吳 康

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

1、 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。

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

1.1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。

1.2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。

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，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)。

2、 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。該器件提供了兩個用于RTD激勵和線性電阻補(bǔ)償?shù)钠ヅ潆娏髟?