第二章、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2.1 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。

2.2 通过4-20mA电流环路对远程三线式RTD进行温度测量

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。