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常用温度丈量技术及其接口电路引见

2023年09月14日 10:01:35      来源:上海五久自动化设备有限公司 >> 进入该公司展台      阅读量:42

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常用温度丈量技术及其接口电路引见

 
  温度是实践应用中经常需求测试的参数,从钢铁制造到半导体消费,很多工艺都要依托温度来完成,温度传感器是应用系统与理想世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器停止扼要概述,并引见与电路系统之间的接口。 

温度丈量应用十分普遍,不只消费工艺需求温度控制,有些电子产品还需对它们本身的温度停止丈量,如计算机要监控CPU的温度,马达控制器要晓得功率驱动IC的温度等等,下面引见几种常用的温度传感器。 

热敏电阻器 

用来丈量温度的传感器品种很多,热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC),也就是说温度降落时它的电阻值会升高。在一切被动式温度传感器中,热敏电阻的灵活度(即温度每变化一度时电阻的变化)zui高,但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。 

表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数,这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻停止量测得到的,但它也代表了NTC热敏电阻的总体状况。其中电阻值以一个比率方式给出(R/R25),该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比,通常同一系列的热敏电阻用具有相似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例,25℃时阻值为10KΩ的电阻,在0℃时电阻为28.1KΩ,60℃时电阻为4.086KΩ;与此相似,25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为14.050KΩ。 

图1是热敏电阻的温度曲线,能够看到电阻/温度曲线是非线性的。固然这里的热敏电阻数据以10℃为增量,但有些热敏电阻能够以5℃以至1℃为增量。假如想要晓得两点之间某一温度下的阻值,能够用这个曲线来估量,也能够直接计算出电阻值,计算公式如下: 

这里T指开氏温度,A、B、C、D是常数,依据热敏电阻的特性而各有不同,这些参数由热敏电阻的制造商提供。 

热敏电阻普通有一个误差范围,用来规则样品之间的分歧性。依据运用的资料不同,误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时能够互换,用于不能停止现场调理的场所,例如一台仪器,用户或现场工程师只能改换热敏电阻而无法停止校准,这种热敏电阻比普通的精度要高很多,也要贵得多。 

图2是应用热敏电阻丈量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压,普通它与ADC的参考电压分歧,因而假如ADC的参考电压是5V,Vref也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压,其阻值变化使得节点处的电压也产生变化,该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。 

◆自热问题 
由于热敏电阻是一个电阻,电流流过它时会产生一定的热量,因而电路设计人员应确保拉升电阻足够大,以避免热敏电阻自热过度,否则系统丈量的是热敏电阻发出的热,而不是四周环境的温度。 

热敏电阻耗费的能量对温度的影响用耗散常数来表示,它指将热敏电阻温度进步比环境温度高1℃所需求的毫瓦数。耗散常数因热敏电阻的封装、管脚规格、包封资料及其它要素不同而不一样。 

系统所允许的自热量及限流电阻大小由丈量精度决议,丈量精度为±5℃的丈量系统比精度为±1℃丈量系统可接受的热敏电阻自热要大。

应留意拉升电阻的阻值必需停止计算,以限定整个丈量温度范围内的自热功耗。给定出电阻值以后,由于热敏电阻阻值变化,耗散功率在不同温度下也有所不同。

有时需求对热敏电阻的输入停止标定以便得到适宜的温度分辨率,图3是一个将10~40℃温度范围扩展到ADC整个0~5V输入区间的电路。运算放大器输出公式如下: 

一旦热敏电阻的输入标定完成以后,就能够用图表表示出实践电阻与温度的对应状况。由于热敏电阻是非线性的,所以需求用图表表示,系统要晓得对应每一个温度ADC的值是几,表的精度详细是以1℃为增量还是以5℃为增量要依据详细应用来定。

◆累积误差 
用热敏电阻丈量温度时,在输入电路中要选择好传感器及其它元件,以便和所需求的精度相匹配。有些场所需求精度为1%的电阻,而有些可能需求精度为0.1%的电阻。在任何状况下都应用一张表格算出一切元件的累积误差对丈量精度的影响,这些元件包括电阻、参考电压及热敏电阻自身。 

假如请求精度高而又想少花一点钱,则需求在系统构建好后对它停止校准,由于线路板及热敏电阻必需在现场改换,所以普通状况下不倡议这样做。在设备不能作现场改换或工程师有其它办法监控温度的状况下,也能够让软件建一张温度对应ADC变化的表格,这时需求用其它工具丈量实践温度值,软件才干创立相对应的表格。关于有些必需要现场改换热敏电阻的系统,能够将要改换的元件(传感器或整个模仿前端)在出厂前就校准好,并把校准结果保管在磁盘或其它存储介质上,当然,元件改换后软件必需要可以晓得运用校准后的数据。 

总的来说,热敏电阻是一种低本钱温度丈量办法,而且运用也很简单,下面我们引见电阻温度探测器和热电偶温度传感器。 

电阻温度探测器 

电阻温度探测器(RTD)实践上是一根特殊的导线,它的电阻随温度变化而变化,通常RTD资料包括铜、铂、镍及镍/铁合金。RTD元件能够是一根导线,也能够是一层薄膜,采用电镀或溅射的办法涂敷在陶瓷类资料基底上。 

RTD的电阻值以0℃阻值作为标称值。0℃ 100Ω铂RTD电阻在1℃时它的阻值通常为100.39Ω,50℃时为119.4Ω,图4是RTD电阻/温度曲线与热敏电阻的电阻/温度曲线的比拟。RTD的误差要比热敏电阻小,关于铂来说,误差普通在0.01%,镍普通为0.5%。除误差和电阻较小以外,RTD与热敏电阻的接口电路根本相同。 

热电偶 

热电偶由两种不同金属分离而成,它受热时会产生微小的电压,电压大小取决于组成热电偶的两种金属资料,铁-康铜(J型)、铜-康铜(T型)和铬-铝(K型)热电偶是zui常用的三种。 

热电偶产生的电压很小,通常只要几毫伏。K型热电偶温度每变化1℃时电压变化只要大约40μV,因而丈量系统要能测出4μV的电压变化丈量精度才能够到达0.1℃。 

由于两种不同类型的金属分离在一同会产生电位差,所以热电偶与丈量系统的衔接也会产生电压。普通把衔接点放在隔热块上以减小这一影响,使两个节点处以同一温度下,从而降低误差。有时分也会丈量隔热块的温度,以补偿温度的影响(图5)。 

丈量热电偶电压请求的增益普通为100到300,而热电偶撷取的噪声也会放大同样的倍数。通常采用丈量放大器来放大信号,由于它能够除去热电偶连线里的共模噪声。市场上还能够买到热电偶信号调理器,如模仿器件公司的AD594/595,可用来简化硬件接口。 

固态热传感器 

zui简单的半导体温度传感器就是一个PN结,例如二极管或晶体管基极-发射极之间的PN结。假如一个恒定电流流过正向偏置的硅PN结,正向压降在温度每变化1℃时会降低1.8mV。很多IC应用半导体的这一特性来丈量温度,包括美信的MAX1617、国半的LM335和LM74等等。半导体传感器的接口方式多样,从电压输出到串行SPI/微线接口都能够。 

温度传感器品种很多,经过正确地选择软件和硬件,一定能够找到合适本人应用的传感器。
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