Compensazione di un sensore di temperatura con un microcontroller PIC

Microcontrollore temperatura

Il monitoraggio della temperatura è un compito di ingegneria molto diffuso e comune. Sia in laboratorio che in fabbrica, eseguire misure accurate ad alta risoluzione può essere difficile e costoso. Nell’ambito della Microchip, possiamo disporre di una serie di sensori di temperatura con un certo range tipico di accuratezza a temperatura ambiente che può variare da ± 1 °C fino a scendere al di sotto dell’unità per sensori high-precision. Tuttavia, a temperature estreme, l'accuratezza diminuisce in modo non lineare, tipicamente quadratica. In questo articolo descriveremo una tecnica di compensazione matematica per migliorare l’accuratezza di un sensore in un determinato intervallo di temperatura. Un'unità microcontroller PIC avrà il compito di calcolare l'equazione e fornire una lettura della temperatura con una migliore accuratezza. I sensori di temperatura di riferimento per i vari test sono MCP9700 e MCP9701 con uscita analogica, e MCP9800 con uscita seriale.

1. Introduzione

I progressi tecnologici nel campo delle tecniche di misura della temperatura hanno portato ad una grande varietà di sensori e strumenti per effettuare misure accurate a costi relativamente bassi. Gli strumenti di misura di temperatura ad alta precisione sono ampiamente disponibili a costi molto ragionevoli, ma mentre questo dovrebbe rendere la misura della temperatura più facile, molti utenti commettono errori semplici che negano i vantaggi dell'utilizzo di sensori e strumenti ad alta specifica. Le applicazioni industriali e mediche avanzate richiedono misure di temperature con notevole accuratezza ( da ± 1 °C a ± 0,1 °C), eseguite con un costo ragionevole in un ampio intervallo di temperature, e spesso con basso consumo energetico.
Le caratteristiche di un sensore di temperatura integrato (IC) vengono determinate in base alla caratterizzazione del materiale di silicio, con la possibilità di definire un’equazione che descriva in maniera opportuna le prestazioni in termini di accuratezza. L’equazione avrà coefficienti che saranno successivamente usati per la compensazione del sensore come visualizzato in figura 1.

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Figura 1: Accuratezza di un sensore di temperatura prima (blu) e dopo (rosso) la compensazione

L’accuratezza del sensore è la massima differenza che esiste tra il valore reale (che deve essere misurato) e il valore indicato all'uscita del sensore. Può essere espressa in percentuale del fondo scala o in termini assoluti:

Schermata 2015-10-22 alle 08.44.12oppure come percentuale della misura:

Schermata 2015-10-22 alle 08.45.01Nel primo caso, il valore è poco significativo quanto più è ampio il campo di misura. La carenza di accuratezza è derivante essenzialmente da errori sistematici relativi alla misura che possono essere ridotti drasticamente attraverso la regolazione dei parametri dei sensori (calibrazione). L’accuratezza non va confusa con la precisione che fornisce una misura di quanto l’uscita del sensore sia ripetibile. Altre caratteristiche di un sensore di temperatura sono: la caratteristica dinamica, ovvero la funzione di trasferimento che esprime il legame tra la grandezza fisica d'ingresso e quella di uscita del sensore. Il comportamento dinamico può essere descritto sia in termini di frequenza che nel dominio temporale. La sensibilità, ovvero il rapporto tra una variazione della risposta del sensore con quella corrispondente alla grandezza reale, e la Risoluzione, ovvero la più piccola variazione della grandezza fisica di input (temperatura) che il sensore è in grado di riprodurre.

2. Sensori di temperatura

I sensori di temperatura impiegati MCP9700/1 e MCP9800 sono essenzialmente dei transistor, la cui caduta di tensione sulla giunzione base-emettitore ha le caratteristiche di un diodo. La tensione diretta sul diodo è descritta dall’equazione seguente, dove k è la costante di boltzman, q la singola carica elettrica, Ta la temperatura ambiente, If la corrente diretta di polarizzazione e Is quella di saturazione del transistor. Quest’ultima dipende dalle caratteristiche fisiche della struttura del sensore.

Schermata 2015-10-22 alle 08.47.54La temperatura Ta varia in modo significativo nel corso del processo. La variazione rende impossibile misurare in modo affidabile la temperatura ambiente utilizzando un singolo transistor. Per minimizzare le variazioni della corrente Is e della temperatura ambiente, può essere utilizzata una configurazione a due diodi uguali polarizzati con correnti If1 e If2 in rapporto N = If2/If1. La differenza di potenziale sarà espressa nel seguente modo:

Schermata 2015-10-22 alle 08.49.44L’espressione di ΔVf non ha alcuna dipendenza dalla corrente di saturazione ed esprime una tensione proporzionale alla temperatura ambiente assoluta (Vptat). Il valore di questa tensione, con pendenza lineare di circa 200 mV/°C, è condizionata ed amplificata per mezzo di un convertitore analogico/digitale.
Il sensore di temperatura MCP9800 lavora nel range di temperatura da -55 °C fino a +125 °C. Un insieme di registri programmabili sono utilizzati per il rivelamento della temperatura, permettendo di impostare la risoluzione a 9 o 12 bit. Il sensore è dotato di varie modalità power management per la gestione dell’energia e protezione da limiti di temperatura. Uno standard a 2 fili, con interfaccia seriale compatibile I2CTM / SMBus, permette il controllo fino a otto dispositivi in un unico bus seriale (Figura 2 e 3).

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Figura 2: Tipica applicazione del sensore MCP9800 con il micro PIC

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Figure 3: Accuratezza del sensore di temperatura MCP9800

Il dispositivo MCP9800 è costituito principalmente da un sensore di temperatura di tipo band-gap (diodo) e un convertitore ADC sigma-delta che provvede alla conversione dei dati analogici della temperatura in forma digitale memorizzati negli appositi registri programmabili dall'utente  (Figura 4). [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 30 dicembre 2015

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