Calibración del ADC para la medición de la temperatura sin calibración

Question

Tengo una aplicación para un sistema de medición de temperatura Bluetooth completamente sellado durante 10 años que proporciona una precisión de +/-0,5C en un rango de 0C a 50C. El dispositivo no puede ser calibrado durante su vida útil, y preferiría no calibrarlo en la producción. La solución más sencilla es algo como un Si7054, que tiene una precisión de +/-0,4C y una deriva de 0,01C al año = +/-0,5C. Genial. 1,20 dólares / 1K unidades.

Sin embargo, ¿puedo hacerlo mejor y más barato con resistencias fijas, un termistor NTC y una medición ratiométrica utilizando un ADC integrado? Por ejemplo:

NTC Thermistor:0.5% 100K, Beta 0.5%, $0.174/1K (TDK NTCG104ED104DT1X)
Resistor 0.1% 100K, 25ppm/C = 0.1625% $0.066/1K (ARCOL APC0603B100KN)

Estimación de la precisión total ~1,1625%, coste 0,24 dólares

Ahora la parte mala: El IC BLE nrf52810 tiene un error de +/-3% en el ADC de 12 bits después de su calibración interna. El error del sistema es > 4,2% una vez que se tiene en cuenta la propagación de los errores. Tengo entendido que los sensores NTC cambian ~4-5%/C así que ahora tenemos un error de ~+/-1C. Maldición.

¿Existe una forma sencilla de calibrar este error? El nRF52 puede realizar la calibración del error de desplazamiento interno contra tierra. Parece que el uso de divisores de resistencias de precisión o referencias de voltaje fijas para proporcionar un segundo punto de referencia me permitiría calcular el error de ganancia y obtener suficiente precisión. ¿Me falta algo aquí? ¿Alguna otra fuente de error? ¿Palabras de sabiduría de los experimentados?

Answer 1

Sí, se puede hacer esto, pero yo sugeriría utilizar el tiempo en lugar de un ADC si es posible. Especialmente si necesitas medir un rango amplio, ya que te quedarás rápidamente sin resolución con un termistor debido a su no linealidad.

La idea general es alternar el mismo circuito entre la medición de una resistencia de referencia bastante precisa seleccionada para estar cerca de la escala media o la resistencia correspondiente a la temperatura más importante y la medición del sensor. Eso elimina la mayoría de los errores y no se necesita una tensión de referencia de precisión ni mucho menos.

También podrías hacerlo con un ADC, especialmente si tienes acceso a la referencia para hacer toda la medición ratiométrica (eliminando el valor absoluto de la referencia). Sin embargo, podrías tener problemas con la linealidad del ADC, dependiendo de cómo esté hecho. En lugar de utilizar la misma resistencia en serie (que sería, en teoría, mejor) podrías utilizar un par adicional y ajustar la tolerancia (el 0,1% es bastante barato hoy en día).

Prácticamente todos los circuitos baratos de medición de la temperatura en los bienes de consumo (< 100°C más o menos) funcionan con el método de tiempo (frecuencia).

Sin embargo, basándome en ciertas experiencias, no me fío especialmente de los termistores a altas temperaturas. Puedes evaluar ese riesgo por ti mismo.

Answer 2

Como ya ha señalado Spehro Pefhany, un oscilador de relajación es una buena idea. Funciona de la misma manera que un botón táctil capacitivo, pero donde la resistencia está cambiando la constante de tiempo RC en lugar de la capacitancia. Esto significa que se pueden reutilizar implementaciones táctiles capacitivas como este aunque necesitarás una fuente de corriente externa (no disponible en el nRF52810).

Si quieres usar el SAADC en su lugar, tendrás que usar entradas diferenciales, calibrar el offset del SAADC en un intervalo de pocos grados y sobremuestrear mucho. El SAADC está calibrado en temperatura en la producción desde la fábrica. Con un puente de Wheatstone y VDD/4 como referencia de voltaje puedes obtener resultados sorprendentemente precisos.

Si conoces la respuesta térmica de la resistencia, puedes ajustar el rango de funcionamiento del sensor con las otras resistencias del puente de piedra de trigo, aumentando así la resolución. También podrá compensar la no linealidad en el SW. El SAADC de la serie nRF52 puede manejar fuentes de <1µA a bajas frecuencias de muestreo, lo que significa que puede obtener una vida de batería extremadamente larga.