การเพิ่มประสิทธิภาพระบบวัดอุณหภูมิที่ใช้เทอร์มิสเตอร์: ความท้าทาย

นี่เป็นบทความแรกในชุดบทความสองตอน บทความนี้จะกล่าวถึงประวัติศาสตร์และความท้าทายในการออกแบบของอุณหภูมิตามเทอร์มิสเตอร์ระบบการวัด รวมถึงการเปรียบเทียบกับระบบวัดอุณหภูมิแบบเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทาน (RTD) บทความจะอธิบายการเลือกใช้เทอร์มิสเตอร์ ข้อดีข้อเสียของการกำหนดค่า และความสำคัญของตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) แบบซิกมา-เดลต้าในสาขานี้ บทความที่สองจะอธิบายวิธีการปรับแต่งและประเมินระบบการวัดที่ใช้เทอร์มิสเตอร์ขั้นสุดท้ายให้เหมาะสมที่สุด
ดังที่ได้อธิบายไว้ในชุดบทความก่อนหน้าเรื่อง การปรับปรุงระบบเซ็นเซอร์อุณหภูมิ RTD (Optimizing RTD Temperature Sensor Systems) RTD คือตัวต้านทานที่มีความต้านทานแปรผันตามอุณหภูมิ เทอร์มิสเตอร์ทำงานคล้ายกับ RTD ซึ่งแตกต่างจาก RTD ที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกเท่านั้น เทอร์มิสเตอร์สามารถมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกหรือลบได้ เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบ (NTC) มีค่าความต้านทานลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ในขณะที่เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก (PTC) มีค่าความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น รูปที่ 1 แสดงลักษณะการตอบสนองของเทอร์มิสเตอร์ NTC และ PTC ทั่วไป และเปรียบเทียบกับกราฟของ RTD
ในแง่ของช่วงอุณหภูมิ เส้นโค้ง RTD เกือบจะเป็นเส้นตรง และเซ็นเซอร์ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าเทอร์มิสเตอร์มาก (โดยทั่วไปคือ -200°C ถึง +850°C) เนื่องจากเทอร์มิสเตอร์มีลักษณะไม่เป็นเส้นตรง (แบบเลขชี้กำลัง) โดยทั่วไปแล้ว RTD จะแสดงเป็นเส้นโค้งมาตรฐานที่เป็นที่รู้จัก ในขณะที่เส้นโค้งของเทอร์มิสเตอร์จะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต เราจะอธิบายรายละเอียดนี้ในส่วนคู่มือการเลือกเทอร์มิสเตอร์ของบทความนี้
เทอร์มิสเตอร์ทำจากวัสดุผสม ซึ่งโดยทั่วไปคือเซรามิก พอลิเมอร์ หรือสารกึ่งตัวนำ (โดยทั่วไปคือโลหะออกไซด์) และโลหะบริสุทธิ์ (แพลตตินัม นิกเกิล หรือทองแดง) เทอร์มิสเตอร์สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้เร็วกว่า RTD ทำให้ได้ค่าป้อนกลับที่เร็วกว่า ดังนั้น เทอร์มิสเตอร์จึงมักถูกใช้โดยเซ็นเซอร์ในงานที่ต้องการต้นทุนต่ำ ขนาดเล็ก ตอบสนองรวดเร็ว ความไวสูง และช่วงอุณหภูมิที่จำกัด เช่น การควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การควบคุมบ้านและอาคาร ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ หรือการชดเชยจุดต่อเย็นสำหรับเทอร์โมคัปเปิลในเชิงพาณิชย์หรืออุตสาหกรรม
ในกรณีส่วนใหญ่ เทอร์มิสเตอร์ NTC จะถูกใช้เพื่อการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำ ไม่ใช่เทอร์มิสเตอร์ PTC เทอร์มิสเตอร์ PTC บางรุ่นมีจำหน่ายซึ่งสามารถใช้ในวงจรป้องกันกระแสเกินหรือเป็นฟิวส์แบบรีเซ็ตได้สำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัย เส้นโค้งความต้านทาน-อุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ PTC แสดงให้เห็นช่วง NTC ขนาดเล็กมากก่อนที่จะถึงจุดสวิตช์ (หรือจุดคูรี) ซึ่งเมื่อผ่านจุดนั้น ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหลายระดับในช่วงหลายองศาเซลเซียส ภายใต้สภาวะกระแสเกิน เทอร์มิสเตอร์ PTC จะสร้างความร้อนสูงเมื่ออุณหภูมิสวิตช์สูงเกิน และความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะลดกระแสไฟฟ้าขาเข้าของระบบ จึงช่วยป้องกันความเสียหาย จุดสวิตช์ของเทอร์มิสเตอร์ PTC โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 60°C ถึง 120°C และไม่เหมาะสำหรับการควบคุมการวัดอุณหภูมิในการใช้งานที่หลากหลาย บทความนี้มุ่งเน้นไปที่เทอร์มิสเตอร์ NTC ซึ่งโดยทั่วไปสามารถวัดหรือตรวจสอบอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -80°C ถึง +150°C เทอร์มิสเตอร์ NTC มีพิกัดความต้านทานตั้งแต่ไม่กี่โอห์มไปจนถึง 10 MΩ ที่อุณหภูมิ 25°C ดังแสดงในรูปที่ 1 การเปลี่ยนแปลงของความต้านทานต่อองศาเซลเซียสของเทอร์มิสเตอร์นั้นเด่นชัดกว่าเทอร์โมมิเตอร์แบบใช้ความต้านทาน เมื่อเทียบกับเทอร์มิสเตอร์แล้ว ความไวสูงและค่าความต้านทานที่สูงของเทอร์มิสเตอร์ทำให้วงจรอินพุตง่ายขึ้น เนื่องจากเทอร์มิสเตอร์ไม่จำเป็นต้องมีการกำหนดค่าการเดินสายพิเศษใดๆ เช่น 3 สายหรือ 4 สาย เพื่อชดเชยความต้านทานของสายนำ การออกแบบเทอร์มิสเตอร์ใช้การกำหนดค่าแบบ 2 สายอย่างง่ายเท่านั้น
การวัดอุณหภูมิโดยใช้เทอร์มิสเตอร์ความแม่นยำสูงต้องใช้การประมวลผลสัญญาณที่แม่นยำ การแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล การทำให้เป็นเส้นตรง และการชดเชย ดังที่แสดงในรูปที่ 2
แม้ว่าสายสัญญาณอาจดูเรียบง่าย แต่มีความซับซ้อนหลายประการที่ส่งผลต่อขนาด ต้นทุน และประสิทธิภาพของเมนบอร์ดทั้งหมด กลุ่มผลิตภัณฑ์ ADC ความแม่นยำสูงของ ADI ประกอบด้วยโซลูชันแบบบูรณาการหลายรายการ เช่น AD7124-4/AD7124-8 ซึ่งให้ข้อได้เปรียบหลายประการสำหรับการออกแบบระบบระบายความร้อน เนื่องจากส่วนประกอบส่วนใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานนั้นรวมอยู่ในตัวแล้ว อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายหลายประการในการออกแบบและปรับแต่งโซลูชันการวัดอุณหภูมิที่ใช้เทอร์มิสเตอร์ให้เหมาะสมที่สุด
บทความนี้จะกล่าวถึงปัญหาแต่ละประการเหล่านี้ และให้คำแนะนำในการแก้ไขปัญหาเหล่านั้น รวมถึงลดความซับซ้อนของกระบวนการออกแบบระบบดังกล่าวให้มากยิ่งขึ้น
มีหลากหลายชนิดเทอร์มิสเตอร์ NTCเทอร์มิสเตอร์ที่มีวางจำหน่ายในท้องตลาดในปัจจุบันนี้จึงอาจเป็นเรื่องยากที่จะเลือกเทอร์มิสเตอร์ที่เหมาะสมกับการใช้งานของคุณ โปรดทราบว่าเทอร์มิสเตอร์จะเรียงตามค่าความต้านทานปกติ ซึ่งก็คือค่าความต้านทานปกติที่อุณหภูมิ 25°C ดังนั้น เทอร์มิสเตอร์ 10 kΩ จะมีค่าความต้านทานปกติที่ 10 kΩ ที่อุณหภูมิ 25°C เทอร์มิสเตอร์มีค่าความต้านทานปกติหรือค่าความต้านทานพื้นฐานตั้งแต่ไม่กี่โอห์มไปจนถึง 10 MΩ โดยทั่วไปแล้ว เทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานต่ำ (ค่าความต้านทานปกติ 10 kΩ หรือน้อยกว่า) มักจะรองรับช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า เช่น -50°C ถึง +70°C ส่วนเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานสูงกว่าสามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึง 300°C
เทอร์มิสเตอร์ทำจากโลหะออกไซด์ เทอร์มิสเตอร์มีให้เลือกทั้งแบบทรงกลม ทรงกลมแบบเรเดียล และแบบ SMD เม็ดเทอร์มิสเตอร์เคลือบด้วยอีพ็อกซี่หรือหุ้มด้วยแก้วเพื่อเพิ่มการป้องกัน เทอร์มิสเตอร์ทรงกลมเคลือบอีพ็อกซี่ เทอร์มิสเตอร์แบบเรเดียลและแบบผิว เหมาะสำหรับอุณหภูมิสูงถึง 150°C เทอร์มิสเตอร์แบบเม็ดแก้วเหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิสูง การเคลือบ/บรรจุภัณฑ์ทุกประเภทสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้เช่นกัน เทอร์มิสเตอร์บางชนิดอาจมีตัวเรือนเสริมเพื่อเพิ่มการป้องกันในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เทอร์มิสเตอร์แบบเม็ดมีเวลาตอบสนองเร็วกว่าเทอร์มิสเตอร์แบบเรเดียล/แบบ SMD อย่างไรก็ตาม เทอร์มิสเตอร์ชนิดนี้มีความทนทานน้อยกว่า ดังนั้น ประเภทของเทอร์มิสเตอร์ที่ใช้จึงขึ้นอยู่กับการใช้งานและสภาพแวดล้อมที่ติดตั้งเทอร์มิสเตอร์ ความเสถียรในระยะยาวของเทอร์มิสเตอร์ขึ้นอยู่กับวัสดุ บรรจุภัณฑ์ และการออกแบบ ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ NTC ที่เคลือบอีพอกซีสามารถเปลี่ยนแปลงได้ 0.2°C ต่อปี ในขณะที่เทอร์มิสเตอร์แบบปิดผนึกจะเปลี่ยนแปลงเพียง 0.02°C ต่อปีเท่านั้น
เทอร์มิสเตอร์มีความแม่นยำที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปเทอร์มิสเตอร์มาตรฐานจะมีความแม่นยำ 0.5°C ถึง 1.5°C ค่าความต้านทานและค่าเบต้าของเทอร์มิสเตอร์ (อัตราส่วน 25°C ถึง 50°C/85°C) มีค่าความคลาดเคลื่อน โปรดทราบว่าค่าเบต้าของเทอร์มิสเตอร์จะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ NTC 10 kΩ จากผู้ผลิตแต่ละรายจะมีค่าเบต้าที่แตกต่างกัน สำหรับระบบที่มีความแม่นยำมากขึ้น สามารถใช้เทอร์มิสเตอร์เช่นรุ่น Omega™ 44xxx ได้ ซึ่งมีความแม่นยำ 0.1°C หรือ 0.2°C ในช่วงอุณหภูมิ 0°C ถึง 70°C ดังนั้น ช่วงอุณหภูมิที่สามารถวัดได้และความแม่นยำที่ต้องการในช่วงอุณหภูมิดังกล่าวจึงเป็นตัวกำหนดว่าเทอร์มิสเตอร์จะเหมาะสมกับการใช้งานนี้หรือไม่ โปรดทราบว่ายิ่งเทอร์มิสเตอร์รุ่น Omega 44xxx มีความแม่นยำสูงเท่าใด ราคาก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
ในการแปลงค่าความต้านทานเป็นองศาเซลเซียส มักใช้ค่าเบต้า ค่าเบต้าถูกกำหนดโดยการทราบจุดอุณหภูมิสองจุดและค่าความต้านทานที่สอดคล้องกัน ณ จุดอุณหภูมิแต่ละจุด
RT1 = ความต้านทานอุณหภูมิ 1 RT2 = ความต้านทานอุณหภูมิ 2 T1 = อุณหภูมิ 1 (K) T2 = อุณหภูมิ 2 (K)
ผู้ใช้จะใช้ค่าเบต้าที่ใกล้เคียงกับช่วงอุณหภูมิที่ใช้ในโครงการมากที่สุด เอกสารข้อมูลเทอร์มิสเตอร์ส่วนใหญ่ระบุค่าเบต้า ค่าความคลาดเคลื่อนของความต้านทานที่ 25°C และค่าความคลาดเคลื่อนของค่าเบต้า
เทอร์มิสเตอร์ความแม่นยำสูงและโซลูชันการสิ้นสุดความแม่นยำสูง เช่น ซีรีส์ Omega 44xxx ใช้สมการ Steinhart-Hart เพื่อแปลงค่าความต้านทานเป็นองศาเซลเซียส สมการที่ 2 ต้องใช้ค่าคงที่สามค่า คือ A, B และ C ซึ่งผู้ผลิตเซ็นเซอร์ให้มาเช่นกัน เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ของสมการถูกสร้างขึ้นโดยใช้จุดอุณหภูมิสามจุด สมการที่ได้จึงช่วยลดความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการทำให้เป็นเส้นตรง (โดยทั่วไปคือ 0.02 °C) ให้เหลือน้อยที่สุด
A, B และ C เป็นค่าคงที่ที่ได้จากจุดตั้งค่าอุณหภูมิสามจุด R = ความต้านทานเทอร์มิสเตอร์เป็นโอห์ม T = อุณหภูมิเป็น K องศา
รูปที่ 3 แสดงกระแสกระตุ้นของเซ็นเซอร์ กระแสขับจะถูกจ่ายไปยังเทอร์มิสเตอร์ และกระแสเดียวกันจะถูกจ่ายไปยังตัวต้านทานความแม่นยำ ตัวต้านทานความแม่นยำจะถูกใช้เป็นตัวอ้างอิงสำหรับการวัด ค่าของตัวต้านทานอ้างอิงต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่าความต้านทานสูงสุดของเทอร์มิสเตอร์ (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิต่ำสุดที่วัดได้ในระบบ)
เมื่อเลือกกระแสกระตุ้น จะต้องพิจารณาค่าความต้านทานสูงสุดของเทอร์มิสเตอร์อีกครั้ง เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าคร่อมเซ็นเซอร์และตัวต้านทานอ้างอิงจะอยู่ในระดับที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยอมรับได้เสมอ แหล่งจ่ายกระแสสนามจำเป็นต้องมีเฮดรูมหรือการจับคู่เอาต์พุต หากเทอร์มิสเตอร์มีค่าความต้านทานสูงที่อุณหภูมิต่ำสุดที่วัดได้ จะทำให้กระแสขับต่ำมาก ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคร่อมเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิสูงจึงต่ำมาก สามารถใช้ขั้นตอนค่าเกนที่ตั้งโปรแกรมได้เพื่อปรับการวัดสัญญาณระดับต่ำเหล่านี้ให้เหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม ค่าเกนต้องถูกตั้งโปรแกรมแบบไดนามิก เนื่องจากระดับสัญญาณจากเทอร์มิสเตอร์จะเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามอุณหภูมิ
อีกทางเลือกหนึ่งคือการตั้งค่าเกนแต่ใช้กระแสไดนามิกไดรฟ์ ดังนั้น เมื่อระดับสัญญาณจากเทอร์มิสเตอร์เปลี่ยนแปลง ค่ากระแสไดรฟ์จะเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคร่อมเทอร์มิสเตอร์อยู่ในช่วงอินพุตที่กำหนดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ผู้ใช้ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคร่อมตัวต้านทานอ้างอิงอยู่ในระดับที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยอมรับได้ ทั้งสองทางเลือกนี้ต้องการการควบคุมระดับสูงและการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าคร่อมเทอร์มิสเตอร์อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถวัดสัญญาณได้ มีตัวเลือกที่ง่ายกว่านี้หรือไม่? ลองพิจารณาการกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า
เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้กับเทอร์มิสเตอร์ กระแสที่ไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์จะปรับตามการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์โดยอัตโนมัติ ปัจจุบัน เทอร์มิสเตอร์ใช้ตัวต้านทานวัดค่าความแม่นยำแทนตัวต้านทานอ้างอิง วัตถุประสงค์ของเทอร์มิสเตอร์คือการคำนวณกระแสที่ไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ ซึ่งทำให้สามารถคำนวณความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ได้ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ยังใช้เป็นสัญญาณอ้างอิงของ ADC จึงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนการขยายสัญญาณ โปรเซสเซอร์ไม่มีหน้าที่ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเทอร์มิสเตอร์ ตรวจสอบว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถวัดระดับสัญญาณได้หรือไม่ และคำนวณค่าการขยาย/กระแสของไดรฟ์ที่ต้องปรับ นี่คือวิธีการที่ใช้ในบทความนี้
หากเทอร์มิสเตอร์มีค่าความต้านทานและช่วงความต้านทานต่ำ สามารถใช้การกระตุ้นด้วยแรงดันหรือกระแสได้ ในกรณีนี้ สามารถกำหนดค่ากระแสและอัตราขยายของไดรฟ์ได้ ดังนั้น วงจรจะเป็นไปตามที่แสดงในรูปที่ 3 วิธีนี้สะดวกเพราะสามารถควบคุมกระแสผ่านเซ็นเซอร์และตัวต้านทานอ้างอิงได้ ซึ่งมีประโยชน์มากในการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ นอกจากนี้ ยังช่วยลดความร้อนภายในของเทอร์มิสเตอร์ให้เหลือน้อยที่สุด
การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้ายังสามารถใช้กับเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานต่ำได้ อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้ต้องตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่ากระแสที่ไหลผ่านเซ็นเซอร์ไม่สูงเกินไปสำหรับเซ็นเซอร์หรือการใช้งาน
การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าช่วยลดความยุ่งยากในการใช้งานเมื่อใช้เทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานสูงและมีช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ความต้านทานที่กำหนดที่มากขึ้นจะทำให้ระดับกระแสไฟฟ้าที่กำหนดอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม ผู้ออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ตลอดช่วงอุณหภูมิที่แอปพลิเคชันรองรับ
ADC แบบซิกมา-เดลต้ามีข้อดีหลายประการในการออกแบบระบบวัดเทอร์มิสเตอร์ ประการแรก เนื่องจาก ADC แบบซิกมา-เดลต้าทำการสุ่มตัวอย่างสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกใหม่ จึงทำให้การกรองสัญญาณจากภายนอกมีน้อยที่สุด และข้อกำหนดเดียวคือตัวกรอง RC แบบง่าย ADC เหล่านี้มีความยืดหยุ่นในการเลือกประเภทของตัวกรองและอัตราบอดของเอาต์พุต ตัวกรองดิจิทัลในตัวสามารถใช้เพื่อป้องกันการรบกวนใดๆ ในอุปกรณ์ที่ใช้ไฟหลัก อุปกรณ์ 24 บิต เช่น AD7124-4/AD7124-8 มีความละเอียดสูงสุด 21.7 บิต จึงให้ความละเอียดสูง
การใช้ ADC ซิกม่า-เดลต้าช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบเทอร์มิสเตอร์ได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็ลดรายละเอียดจำเพาะ ต้นทุนระบบ พื้นที่บอร์ด และเวลาในการออกสู่ตลาด
บทความนี้ใช้ AD7124-4/AD7124-8 เป็น ADC เนื่องจากเป็น ADC ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ กระแสไฟต่ำ มีความแม่นยำ พร้อมด้วย PGA ในตัว อ้างอิงในตัว อินพุตแอนะล็อก และบัฟเฟอร์อ้างอิง
ไม่ว่าคุณจะใช้กระแสขับหรือแรงดันขับ ขอแนะนำให้ใช้การกำหนดค่าแบบอัตราส่วนที่แรงดันอ้างอิงและแรงดันเซ็นเซอร์มาจากแหล่งขับเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในแหล่งกระตุ้นจะไม่ส่งผลกระทบต่อความแม่นยำของการวัด
รูปที่ 5 แสดงกระแสขับคงที่สำหรับเทอร์มิสเตอร์และตัวต้านทานความแม่นยำ RREF โดยแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นข้าม RREF จะเป็นแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงสำหรับการวัดเทอร์มิสเตอร์
กระแสสนามไม่จำเป็นต้องแม่นยำและอาจมีเสถียรภาพน้อยลง เนื่องจากข้อผิดพลาดใดๆ ในกระแสสนามจะถูกกำจัดออกไปในการกำหนดค่านี้ โดยทั่วไป การกระตุ้นกระแสจะได้รับความนิยมมากกว่าการกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากการควบคุมความไวที่เหนือกว่าและการป้องกันสัญญาณรบกวนที่ดีกว่าเมื่อเซ็นเซอร์ตั้งอยู่ในสถานที่ห่างไกล วิธีการไบอัสประเภทนี้มักใช้กับ RTD หรือเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานต่ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าความต้านทานสูงและความไวสูง ระดับสัญญาณที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแต่ละครั้งจะสูงขึ้น ดังนั้นจึงใช้การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ 10 kΩ มีความต้านทาน 10 kΩ ที่อุณหภูมิ 25°C ที่อุณหภูมิ -50°C ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC คือ 441.117 kΩ กระแสขับขั้นต่ำ 50 µA ของ AD7124-4/AD7124-8 ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า 441.117 kΩ × 50 µA = 22 V ซึ่งสูงเกินไปและอยู่นอกช่วงการทำงานของ ADC ส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในการใช้งานนี้ โดยปกติแล้วเทอร์มิสเตอร์จะเชื่อมต่อหรือติดตั้งอยู่ใกล้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีความต้านทานต่อกระแสขับ
การเพิ่มตัวต้านทานแบบตรวจจับแบบอนุกรมเป็นวงจรแบ่งแรงดันจะจำกัดกระแสที่ไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ให้มีค่าความต้านทานต่ำสุด ในรูปแบบนี้ ค่าของตัวต้านทานแบบตรวจจับ RSENSE จะต้องเท่ากับค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิอ้างอิง 25°C เพื่อให้แรงดันเอาต์พุตเท่ากับจุดกึ่งกลางของแรงดันอ้างอิงที่อุณหภูมิปกติ 25°C ในทำนองเดียวกัน หากใช้เทอร์มิสเตอร์ 10 kΩ ที่มีความต้านทาน 10 kΩ ที่อุณหภูมิ 25°C ค่าของ RSENSE ควรเป็น 10 kΩ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC ก็เปลี่ยนแปลงเช่นกัน และอัตราส่วนของแรงดันไดรฟ์คร่อมเทอร์มิสเตอร์ก็เปลี่ยนแปลงเช่นกัน ส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC
หากแรงดันอ้างอิงที่เลือกใช้ในการจ่ายไฟให้เทอร์มิสเตอร์และ/หรือ RSENSE ตรงกับแรงดันอ้างอิง ADC ที่ใช้สำหรับการวัด ระบบจะถูกตั้งค่าเป็นการวัดอัตราส่วน (รูปที่ 7) เพื่อให้แหล่งจ่ายแรงดันที่มีข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการกระตุ้นจะถูกปรับให้มีความเอนเอียงเพื่อลบออก
โปรดทราบว่าตัวต้านทานแบบตรวจจับ (ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า) หรือตัวต้านทานอ้างอิง (ขับเคลื่อนด้วยกระแส) ควรมีค่าความคลาดเคลื่อนเริ่มต้นต่ำและการดริฟท์ต่ำ เนื่องจากตัวแปรทั้งสองสามารถส่งผลต่อความแม่นยำของระบบทั้งหมดได้
เมื่อใช้เทอร์มิสเตอร์หลายตัว สามารถใช้แรงดันกระตุ้นได้เพียงค่าเดียว อย่างไรก็ตาม เทอร์มิสเตอร์แต่ละตัวต้องมีตัวต้านทานตรวจจับความแม่นยำของตัวเอง ดังแสดงในรูปที่ 8 อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้มัลติเพล็กเซอร์ภายนอกหรือสวิตช์ความต้านทานต่ำในสถานะเปิด ซึ่งทำให้สามารถใช้ตัวต้านทานตรวจจับความแม่นยำร่วมกันได้หนึ่งตัว ด้วยการกำหนดค่านี้ เทอร์มิสเตอร์แต่ละตัวต้องใช้เวลาในการปรับค่าเมื่อทำการวัด
โดยสรุป เมื่อออกแบบระบบวัดอุณหภูมิแบบเทอร์มิสเตอร์ มีคำถามมากมายที่ต้องพิจารณา ได้แก่ การเลือกเซ็นเซอร์ การเดินสายเซ็นเซอร์ การเลือกส่วนประกอบที่ต่างกัน การกำหนดค่า ADC และตัวแปรต่างๆ เหล่านี้ส่งผลต่อความแม่นยำโดยรวมของระบบอย่างไร บทความถัดไปในชุดนี้จะอธิบายวิธีเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบระบบและงบประมาณข้อผิดพลาดโดยรวมของระบบ เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพตามเป้าหมาย