความร้อนในตัวเองของเทอร์มิสเตอร์ยังลดลงอีกด้วย
การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้ายังสามารถใช้กับเทอร์มิสเตอร์ที่มีพิกัดความต้านทานต่ำได้ อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่ากระแสที่ไหลผ่านเซ็นเซอร์ไม่สูงเกินไปสำหรับเซ็นเซอร์หรือการใช้งาน
การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าช่วยลดความยุ่งยากในการใช้งานเมื่อใช้เทอร์มิสเตอร์ที่มีระดับความต้านทานสูงและช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ความต้านทานที่ระบุที่มากขึ้นจะทำให้กระแสไฟพิกัดอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม ผู้ออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมดที่แอปพลิเคชันรองรับ
Sigma-Delta ADC มีข้อดีหลายประการเมื่อออกแบบระบบการวัดเทอร์มิสเตอร์ ประการแรก เนื่องจาก sigma-delta ADC จะสุ่มตัวอย่างอินพุตแบบอะนาล็อกอีกครั้ง การกรองภายนอกจึงถูกจำกัดให้เหลือน้อยที่สุด และข้อกำหนดเพียงอย่างเดียวคือตัวกรอง RC แบบธรรมดา ซึ่งให้ความยืดหยุ่นในประเภทตัวกรองและอัตรารับส่งข้อมูลเอาท์พุต การกรองดิจิทัลในตัวสามารถใช้เพื่อระงับการรบกวนในอุปกรณ์ที่จ่ายไฟหลัก อุปกรณ์ 24 บิต เช่น AD7124-4/AD7124-8 มีความละเอียดสูงสุด 21.7 บิต ดังนั้นจึงให้ความละเอียดสูง
การใช้ sigma-delta ADC ช่วยให้การออกแบบเทอร์มิสเตอร์ง่ายขึ้นอย่างมาก ในขณะที่ลดข้อมูลจำเพาะ ต้นทุนของระบบ พื้นที่บอร์ด และเวลาออกสู่ตลาด
บทความนี้ใช้ AD7124-4/AD7124-8 เป็น ADC เนื่องจากเป็น ADC ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ กระแสไฟฟ้าต่ำ มีความแม่นยำ พร้อมด้วย PGA ในตัว ข้อมูลอ้างอิงในตัว อินพุตแบบอะนาล็อก และบัฟเฟอร์อ้างอิง
ไม่ว่าคุณจะใช้กระแสไฟของไดรฟ์หรือแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ แนะนำให้ใช้การกำหนดค่าอัตราส่วนเมตริก โดยที่แรงดันอ้างอิงและแรงดันเซ็นเซอร์มาจากแหล่งไดรฟ์เดียวกัน ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในแหล่งกำเนิดการกระตุ้นจะไม่ส่งผลต่อความแม่นยำของการวัด
บนรูป ในรูป 5 แสดงกระแสไดรฟ์คงที่สำหรับเทอร์มิสเตอร์และตัวต้านทานความแม่นยำ RREF แรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาข้าม RREF คือแรงดันอ้างอิงสำหรับการวัดเทอร์มิสเตอร์
กระแสของฟิลด์ไม่จำเป็นต้องแม่นยำและอาจมีความเสถียรน้อยกว่า เนื่องจากข้อผิดพลาดใดๆ ของกระแสของฟิลด์จะถูกกำจัดในการกำหนดค่านี้ โดยทั่วไป การกระตุ้นในปัจจุบันจะดีกว่าการกระตุ้นด้วยแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากมีการควบคุมความไวที่เหนือกว่าและการป้องกันสัญญาณรบกวนที่ดีกว่าเมื่อเซ็นเซอร์อยู่ในสถานที่ห่างไกล โดยทั่วไปวิธีไบแอสประเภทนี้จะใช้กับ RTD หรือเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานต่ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานสูงกว่าและมีความไวสูงกว่า ระดับสัญญาณที่สร้างจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแต่ละครั้งจะมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นจึงใช้การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ 10 kΩ มีความต้านทาน 10 kΩ ที่ 25°C ที่ -50°C ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC คือ 441.117 kΩ กระแสไฟไดรฟ์ขั้นต่ำ 50 µA ที่ได้รับจาก AD7124-4/AD7124-8 สร้าง 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V ซึ่งสูงเกินไปและอยู่นอกช่วงการทำงานของ ADC ส่วนใหญ่ที่มีอยู่ซึ่งใช้ในพื้นที่การใช้งานนี้ โดยปกติแล้วเทอร์มิสเตอร์จะเชื่อมต่อหรือตั้งอยู่ใกล้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีภูมิคุ้มกันในการขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้า
การเพิ่มตัวต้านทานความรู้สึกแบบอนุกรมเป็นวงจรแบ่งแรงดันจะจำกัดกระแสที่ผ่านเทอร์มิสเตอร์ให้เหลือค่าความต้านทานต่ำสุด ในการกำหนดค่านี้ ค่าของตัวต้านทานการรับรู้ RSENSE จะต้องเท่ากับค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิอ้างอิง 25°C เพื่อให้แรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับจุดกึ่งกลางของแรงดันอ้างอิงที่อุณหภูมิระบุที่ 25°CC ในทำนองเดียวกัน ถ้าใช้เทอร์มิสเตอร์ 10 kΩ ที่มีความต้านทาน 10 kΩ ที่ 25°C RSENSE ควรเป็น 10 kΩ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC ก็เปลี่ยนไปด้วย และอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ข้ามเทอร์มิสเตอร์ก็เปลี่ยนไปเช่นกัน ส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC
หากแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่เลือกซึ่งใช้ในการจ่ายไฟให้กับเทอร์มิสเตอร์และ/หรือ RSENSE ตรงกับแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง ADC ที่ใช้ในการวัด ระบบจะถูกตั้งค่าเป็นการวัดอัตราส่วนเมตริก (รูปที่ 7) เพื่อให้แหล่งแรงดันไฟฟ้าข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการกระตุ้นมีความเอนเอียงที่จะลบออก
โปรดทราบว่าตัวต้านทานการรับรู้ (ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า) หรือตัวต้านทานอ้างอิง (ขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้า) ควรมีพิกัดความเผื่อเริ่มต้นต่ำและค่าเบี่ยงเบนต่ำ เนื่องจากตัวแปรทั้งสองอาจส่งผลต่อความแม่นยำของทั้งระบบ
เมื่อใช้เทอร์มิสเตอร์หลายตัว สามารถใช้แรงดันไฟฟ้ากระตุ้นได้หนึ่งแรงดัน อย่างไรก็ตาม เทอร์มิสเตอร์แต่ละตัวจะต้องมีตัวต้านทานความรู้สึกที่แม่นยำของตัวเอง ดังแสดงในรูป 8. อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้มัลติเพล็กเซอร์ภายนอกหรือสวิตช์ความต้านทานต่ำในสถานะเปิด ซึ่งช่วยให้สามารถแชร์ตัวต้านทานความรู้สึกที่มีความแม่นยำได้หนึ่งตัว ด้วยการกำหนดค่านี้ เทอร์มิสเตอร์แต่ละตัวต้องใช้เวลาพอสมควรในการวัด
โดยสรุป เมื่อออกแบบระบบการวัดอุณหภูมิแบบเทอร์มิสเตอร์ มีคำถามมากมายที่ต้องพิจารณา: การเลือกเซ็นเซอร์ การเดินสายเซ็นเซอร์ ข้อดีข้อเสียในการเลือกส่วนประกอบ การกำหนดค่า ADC และตัวแปรต่างๆ เหล่านี้ส่งผลต่อความแม่นยำโดยรวมของระบบอย่างไร บทความถัดไปในชุดนี้จะอธิบายวิธีปรับการออกแบบระบบให้เหมาะสมและข้อผิดพลาดของระบบโดยรวมเพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพตามเป้าหมาย