摘要：本文從常用的三種溫度傳感器-熱電偶、RTD和NTC熱敏電阻開始到智能化的開拓與數(shù)字溫度傳感器引入將分別按序介紹,并對其在解決大功率電路發(fā)熱設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用作一分折說明。
關(guān)鍵詞：線性化 共模噪聲 結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償 溫度漂移 PWM模式
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(jì)(RTD)和NTC熱敏電阻,見圖1所示。值此先作介紹。
1.1熱電偶
由兩個(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線(以形成兩個(gè)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。
1.2電阻溫度計(jì)(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。
1.3 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(shí)，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(gè)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(shí)則表現(xiàn)出中等水平的穩(wěn)定性(在125℃條件下為2%/1000小時(shí))。
溫度傳感器的智能化-工業(yè)過程與檢測的溫度測量電路
2.1 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(gè)雙通道運(yùn)算放大器OPA2335和7個(gè)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(lì)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(jì)算出合適的R1-R4
電阻器阻值，使得通過RTD的最大激勵(lì)電流的電阻達(dá)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。
22 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(gè)用于RTD激勵(lì)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(lì)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)生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。
2.3 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(dòng)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(dòng)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。
2.4采用MSCl200的多熱電偶用自主型溫度測量
