中心論題：
- 工業(yè)中常用溫度傳感器的分類介紹。
- 溫度傳感器的智能化-工業(yè)過程與檢測的溫度測量電路。
- 數(shù)字溫度傳感器的主要特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。
- 用熱敏電阻與風(fēng)扇控制器集成電路(ic)組合解決控制大功率電路的散熱方案。
- 熱電偶通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度上并測量該電壓推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。
- 采用xtr112來測量遠(yuǎn)程三線式rtd的溫度的應(yīng)用電路為rtd提供二階校正實(shí)現(xiàn)了40:1的線性度提升。
- 采用ina330來進(jìn)行熱電冷卻器的恒溫控制。
工業(yè)中常用溫度傳感器的分類
溫度是測量頻度最高的物理參數(shù)，并且可采用各種各樣的傳感器來進(jìn)行測量。所有這些傳感器均通過檢測某種物理特性的變化來推斷溫度。最常用的三種溫度傳感器是熱電偶、電阻溫度計(rtd)和ntc熱敏電阻,見圖1所示。值此先作介紹。
a 熱電偶
由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線(以形成兩個結(jié)點(diǎn))所組成。結(jié)點(diǎn)之間的溫差會在兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生熱電電位(即電壓)。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度上并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，而且體積極小。不過，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷。
b電阻溫度計(rtd)
是能夠顯示電阻值隨溫度變化情況的繞絲或薄膜螺旋管。雖然常用的金屬是銅、鎳和鎳鐵合金等，但采用鉑制成的rtd具有最佳的線性、可重復(fù)性和穩(wěn)定性。憑借其上佳的線性和無與倫比的長期穩(wěn)定性，鉑rtd 牢固確立了自己作為溫度參考傳遞國際標(biāo)準(zhǔn)的地位。盡管薄膜鉑rtd提供了性能匹配，但標(biāo)準(zhǔn)等級線繞電阻則在成本、外形尺寸和便利性方面更勝一籌。早期的薄膜鉑rtd飽受漂移的困擾，原因是它們具有較高的表面積與體積之比,因而令其對污染更加敏感。后來，薄膜隔離和封裝的改進(jìn)消除了這些問題，使得薄膜rtd 一舉超越線繞電阻和ntc熱敏電阻而成為溫度傳感器之首選。
c ntc熱敏電阻
由金屬氧化物陶瓷組成，是低成本、靈敏度最高的溫度傳感器。同時，它們也是線性最差的溫度傳感器，并具有負(fù)溫度系數(shù)。熱敏電阻擁有各種外形尺寸、基極電阻值以及電阻-溫度(r-t)函數(shù)關(guān)系曲線，可供簡化封裝和輸出線性化電路之用。通常將兩個熱敏電阻組合起來使用，以使輸出具有較好的線性。常用的熱敏電阻具有10%- 20%的互換性。雖然可提供1%的精確互換性，但花費(fèi)的成本往往要高于鉑rtd。普通的熱敏電阻可在有限的工作溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出上佳的電阻穩(wěn)定性，而在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時則表現(xiàn)出中等水平的穩(wěn)定性(在125℃條件下為2%/1000小時)。
溫度傳感器的智能化-工業(yè)過程與檢測的溫度測量電路
a rtd測量電路-0℃至400℃溫度范圍的ptl00傳感器線性化測量電路
圖2為只采用一個雙通道運(yùn)算放大器opa2335和7個電阻器便構(gòu)建了具有線性化功能的低成本rtd測量電路。該電路的第一級負(fù)責(zé)在0℃至400℃的溫度范圍內(nèi)對ptl00傳感器進(jìn)行線性化處理，從而產(chǎn)生±0.08℃的最大溫度誤差。r1用于確定rtd的初始激勵電流。r3和r4負(fù)責(zé)設(shè)定線性化級的增益，以確保 a1的輸入處于其共模范圍之內(nèi)。vo1將隨著溫度的升高而升高。vo1的一小部分通過r2饋回輸入端，用于線性化處理。應(yīng)計算出合適的r1-r4電阻器阻值，使得通過rtd的最大激勵電流的電阻100ω，以避免由于自發(fā)熱而導(dǎo)致測量誤差。
該電路的第二級負(fù)責(zé)失調(diào)和增益調(diào)節(jié)。這里，對vo1的線性斜率重新進(jìn)行調(diào)整,以便在0.5v至4.5v的輸出范圍內(nèi)提供10mv/℃的vo2斜率。
b 通過4-20ma電流環(huán)路對遠(yuǎn)程三線式rtd進(jìn)行溫度測量
圖3為該電路采用4- 20ma電流發(fā)送器xtr112來測量遠(yuǎn)程三線式rtd的溫度的應(yīng)用電路圖(三線式是圖3中rtd上下的1、2、3線),這兒應(yīng)用了4-20ma電流發(fā)送器xtr112的電流環(huán)路功能。該器件提供了兩個用于rtd激勵和線性電阻補(bǔ)償?shù)钠ヅ潆娏髟?。?nèi)部線性化電路為rtd提供二階校正，從而實(shí)現(xiàn)了40:1的線性度提升。ir2是用于rtd的激勵電流。ir1是流經(jīng)rz和
rline1,的補(bǔ)償電流。通過選擇與最低溫度條件下的rtd阻值相等的rz阻值， xtr112的內(nèi)部儀表放大器(1na)將測量rtd電阻中與溫度相關(guān)的阻值差量。采用rcm來提供附加壓降，用于給xtrll2的輸入施加偏壓，使其處于共模輸入范圍之內(nèi)。0.01µf旁路電容器可最大限度地降低共模噪聲。rg用于設(shè)定ina的增益。對于二階線性化處理，ina輸出電壓的一小部分通過電阻器r lin1和r lin2進(jìn)行反饋。該輸出電壓在內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為電流，然后加至返回電流iret，以產(chǎn)io=4ma+vin,40/rg的輸出電流。
在電流環(huán)路側(cè)，與信號相關(guān)的4-20ma環(huán)路電流的大部分由晶體管q1來傳導(dǎo)。這把大多數(shù)功耗與xtr112的內(nèi)部精密電路隔離開來，從而保持了超群的準(zhǔn)確度。
c采用連線冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償(cjc)的k型熱電偶來進(jìn)行溫度測量
圖4為該應(yīng)用電路圖。該熱電偶測量電路采用自動置零、單電源放大器opa335。精密電壓基準(zhǔn)ref3040提供4.096v的橋式電源。二極管d1的正向電壓具有-2mv/℃的負(fù)溫度系數(shù)，并通過電阻器網(wǎng)絡(luò)r1-r3來提供冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。
針對規(guī)定的最低溫度的零點(diǎn)調(diào)節(jié)是通過r6 來實(shí)現(xiàn)的，而r7和r9負(fù)責(zé)設(shè)定輸出放大器的增益。opa335提供了aol，=130db的高dc開環(huán)增益，從而在低電壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了超過16位的準(zhǔn)確度(在高增益條件下)。自動置零操作消除了1/f噪聲，并提供了5µv(最大值)的初始失調(diào)以及0.05µv/℃(最大值)的極低溫度失調(diào)漂移。因此，對于那些強(qiáng)制要求高準(zhǔn)確度、低漂移和低噪聲的單電源、精密型應(yīng)用而言，0pa335是理想之選。
d 采用mscl200的多熱電偶用自主型溫度測量
圖5(a)為采用mscl200的多熱電偶用自主型溫度測量應(yīng)用圖。該溫度測量電路采用混合信號控制器mscl200來測量四種不同類型的熱電偶(tc1-tc4)的差分輸出電壓和參考溫度。
mscl200集成了具有22位有效分辨率的△∑型adc、通用型輸入多路轉(zhuǎn)換器、可選輸入緩沖器和增益調(diào)節(jié)范圍為1-128的可編程增益放大器(pga) ,見圖5(b)所示。該器件包括片上溫度傳感器、快閃存儲器和sram存儲器以及改良型8051-cpu(在功耗相同的情況下，其運(yùn)行速度可達(dá)最初標(biāo)準(zhǔn)版本的3倍)。片上電流數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(1-dac)可提供至rtd和熱敏電阻的激勵電流。其mscl200混合信號控制器內(nèi)部框圖見圖5(b)所示。
集成電流源為實(shí)現(xiàn)傳感器燒毀檢測創(chuàng)造了條件
從圖5(a) 可分析,在熱電偶定位較遠(yuǎn)的場合，輸入rc低通濾波器將消除差分和共模噪聲(當(dāng)在噪聲環(huán)境中工作時，熱電偶的導(dǎo)線有可能拾取這些噪聲)。對于不同類型的熱電偶，有可能需要采用不同的pga(可編程增益放大器)設(shè)置以減小模擬輸入阻抗。低輸入阻抗可導(dǎo)致補(bǔ)償電流流過熱電偶。這些電流會擾亂電子密度(塞貝克效應(yīng)正是因此而產(chǎn)生的)，從而在熱電偶輸出端給出錯誤的熱電勢讀數(shù)。為了始終提供某些gw(增益寬帶)的高輸入阻抗，必須啟動輸入緩沖器。然而，這將把輸入共模范圍降至比模擬地高50mv，而比正模擬電源低1.5v。為了確保熱電偶信號處于該范圍之內(nèi)，應(yīng)通過10k-100kω(見圖5(a)中rlin)電阻器來給每個輸入施加偏置電壓。該偏置電壓由精密電壓基準(zhǔn)電路ref3112來提供，它具有0.2%的初始誤差和15ppm/℃的溫度漂移。
冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償
從圖5(a)可知,冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償(cjc)是通過由aincom引腳(圖5(a)下端)讀出線性化熱敏電阻電路兩端的輸出電壓來完成的。輸入多路轉(zhuǎn)換器的通用性使得能夠?qū)⒕彌_器的正輸入和負(fù)輸入分配至任何模擬輸入引腳。因此，為了對參考溫度進(jìn)行差分測量，需將一個緩沖器輸入連接至aincom而將另一個輸入連接至任何熱電偶的“低端”輸入(ain1、3、5或7)。然而，一旦選擇了某個輸入，則參考溫度的所有后續(xù)差分測量都必須以同一個“低端”輸入為基準(zhǔn)。如果mscl200靠近等溫部件且基于所需的準(zhǔn)確度，則片上mscl200的溫度傳感器可被用于cjc。
e 采用ina330來進(jìn)行熱電冷卻器的恒溫控制
圖6為該恒溫控制電路。其1na330 是專為在光網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)學(xué)分析應(yīng)用中進(jìn)行熱電冷卻器(tec)控制而設(shè)計的精密型放大器,它專為在基于10kω熱敏電阻的溫度控制器中使用而進(jìn)行了優(yōu)化。 ina330提供熱敏電阻激勵，并生成與施加在輸入端上的電阻差成比例的輸出電壓。它只采用了一個精密電阻器(rset)和熱敏電阻(圖6左側(cè)帶箭頭的 rtherm =10kω)，因而為傳統(tǒng)的橋式電路提供了一種替代方案。這種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)免除了增設(shè)兩個精密電阻器的需要，同時保持了適合于溫度控制應(yīng)用的絕佳準(zhǔn)確度。 ina330在產(chǎn)品的使用壽命期限內(nèi)始終提供了優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和非常低的1/f噪聲。低失調(diào)使得-40℃至+85℃范圍內(nèi)的溫度誤差僅為0.009℃。
從圖6 左上可見,施加在輸入端v1和v2上的激勵電壓將產(chǎn)生流經(jīng)熱敏電阻(rtherm)和精密電阻器(rset)的電流i1和i2片上電流輸送電路產(chǎn)生的輸出電流為io=i1-i2。該流經(jīng)外部增益設(shè)定電阻器(rg)的輸出電流在外部進(jìn)行緩沖，并出現(xiàn)在vo引腳上。任何加至rg另一端的偏置電壓都將與輸出電壓相加，因此，vo=io•rg+vadjust.該輸出電壓將饋送至pid控制器，這個控制器向采用橋接負(fù)載配置的tec驅(qū)動器提供輸入電壓。兩個運(yùn)算放大器(opa569)為cmos型、單電源放大器，可在采用3v電源的情況下提供高達(dá)2a的負(fù)載驅(qū)動電流。
在本應(yīng)用中，受控溫度由dac來設(shè)定。如果tec的溫度升至設(shè)定溫度以上，則tec電流將單向流動，以進(jìn)行冷卻。如果溫度降至設(shè)定點(diǎn)以下，則電流方向反轉(zhuǎn)， tec發(fā)熱升溫。圖中的虛線表示從tec至熱敏電阻的閉環(huán)熱反饋。兩者雖然從機(jī)械上來講是安裝在一起的，但在電氣上卻是相互隔離的。
數(shù)字溫度傳感器
tmp75 和tmpl75是二線式、串行輸出溫度傳感器,其內(nèi)部組成框圖見圖7(a)所示。這些器件無需使用外部元件，并能夠以0.0625℃的分辨率來顯示溫度讀數(shù)。二線式接口與smbus兼容，從而允許tmpl75在一根總線上連接多達(dá)27部設(shè)備(而tmp75則最多可在一根總線上連接8部設(shè)備)。這兩款器件均具有smbus報警功能，是工業(yè)環(huán)境中常見的擴(kuò)展溫度測量應(yīng)用(見圖7(b)所示)的理想選擇。
a 主要特點(diǎn)
*27個地址(tmpl75)
*8個地址(tmp75)
*數(shù)字輸出：二線式串行接口
*分辨率：9至12位，用戶可選
*準(zhǔn)確度：
±1.5℃(最大值)，在25℃至+85℃范圍內(nèi)
±2.0℃(最大值)，在40℃至+125℃范圍內(nèi)
*低靜態(tài)電流：50µa，0.1µa(待機(jī)狀態(tài)下)
*寬電源范圍：2.7v至5.5v
*封裝型式：so-8
應(yīng)用范圍
*電源溫度監(jiān)視
*電腦外設(shè)熱保護(hù)
*恒溫器控制器
*環(huán)境監(jiān)控和hvac
用熱敏電阻與風(fēng)扇控制器集成電路(ic)組合解決控制大功率電路的散熱方案
*大功率電路的散熱問題
投影儀、大功率電源、數(shù)據(jù)通訊交換機(jī)和路由器等設(shè)備的散熱是一個值得考慮的問題。這些應(yīng)用功耗極大,使設(shè)計人員在設(shè)計時要用風(fēng)扇來冷卻電子元件。如果吹向元器件的氣流等于或小于每分鐘六到七立方英尺(cfm)即可滿足冷卻要求,那么直流無刷風(fēng)扇將是一個不錯的選擇。
*利用帶微處理器的電路或獨(dú)立風(fēng)扇控制器集成電路(1c)驅(qū)動和控制直流無刷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速的選擇。
如果應(yīng)用中有多個風(fēng)扇, 則基于單片機(jī)的系統(tǒng)是最佳電路方案。借助這一單芯片方案和為數(shù)不多的外部元件,即可經(jīng)濟(jì)地對各種環(huán)境下的所有風(fēng)扇及溫度進(jìn)行控制。對于單一風(fēng)扇的電路,獨(dú)立風(fēng)扇控制器ic是最佳選擇.獨(dú)立ic具備故障檢測電路,當(dāng)風(fēng)扇出現(xiàn)故障時會通知系統(tǒng),從而切斷系統(tǒng)的耗電部分。獨(dú)立ic的風(fēng)扇故障檢測電路能夠抗干擾，可確保將假警報濾除。采用ntc熱敏電阻或片上的內(nèi)部溫度傳感器，即可將這種電路用于遠(yuǎn)程溫度傳感,具有很好的經(jīng)濟(jì)性。這種電路的另一個優(yōu)點(diǎn)在于可檢測雙線風(fēng)扇的故障,雙線風(fēng)扇比三線風(fēng)扇更加便宜。
*風(fēng)扇的激勵、溫度監(jiān)測以及風(fēng)扇噪聲是設(shè)計中的三個主要問題
如果不考慮所采用的電路類型,當(dāng)風(fēng)扇的位置確定下來后,應(yīng)對三個主要的設(shè)計問題加以考慮,分別為：風(fēng)扇的激勵、溫度監(jiān)測以及風(fēng)扇噪聲。
圖8所示為利用獨(dú)立ic驅(qū)動雙線風(fēng)扇的電路。此電路中,風(fēng)扇控制器集成電路tc647b的作用是根據(jù)ntc熱敏電阻上傳感的溫度改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。tc647b還可檢測風(fēng)扇運(yùn)行,并顯示風(fēng)扇何時發(fā)生了故障。
無刷直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可通過兩種方法控制,即線性改變風(fēng)扇電壓或?qū)﹄妷哼M(jìn)行脈寬調(diào)制(pwm)。圖8中tc647b利用pwm波形驅(qū)動晶體管q1的基極,進(jìn)而驅(qū)動風(fēng)扇電壓。
改變pwm波形的脈寬可提高/降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。利用脈寬調(diào)制法控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，效率比線性調(diào)整法高。
通過圖8 可獲得工作于pwm模式下，rsense兩端和sense引腳上的電壓。檢測電阻rsense上的電壓既有直流成分，又有交流成分。交流電壓是由風(fēng)扇電機(jī)繞組上電流換相產(chǎn)生的.rsense上的瞬時電壓通過csense耦合到tc647b的sense引腳。這樣就除去了檢測電阻上電壓的直流成分。 sense引腳上接有一個10kω的內(nèi)部接地電阻,該引腳可檢測電壓脈沖,并將風(fēng)扇的運(yùn)行情況傳送給tc647b。如果sense 引腳在一秒鐘內(nèi)未檢測到脈沖，tc647b即顯示出現(xiàn)了故障。
*熱敏電阻rntc與tc647b連接的三種方案。見圖9(a)(b)(c)所示
利用一種廉價的方案, 如一只熱敏電阻,即可方便地測量出溫度。熱敏電阻具有快速、小巧、輸出范圍寬等特點(diǎn)，且只需一個雙線接口。其另一個優(yōu)點(diǎn)在于，熱敏電阻與tc647b的距離可以較遠(yuǎn),從而使布局更加靈活。盡管熱敏電阻不是線性的，但可在一個較小的溫度范圍內(nèi)(+25℃)進(jìn)行線性化處理，如圖9(a)(b)所示。線性化處理和電平變化是利用標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻r1和r2實(shí)現(xiàn)的。圖9熱敏電阻rntc與tc647b連接是采用為圖9(c) 所示-具備電平變化功能的分壓電路形式。
盡管分立電路或單片機(jī)方案均可實(shí)現(xiàn)對雙線風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行與溫度成正比的控制和風(fēng)扇故障檢測, 但設(shè)計者還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。tc647b是一枚開關(guān)模式雙線無刷直流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器。脈寬調(diào)制(pwm)是用來控制與熱敏電阻的溫度相關(guān)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的。風(fēng)扇的最小轉(zhuǎn)速可通過連接到vmin的簡單電阻分壓器來設(shè)置。利用集成的啟動定時器確保電機(jī)通電時能可靠啟動、從關(guān)斷模式恢復(fù)，或在瞬時故障后能自動重啟風(fēng)扇。
由于tc647b采用了microchip的fansense(風(fēng)扇撿測)技術(shù)，提高了系統(tǒng)可靠性。
結(jié)束語
上述介紹的常用溫度傳感器的分類及溫度傳感器的智能化，即工業(yè)過程與檢測的溫度測量電路，它們是實(shí)用技術(shù)的一部分，究竟采用何種？是要根據(jù)實(shí)際項目的情況作出選擇。
