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常用溫度測(cè)量技術(shù)及其接口電路

發(fā)布時(shí)間:2011-10-18

中心議題:
  • 分析常用溫度測(cè)量技術(shù)及其接口電路
  • 了解熱敏電阻器
  • 利用電阻溫度探測(cè)器

溫度是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要測(cè)試的參數(shù),從鋼鐵制造到半導(dǎo)體生產(chǎn),很多工藝都要依靠溫度來實(shí)現(xiàn),溫度傳感器是應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界之間的橋梁。本文對(duì)不同的溫度傳感器進(jìn)行簡要概述,并介紹與電路系統(tǒng)之間的接口。圖1:熱敏電阻器的電阻/溫度曲線。

溫度測(cè)量應(yīng)用非常廣泛,不僅生產(chǎn)工藝需要溫度控制,有些電子產(chǎn)品還需對(duì)它們自身的溫度進(jìn)行測(cè)量,如計(jì)算機(jī)要監(jiān)控CPU的溫度,馬達(dá)控制器要知道功率驅(qū)動(dòng)IC的溫度等等,下面介紹幾種常用的溫度傳感器。

熱敏電阻器

用來測(cè)量溫度的傳感器種類很多,熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC),也就是說溫度下降時(shí)它的電阻值會(huì)升高。在所有被動(dòng)式溫度傳感器中,熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時(shí)電阻的變化)最高,但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。
表1是一個(gè)典型的NTC熱敏電阻器性能參數(shù),這些數(shù)據(jù)是對(duì)圖2:熱敏電阻測(cè)量溫度的典型電路。Vishay-Dale熱敏電阻進(jìn)行量測(cè)得到的,但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個(gè)比率形式給出(R/R25),該比率表示當(dāng)前溫度下的阻值與25℃時(shí)的阻值之比,通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻/溫度曲線。以表1中的熱敏電阻系列為例,25℃時(shí)阻值為10KΩ的電阻,在0℃時(shí)電阻為28.1KΩ,60℃時(shí)電阻為4.086KΩ;與此類似,25℃時(shí)電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時(shí)電阻則為 14.050KΩ。
圖1是熱敏電阻的溫度曲線,可以看到電阻/溫度曲線是非線性的。雖然這里的熱敏電阻數(shù)據(jù)以10℃為增量,但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點(diǎn)之間某一溫度下的阻值,可以用這個(gè)曲線來估計(jì),也可以直接計(jì)算出電阻值,計(jì)算公式如下:
這里T指開氏絕對(duì)溫度,A、B、C、D是常數(shù),根據(jù)熱敏電阻的特性而各有不同,這些參數(shù)由熱敏電阻的制造商提供。

 熱敏電阻一般有一個(gè)誤差范圍,用來規(guī)定樣品之間的一致性。根據(jù)使用的材料不同,誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設(shè)計(jì)成應(yīng)用時(shí)可以互換,用于不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合,例如一臺(tái)儀器,用戶或現(xiàn)場(chǎng)工程師只能更換熱敏電阻而無法進(jìn)行校準(zhǔn),這種熱敏電阻比普通的精度要高很多,也要貴得多。

圖2是利用熱敏電阻測(cè)量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓,一般它與ADC的參考電壓一致,因此如果ADC的參考電壓是5V,Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯(lián)產(chǎn)生分壓,其阻值變化使得節(jié)點(diǎn)處的電壓也產(chǎn)生變化,該電路的精度取決于熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。
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◆自熱問題


由于熱敏電阻是一個(gè)電阻,電流流過它時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量,因此電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保拉升電阻足夠大,以防止熱敏電阻自熱過度,否則系統(tǒng)測(cè)量的是熱敏電阻發(fā)出的熱,而不是周圍環(huán)境的溫度。

熱敏電阻消耗的能量對(duì)溫度的影響用耗散常數(shù)來表示,它指將熱敏電阻溫度提高比環(huán)境溫度高1℃所需要的毫瓦數(shù)。耗散常數(shù)因熱敏電阻的封裝、管腳規(guī)格、包封材料及其它因素不同而不一樣。

系統(tǒng)所允許的自熱量及限流電阻大小由測(cè)量精度決定,測(cè)量精度為±5℃的測(cè)量系統(tǒng)比精度為±1℃測(cè)量系統(tǒng)可承受的熱敏電阻自熱要大。

應(yīng)注意拉升電阻的阻值必須進(jìn)行計(jì)算,以限定整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)的自熱功耗。給定出電阻值以后,由于熱敏電阻阻值變化,耗散功率在不同溫度下也有所不同。

有時(shí)需要對(duì)熱敏電阻的輸入進(jìn)行標(biāo)定以便得到合適的溫度分辨率,圖3是一個(gè)將10~40℃溫度范圍擴(kuò)展到ADC整個(gè)0~5V輸入?yún)^(qū)間的電路。運(yùn)算放大器輸出公式如下:

一旦熱敏電阻的輸入標(biāo)定完成以后,就可以用圖表表示出實(shí)際電阻與溫度的對(duì)應(yīng)情況。由于熱敏電阻是非線性的,所以需要用圖表表示,系統(tǒng)要知道對(duì)應(yīng)每一個(gè)溫度ADC的值是多少,表的精度具體是以1℃為增量還是以5℃為增量要根據(jù)具體應(yīng)用來定。

 ◆累積誤差

用熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí),在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件,以便和所需要的精度相匹配。有些場(chǎng)合需要精度為1%的電阻,而有些可能需要精度為0.1%的電阻。在任何情況下都應(yīng)用一張表格算出所有元件的累積誤差對(duì)測(cè)量精度的影響,這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。

如果要求精度高而又想少花一點(diǎn)錢,則需要在系統(tǒng)構(gòu)建好后對(duì)它進(jìn)行校準(zhǔn),由于線路板及熱敏電阻必須在現(xiàn)場(chǎng)更換,所以一般情況下不建議這樣做。在設(shè)備不能作現(xiàn)場(chǎng)更換或工程師有其它方法監(jiān)控溫度的情況下,也可以讓軟件建一張溫度對(duì)應(yīng)ADC變化的表格,這時(shí)需要用其它工具測(cè)量實(shí)際溫度值,軟件才能創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的表格。對(duì)于有些必須要現(xiàn)場(chǎng)更換熱敏電阻的系統(tǒng),可以將要更換的元件(傳感器或整個(gè)模擬前端)在出廠前就校準(zhǔn)好,并把校準(zhǔn)結(jié)果保存在磁盤或其它存儲(chǔ)介質(zhì)上,當(dāng)然,元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。圖4:RTD與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。

總的來說,熱敏電阻是一種低成本溫度測(cè)量方法,而且使用也很簡單,下面我們介紹電阻溫度探測(cè)器和熱電偶溫度傳感器。

電阻溫度探測(cè)器

電阻溫度探測(cè)器(RTD)實(shí)際上是一根特殊的導(dǎo)線,它的電阻隨溫度變化而變化,通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導(dǎo)線,也可以是一層薄膜,采用電鍍或?yàn)R射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。
RTD的電阻值以0℃阻值作為標(biāo)稱值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時(shí)它的阻值通常為100.39Ω,50℃時(shí)為119.4Ω,圖4是RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。 RTD的誤差要比熱敏電阻小,對(duì)于鉑來說,誤差一般在0.01%,鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外,RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同。
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熱電偶


熱電偶由兩種不同金屬結(jié)合而成,它受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的電壓,電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料,鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是最常用的三種。圖5:熱點(diǎn)偶溫度測(cè)量接口電路。
 
熱電偶產(chǎn)生的電壓很小,通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時(shí)電壓變化只有大約40μV,因此測(cè)量系統(tǒng)要能測(cè)出4μV的電壓變化測(cè)量精度才可以達(dá)到0.1℃。

由于兩種不同類型的金屬結(jié)合在一起會(huì)產(chǎn)生電位差,所以熱電偶與測(cè)量系統(tǒng)的連接也會(huì)產(chǎn)生電壓。一般把連接點(diǎn)放在隔熱塊上以減小這一影響,使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處以同一溫度下,從而降低誤差。有時(shí)候也會(huì)測(cè)量隔熱塊的溫度,以補(bǔ)償溫度的影響(圖5)。

測(cè)量熱電偶電壓要求的增益一般為100到300,而熱電偶擷取的噪聲也會(huì)放大同樣的倍數(shù)。通常采用測(cè)量放大器來放大信號(hào),因?yàn)樗梢猿犭娕歼B線里的共模噪聲。市場(chǎng)上還可以買到熱電偶信號(hào)調(diào)節(jié)器,如模擬器件公司的AD594/595,可用來簡化硬件接口。

固態(tài)熱傳感器

表1:典型NTC熱敏電阻器性能參數(shù)。
最簡單的半導(dǎo)體溫度傳感器就是一個(gè)PN結(jié),例如二極管或晶體管基極-發(fā)射極之間的PN結(jié)。如果一個(gè)恒定電流流過正向偏置的硅 PN結(jié),正向壓降在溫度每變化1℃時(shí)會(huì)降低1.8mV。很多IC利用半導(dǎo)體的這一特性來測(cè)量溫度,包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74 等等。半導(dǎo)體傳感器的接口形式多樣,從電壓輸出到串行SPI/微線接口都可以。

溫度傳感器種類很多,通過正確地選擇軟件和硬件,一定可以找到適合自己應(yīng)用的傳感器。
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