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工程师温度传感指南—温度传感器设计挑战和解决方案, 从热敏电阻到多通道远程传感器IC③

—— 第5章:流体温度监测,第6章:阈值检测,第7章:温度补偿和校准
作者:TI(德州仪器)时间:2020-02-01来源:电子产品世界收藏

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本文引用地址:http://68qudao.com/article/202002/409522.htm

第 1 章:温度传感基本原理

第 2 章:系统温度监测

第 2.1 节: 如何监测电路板温度

第 2.2 节: 高性能处理器模温监测

第 3 章:环境温度监测

第 3.1 节: 精确测量环境温度的布局注意事项

第 3.2 节: 通过可扩展的实现高效的冷链管理


第 4 章:体温监测,可穿戴式温度传感的设计挑战(√)

第 5 章:流体温度监测 使用数字在热量计中替代 RTD(√)

第 6 章:阈值检测 如何避免控制系统遭受热损坏(√)

第 7 章:温度补偿和校准(√)

第 7.1 节: 使用高精度进行温度补偿

第 7.2 节: 校准热监测系统的方法


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编者的话:

在个人电子产品、工业或医疗应用的设计中,工程师必须应对同样的挑战,即如何提升性能、增加功能并缩小尺寸。除了这些考虑因素外,他们还必须仔细监测温度以确 保安全并保护系统和消费者免受伤害。

www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线众多行业的另一个共同趋势是需要处理来自更多传感器的更多数据,进一步说明了温度测量的重要性:不仅要测量系统或环境条件,还要补偿其他温度敏感元件,从而确保传感器和系统的精度。另外一个好处在于,有了精确的温度监测,无需再对系统进行过度设计来补偿不准确的温度测量,从而可以提高系统性能并降低成本。

温度设计挑战分为三类:

• 温度监测:温度传感器提供有价值的数据来持续跟 踪温度条件,并为控制系统提供反馈。此监测可以是系统温度监测或环境温度监测。在一些应用中,我们 可以看到设计挑战的特点是需要在控制回路中同时实现这两种监测。www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线这些监测包括系统温度监测、环境 温度监测以及身体或流体温度监测。

• 温度保护:在多种应用中,一旦系统超过或低于功能温度阈值,便需要采取措施。温度传感器在检测到事先定义的条件时提供输出警报以防止系统损坏。在不影响系统可靠性的情况下提升处理器吞吐量是可行的。系统经常过早启动安全热关断,结果造成高达 5°C 甚至 10°C 的性能损失。当系统超过或低于功能温度阈值时,工程师可以自主启动实时保护措施。

• 温度补偿:www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线温度传感器可以在正常工作期间随温度变化最大限度提高系统性能。监测和校正其他关键组件在发热和冷却时的温漂可降低系统故障的风险。

www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线电子书将提供一些 TI 应用简介,由此说明使用不同温度传感技术的各种应用的设计注意事项。书中的章节首先介绍主要的温度挑战,然后重点说明各种应用的设计注意事项,评估温度精度和应用尺寸之间的权衡,同时讨传感器放置方法。


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www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线对于许多计量和工业过程,有必要直接测量流体的温度, 或使用温度数据进行补偿以便更准确地计算流体的容积流量。流体温度监测应用不仅要求传感器具有较小的尺寸以降低流动阻力,在液体易燃的情况下还要求具有较低的功耗。www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线TI 的低功耗模拟和数字解决方案具有与 AA 级电阻温度检测器 (RTD) 媲美的精度,功耗仅为 6.3µW。

使用数字温度传感器在热量计中替代 RTD

简介

热量计是通过测量系统的入口管和出口管之间的流速和温度变化来测量热能的装置。这些装置通常在工厂中用于锅炉输出测量,以及在住宅供暖和制冷系统中用于热量输送测量。

由于热能的测量需要流速和温度,因此必须准确测量这两个参数。测量不准确可能导致能量输送测量结果不正确,从而导致不足额或超额计费。

一种称为电阻温度检测器 (RTD) 的无源组件(其电阻随 温度而变化)可以避免测量误差。RTD 使用铂、铜或镍等 金属制成,支持宽温度范围(约 -200°C 至 +850°C)。

如表 1 所示,RTD 的精度由其类别定义。www.yibovip.vom_【官方首页】-奕博在线国际电工委员会 (IEC)/欧洲标准 (EN) 60751 定义了四种 RTD 类 别:C、B、A 和 AA,其中 C 类的精度最低,AA 类的精度最高。较低精度的类别将具有更大的温度范围。例如,C 类薄膜 RTD 覆盖的温度范围为 -50°C 至 +600°C,而 AA 类 薄膜 RTD 覆盖的温度范围为 0°C 至 +150°C。

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施加电流源将在 RTD 上产生电压差;该电压与 RTD 的电阻及其激励电流成比例。该电压数据用于测量来自入口管和出口管的两个温度源之间的差值。

热量计中的流体温度测量

固态热量计在计算住宅和工业用户的热能计费方面越来越流行。这些仪表在入口管或出口管上进行流量测量,并在入口管和出口管上都有一对匹配的 RTD 探头。图 1 显 示了使用 RTD 的热量计系统的框图。

RTD 提供低功率和高精度,这些特性非常理想,因为在大多数住宅单元中,热量计都是独立的电池供电型系统。系统快速从断电模式唤醒、对 RTD 温度进行采样并随后返回断电模式的功能可以延长电池寿命并最大限度降低能耗。

但是,这些系统要求匹配良好的RTD正确读取差分测量值。 並需要在设计时仔细考虑系统成本和复杂性。

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典型的热量计使用一对连接到高精度模拟前端的 PT100 、PT500 或 PT1000 传感器。欧洲 EN 1434 等规范定义了 有关这些仪表的要求。此规范的两个主要方面为:

• 传感器精度和类型。EN 60751 中的第 5.4 章建议使用精度高于 B 类或等于 A 类或 AA 类且采用三线或四线配置的工业铂电阻温度计。EN 1434-2 指出可以使用其他类型的温度传感器,但如果这样做,则不能将它们与热量计或热量计算器装置分开。

• 校准.EN 1434-2 的第 4.1 章规定,所有温度传感器对都必须在内置于热量计之前进行预校准和配对。或者,应将传感器牢固地安装在热量计的印刷电路板 上,然后进行校准,从而最大限度减少两个 PT 传感器之间的温度偏移。

热量计数字温度传感器的设计注意事项

高精度数字温度传感器将传感器和模数转换器集成到单个器件中。主微控制器不需要进行额外的温度转换处理。 让我们根据上面列出的行业标准规范来评估设计注意事项:

• 传感器精度和类型。诸如 TMP117 之类的数字温度传感器在 -20°C 至 +50°C 温度范围内支持的精度为 ±0.1°C,在 -55°C 至 +150°C 温度范围内的最高精度规格为 ±0.3°C。这些规格超出了相同范围内的 AA 类 RTD 精度,符合 EN 60751 和 EN 1434-2 规范在精 度和传感器类型方面的要求。

• 校准.传感器在相同条件下连续进行温度测量时重现读数的能力称为可重复性。TMP117 具有 7.8125m°C 的可重复性,因此传感器本身具有非常一致和可靠的性能。TMP117 还包括一个温度偏移寄存器,可用于在初始校准期间存储温度偏移,然后在经过线性化后添加到温度结果中。在入口和出口处校准传感器对是使用热量计进行流体温度测量的必要条件。 具有良好的可重复性规格和偏移寄存器有助于实现 可靠、可重复且最终简化的设计。

在设计中使用数字温度传感器可消除模拟信号链的偏移和增益校准步骤(这是在基于两线、三线或四线 RTD 的 配置中进行传统模拟信号测量所必需的操作)。与传统的模拟 RTD 传感器相比,数字温度传感器可以将用户定义的校准参数存储在 8 字节电可擦除可编程只读存储器 (偏移寄存器)中,因此甚至可以消除文书工作和校准数据处理工作。此外,在开始时读出非易失性存储器内容以及每次测量温度时对结果应用偏移或任何其他调整也会更节能。

图 2 显示了使用 TMP117 数字温度传感器的热量计架构。

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采用这种架构的四线数字接口与标准模拟四线 RTD 传感器之间具有电气兼容性。基于 RTD 的设计还需要一个精度通常优于 0.1% 和 ±25ppm/°C 的高精度参考电阻器以及匹配的电阻-电容滤波器。采用集成数字设计方法也消除了对这种高精度参考电阻器的需求。

表 2 总结了 RTD 传感器和 TMP117 数字温度传感器的设计注意事项。

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总体而言,高精度的 TMP117 温度传感器消除了多个窄容差分立式组件和集成器件,可在热量计中节省 PCB 空间、降低复杂性并减少成本。

有关高精度流体温度传感的其他资源,请参阅表 3。

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关键词: 温度传感器 概述

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