二、温度传感器的智能化

第二章、温度传感器的智能化——工业过程与检测的温度测量电路2.1RTD测量电路—0℃至400℃温度范围的PTｌ00传感器线性化测量电路图2为只采用一个双通道运算放大器OPＡ23３5和7个电阻器便构建了具有线性化功能的低成本RTD测量电路。该电路的第一级负责在0℃至400℃的温度范围内对PＴl0０传感器进行线性化处理，从而产生±0。０8℃的最大温度误差。R1用于确定ＲＴＤ的初始激励电流。R3和Ｒ４负责设定线性化级的增益，以确保A1的输入处于其共模范围之内。Ｖｏ１将随着温度的升高而升高。Ｖｏ1的一小部分通过R２馈回输入端，用于线性化处理.应计算出合适的Ｒ1—Ｒ４电阻器阻值,使得通过RＴD的最大激励电流的电阻达100Ω，以避免由于自发热而导致测量误差。该电路的第二级负责失调和增益调节。这里，对Ｖo1的线性斜率重新进行调整，以便在0．5V至4.５V的输出范围内提供1０ｍV/℃的Vｏ2斜率.2.2通过4－20mA电流环路对远程三线式RTD进行温度测量ﻩ图4为该电路采用4-20mA电流发送器ＸTR11２来测量远程三线式ＲＴD的温度的应用电路图（三线式是图4中ＲＴＤ上下的1、２、3线），这儿应用了4－2０mA电流发送器ＸTR1１2的电流环路功能。该器件提供了两个用于RTD激励和线性电阻补偿的匹配电流源。内部线性化电路为ＲＴＤ提供二阶校正，从而实现了4０:1的线性度提升。IR2是用于RＴＤ的激励电流.IR1是流经Rz和ＲＬIＮE1,的补偿电流。通过选择与最低温度条件下的ＲTＤ阻值相等的Rz阻值,XＴR112的内部仪表放大器（1ＮA)将测量RＴD电阻中与温度相关的阻值差量。采用ＲCM来提供附加压降,用于给ＸTＲｌl2的输入施加偏压,使其处于共模输入范围之内。０．0１µF旁路电容器可最大限度地降低共模噪声。ＲG用于设定INA的增益。对于二阶线性化处理,IＮA输出电压的一小部分通过电阻器ＲＬIN1和RLIN2进行反馈。该输出电压在内部被转换为电流，然后加至返回电流IRET，以产生Iｏ＝4mＡ+VＩN，40／RG的输出电流.在电流环路侧，与信号相关的4-20mＡ环路电流的大部分由晶体管Ｑ1来传导。这把大多数功耗与XＴR11２的内部精密电路隔离开来，从而保持了超群的准确度。2．3采用连线冷结点补偿(CJC)的K型热电偶来进行温度测量图3为该应用电路图。该热电偶测量电路采用自动置零、单电源放大器OPA３３5。精密电压基准RＥＦ３0４0提供4．096Ｖ的桥式电源。二极管D1的正向电压具有-2ｍV/℃的负温度系数,并通过电阻器网络R1—R3来提供冷结点补偿。针对规定的最低温度的零点调节是通过Ｒ6来实现的,而R7和R９负责设定输出放大器的增益。OＰＡ33５提供了ＡOＬ,＝13０dB的高DC开环增益,从而在低电压应用中实现了超过1６位的准确度(在高增益条件下).自动置零操作消除了1/f噪声，并提供了５µＶ(最大值）的初始失调以及0.0５µV／℃(最大值）的极低温度失调漂移。因此，对于那些强制要求高准确度、低漂移和低噪声的单电源、精密型应用而言,０ＰＡ335是理想之选.2.4采用MSCl20０的多热电偶用自主型温度测量图5（ａ)为采用ＭSＣl20０的多热电偶用自主型温度测量应用图。该温度测量电路采用混合信号控制器MＳCl200来测量四种不同类型的热电偶(Tc１－Ｔc４）的差分输出电压和参考温度。MSCl200集成了具有2２位有效分辨率的△∑型AＤＣ、通用型输入多路转换器、可选输入缓冲器和增益调节范围为1－12８的可编程增益放大器(PGA）,见图5（ｂ）所示。该器件包括片上温度传感器、快闪存储器和ＳRＡM存储器以及改良型8０51－ＣＰU(在功耗相同的情况下，其运行速度可达最初标准版本的3倍)。片上电流数字—模拟转换器（１-ＤＡC)可提供至RTD和热敏电阻的激励电流。其MSＣl20０混合信号控制器内部框图见图５(b)所示.2。4１集成电流源为实现传感器烧毁检测创造了条件从图５（a)可分析，在热电偶定位较远的场合，输入ＲＣ低通滤波器将消除差分和共模噪声(当在噪声环境中工作时,热电偶的导线有可能拾取这些噪声).对于不同类型的热电偶,有可能需要采用不同的PGA（可编程增益放大器)设置以减小模拟输入阻抗。低输入阻抗可导致补偿电流流过热电偶。这些电流会扰乱电子密度（塞贝克效应正是因此而产生的），从而在热电偶输出端给出错误的热电势读数。为了始终提供某些GW(增益宽带)的高输入阻抗，必须启动输入缓冲器.然而，这将把输入共模范围降至比模拟地高5０mＶ，而比正模拟电源低１.5Ｖ。为了确保热电偶信号处于该范围之内，应通过10ｋ－１00ｋΩ（见图5(a）中RLＩN)电阻器来给每个输入施加偏置电压。该偏置电压由精密电压基准电路REF311２来提供,它具有0。2％的初始误差和１5ｐpm／℃的温度漂移.２。４2冷结点补偿从图5(ａ)可知,冷结点补偿（ＣＪC)是通过由ＡINCＯM引脚（图5(a）下端）读出线性化热敏电阻电路两端的输出电压来完成的。输入多路转换器的通用性使得能够将缓冲器的正输入和负输入分配至任何模拟输入引脚.因此,为了对参考温度进行差分测量,需将一个缓冲器输入连接至AINCOM而将另一个输入连接至任何热电偶的“低端”输入（AＩN１、３、5或7）。然而，一旦选择了某个输入，则参考温度的所有后续差分测量都必须以同一个“低端”输入为基准.如果ＭSCl2０0靠近等温部件且基于所需的准确度，则片上MSＣl２0０的温度传感器可被用于CJC。2．5采用ＩNA3３0来进行热电冷却器的恒温控制图６为该恒温控制电路。其１ＮA330是专为在光网络和医学分析应用中进行热电冷却器(TEC）控制而设计的精密型放大器,它专为在基于１0ｋΩ热敏电阻的温度控制器中使用而进行了优化.INＡ３30提供热敏电阻激励,并生成与施加在输入端上的电阻差成比例的输出电压。它只采用了一个精密电阻器（RSＥT）和热敏电阻(图6左侧带箭头的RＴHERＭ=1０kΩ),因而为传统的桥式电路提供了一种替代方案。这种新型拓扑结构免除了增设两个精密电阻器的需要，同时保持了适合于温度控制应用的绝佳准确度.INA330在产品的使用寿命期限内始终提供了优异的长期稳定性和非常低的1/ｆ噪声。低失调使得-４０℃至＋8５℃范围内的温度误差仅为０.0０９℃。从图6左上可见，施加在输入端Ｖ１和Ｖ2上的激励电压将产生流经热敏电阻（ＲTＨEＲM）和精密电阻器（ＲSＥＴ）的电流I１和I2片上电流输送电路产生的输出电流为Ｉo=I1-I2。该流经外部增益设定电阻器（RＧ）的输出电流在外部进行缓冲,并出现在Vo引脚上。任何加至RG另一端的偏置电压都将与输出电压相加，因此，Vo=Iｏ·ＲG+VＡDJＵＳＴ.该输出电压将馈送至PID控制器,这个控制器向采用桥接负载配置的TEC驱动器提供输入电压。两个运算放大器(ＯPA569）为ＣＭOS型、单电源放大器，可在采用3V电源的情况下提供高达２A的负载驱动电流。在本应用中，受控温度由DＡC来设定。如果ＴＥC的温度升至设定温度以上，则ＴEC电流将单向流动，以进行冷却。如果温度降至设定点以下，则电流方向反转，TEC发热升温。图中的虚线表示从TEC至热敏电阻的闭环热反馈。两者虽然从机械上来讲是安装在一起的，但在电气上却是相互隔离的。第三章、数字温度传感器TMＰ7５和ＴMPl75是二线式、串行输出温度传感器,其内部组成框图见图7（a)所示。这些器件无需使用外部元件,并能够以０。06２5℃的分辨率来显示温度读数。二线式接口与ＳMＢｕs兼容，从而允许TＭPｌ7５在一根总线上连接多达2７部设备(而ＴMＰ7５则最多可在一根总线上连接8部设备）。这两款器件均具有SMＢus报警功能，是工业环境中常见的扩展温度测量应用(见图7（b）所示）的理想选择。３。1主要特点＊27个地址(TMＰｌ7５)＊8个地址(TMＰ75）*数字输出：二线式串行接口*分辨率:9至１2位,用户可选＊准确度:±1.5℃（最大值)，在２5℃至+85℃范围内±２。0℃(最大值），在40℃至＋１25℃范围内＊低静态电流：50µA，０.1µA（待机状态下)*宽电源范围:２.７V至5。5V＊封装型式：ＳＯ—８３．2应用范围*电源温度监视＊电脑外设热保护＊恒温器控制器＊环境监控和HVAC4、用热敏电阻与风扇控制器集成电路(IC）组合解决控制大功率电路的散热方案＊大功率电路的散热问题投影仪、大功率电源、数据通讯交换机和路由器等设备的散热是一个值得考虑的问题。这些应用功耗极大，使设计人员在设计时要用风扇来冷却电子元件。如果吹向元器件的气流等于或小于每分钟六到七立方英尺（CＦM）即可满足冷却要求，那么直流无刷风扇将是一个不错的选择.＊利用带微处理器的电路或独立风扇控制器集成电路(1C）驱动和控制直流无刷风扇的转速的选择。如果应用中有多个风扇，则基于单片机的系统是最佳电路方案.借助这一单芯片方案和为数不多的外部元件,即可经济地对各种环境下的所有风扇及温度进行控制.对于单一风扇的电路,独立风扇控制器IＣ是最佳选择。独立IＣ具备故障检测电路，当风扇出现故障时会通知系统，从而切断系统的耗电部分.独立IC的风扇故障检测电路能够抗干扰,可确保将假警报滤除.采用NTＣ热敏电阻或片上的内部温度传感器,即可将这种电路用于远程温度传感,具有很好的经济性.这种电路的另一个优点在于可检测双线风扇的故障，双线风扇比三线风扇更加便宜。＊风扇的激励、温度监测以及风扇噪声是设计中的三个主要问题如果不考虑所采用的电路类型，当风扇的位置确定下来后,应对三个主要的设计问题加以考虑，分别为:风扇的激励、温度监测以及风扇噪声.图8所示为利用独立IＣ驱动双线风扇的电路。此电路中，风扇控制器集成电路TC647Ｂ的作用是根据ＮTC热敏电阻上传感的温度改变风扇的转速。ＴC６４7B还可检测风扇运行，并显示风扇何时发生了故障。无刷直流风扇的转速可通过两种方法控制，即线性改变风扇电压或对电压进行脉宽调制（ＰWＭ)。图8中TC６４7Ｂ利用ＰWM波形驱动晶体管Q１的基极，进而驱动风扇电压。改变PWＭ波形的脉宽可提高/降低风扇转速。利用脉宽调制法控制风扇的转速,效率比线性调整法高。通过图8可获得工作于PWM模式下,ＲSＥNSＥ两端和SENSE引脚上的电压。检测电阻RＳＥNＳE上的电压既有直流成分,又有交流成分.交流电压是由风扇电机绕组上电流换相产生的。ＲＳENＳＥ上的瞬时电压通过CSEＮSＥ耦合到TC6４７B的ＳENSE引脚.这样就除去了检测电阻上电压的直流成分.SＥNＳE引脚上接有一个10KΩ的内部接地电阻,该引脚可检测电压脉冲,并将风扇的运行情况传送给TC6４７B.如果ＳＥNSE引脚在一秒钟内未检测到脉冲，TC64７B即显示出现了故障。＊热敏电阻RＮＴC与TC６４7B连接的三种方案。见图9（ａ)(b）(c)所示利用一种廉价的方案,如一只热敏电阻，即可方便地测量出温度.热敏电阻具有快速、小巧、输出范围宽等特点,且只需一个双线接口。其另一个优点在于,热敏电阻与TＣ６４7Ｂ的距离可以较远,从而使布局更加灵活。尽管热敏电阻不是线性的,但可在一个较小的温度范围内（＋2５℃）进行线性化处理，如图９(a)（b)所示。线性化处理和电平变化是利用标准的1％电阻Ｒ1和R2实现的.图9热敏电阻ＲNTC与TC6４７Ｂ连接是采用为图９（C)所示—具备电平变化功能的分压电路形式。尽管分立电路或单片机方案均可实现对双线风扇的转速进行与温度成正比的控制和风扇故障检测，但设计者还应注意以下几点。TC64７Ｂ是一枚开关模式双线无刷直流风扇转速控制器.脉宽调制(PWM)是用来控制与热敏电阻的温度相关的风扇转速的.风扇的最小转速可通过连接到ＶMIＮ的简单电阻分压器来设置。利用