温度传感器的智能化

      从常用的三种温度传感器-热电偶、RTD和NTC热敏电阻开始到智能化的开拓与数字温度传感器引入将分别按序介绍,并对其在解决大功率电路发热设计方案中的应用作一分折说明。

关键词：线性化   共模噪声    结点补偿    温度漂移   PWM模式

1、 工业中常用温度传感器的分类

        温度是测量频度最高的物理参数，并且可采用各种各样的传感器来进行测量。所有这些传感器均通过检测某种物理特性的变化来推断温度。最常用的三种温度传感器是热电偶、电阻温度计(RTD)和NTC热敏电阻,见图1所示。值此先作介绍。

2、ANALOG FOR THE DIGITAL AGE  2004  Microchip Technology Inc.

1.1热电偶

        由两个焊接在一起的异金属导线(以形成两个结点)所组成。结点之间的温差会在两根导线之间产生热电电位(即电压)。通过将参考结点保持在已知温度上并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，而且体积极小。不过，它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺陷。

1.2电阻温度计(RTD)

        是能够显示电阻值随温度变化情况的绕丝或薄膜螺旋管。虽然常用的金属是铜、镍和镍铁合金等，但采用铂制成的RTD具有最佳的线性、可重复性和稳定性。凭借其上佳的线性

        和无与伦比的长期稳定性，铂RTD牢固确立了自己作为温度参考传递国际标准的地位。尽管薄膜铂RTD提供了性能匹配，但标准等级线绕电阻则在成本、外形尺寸和便利性方面更胜一筹。早期的薄膜铂RTD饱受漂移的困扰，原因是它们具有较高的表面积与体积之比,因而令其对污染更加敏感。后来，薄膜隔离和封装的改进消除了这些问题，使得薄膜RTD一举超越线绕电阻和NTC热敏电阻而成为温度传感器之首选。

1.3 NTC热敏电阻

        由金属氧化物陶瓷组成，是低成本、灵敏度最高的温度传感器。同时，它们也是线性最差的温度传感器，并具有负温度系数。热敏电阻拥有各种外形尺寸、基极电阻值以及电阻-温度(R-T)函数关系曲线，可供简化封装和输出线性化电路之用。通常将两个热敏电阻组合起来使用，以使输出具有较好的线性。常用的热敏电阻具有10%-20%的互换性。虽然可提供1%的精确互换性，但花费的成本往往要高于铂RTD。普通的热敏电阻可在有限的工作温度范围内呈现出上佳的电阻稳定性，而在较宽的温度范围内工作时则表现出中等水平的稳定性(在125℃条件下为2%/1000小时)。

2、 温度传感器的智能化-工业过程与检测的温度测量电路

2.1 RTD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。

22 通过4-20mA电流环路对远程三线式RTD进行温度测量

        图3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3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R LIN1和R LIN2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4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。

3、 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-8

    3.2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HVAC

4、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。利用集成的启动定时器确保电机通电时能可靠启动、从关断模式恢复，或在瞬时故障后能自动重启风扇。

        由于TC647B采用了Microchip的FanSense(风扇捡测)技术，提高了系统可靠性。

5、结束语

        上述介绍的常用温度传感器的分类及温度传感器的智能化，即工业过程与检测的温度测量电路，它们是实用技术的一部分，究竟采用何种？是要根据实际项目的情况作出选择。