中心論題：
- 工業中常用溫度傳感器的分類介紹。
- 溫度傳感器的智能化-工業過程與檢測的溫度測量電路。
- 數字溫度傳感器的主要特點和應用范圍。
- 用熱敏電阻與風扇控制器集成電路(ic)組合解決控制大功率電路的散熱方案。
- 熱電偶通過將參考結點保持在已知溫度上并測量該電壓推斷出檢測結點的溫度。
- 采用xtr112來測量遠程三線式rtd的溫度的應用電路為rtd提供二階校正實現了40:1的線性度提升。
- 采用ina330來進行熱電冷卻器的恒溫控制。
工業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，并且可采用各種各樣的傳感器來進行測量。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。
a 熱電偶
由兩個焊接在一起的異金屬導線(以形成兩個結點)所組成。結點之間的溫差會在兩根導線之間產生熱電電位(即電壓)。通過將參考結點保持在已知溫度上并測量該電壓，便可推斷出檢測結點的溫度。熱電偶的優點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、容易遭受來自導線環路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷。
b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、可重復性和穩定性。憑借其上佳的線性和無與倫比的長期穩定性，鉑rtd 牢固確立了自己作為溫度參考傳遞國際標準的地位。盡管薄膜鉑rtd提供了性能匹配，但標準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。
c 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，并具有負溫度系數。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)函數關系曲線，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呈現出上佳的電阻穩定性，而在較寬的溫度范圍內工作時則表現出中等水平的穩定性(在125℃條件下為2%/1000小時)。
溫度傳感器的智能化-工業過程與檢測的溫度測量電路
a 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算放大器opa2335和7個電阻器便構建了具有線性化功能的低成本rtd測量電路。該電路的第一級負責在0℃至400℃的溫度范圍內對ptl00傳感器進行線性化處理，從而產生±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負責設定線性化級的增益，以確保 a1的輸入處于其共模范圍之內。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100ω，以避免由于自發熱而導致測量誤差。
該電路的第二級負責失調和增益調節。這里，對vo1的線性斜率重新進行調整,以便在0.5v至4.5v的輸出范圍內提供10mv/℃的vo2斜率。
b 通過4-20ma電流環路對遠程三線式rtd進行溫度測量
圖3為該電路采用4- 20ma電流發送器xtr112來測量遠程三線式rtd的溫度的應用電路圖(三線式是圖3中rtd上下的1、2、3線),這兒應用了4-20ma電流發送器xtr112的電流環路功能。該器件提供了兩個用于rtd激勵和線性電阻補償的匹配電流源。內部線性化電路為rtd提供二階校正，從而實現了40:1的線性度提升。ir2是用于rtd的激勵電流。ir1是流經rz和
rline1,的補償電流。通過選擇與最低溫度條件下的rtd阻值相等的rz阻值， xtr112的內部儀表放大器(1na)將測量rtd電阻中與溫度相關的阻值差量。采用rcm來提供附加壓降，用于給xtrll2的輸入施加偏壓，使其處于共模輸入范圍之內。0.01µf旁路電容器可最大限度地降低共模噪聲。rg用于設定ina的增益。對于二階線性化處理，ina輸出電壓的一小部分通過電阻器r lin1和r lin2進行反饋。該輸出電壓在內部被轉換為電流，然后加至返回電流iret，以產io=4ma+vin,40/rg的輸出電流。
在電流環路側，與信號相關的4-20ma環路電流的大部分由晶體管q1來傳導。這把大多數功耗與xtr112的內部精密電路隔離開來，從而保持了超群的準確度。
c采用連線冷結點補償(cjc)的k型熱電偶來進行溫度測量
圖4為該應用電路圖。該熱電偶測量電路采用自動置零、單電源放大器opa335。精密電壓基準ref3040提供4.096v的橋式電源。二極管d1的正向電壓具有-2mv/℃的負溫度系數，并通過電阻器網絡r1-r3來提供冷結點補償。
針對規定的最低溫度的零點調節是通過r6 來實現的，而r7和r9負責設定輸出放大器的增益。opa335提供了aol，=130db的高dc開環增益，從而在低電壓應用中實現了超過16位的準確度(在高增益條件下)。自動置零操作消除了1/f噪聲，并提供了5µv(最大值)的初始失調以及0.05µv/℃(最大值)的極低溫度失調漂移。因此，對于那些強制要求高準確度、低漂移和低噪聲的單電源、精密型應用而言，0pa335是理想之選。
d 采用mscl200的多熱電偶用自主型溫度測量
圖5(a)為采用mscl200的多熱電偶用自主型溫度測量應用圖。該溫度測量電路采用混合信號控制器mscl200來測量四種不同類型的熱電偶(tc1-tc4)的差分輸出電壓和參考溫度。
mscl200集成了具有22位有效分辨率的△∑型adc、通用型輸入多路轉換器、可選輸入緩沖器和增益調節范圍為1-128的可編程增益放大器(pga) ,見圖5(b)所示。該器件包括片上溫度傳感器、快閃存儲器和sram存儲器以及改良型8051-cpu(在功耗相同的情況下，其運行速度可達最初標準版本的3倍)。片上電流數字-模擬轉換器(1-dac)可提供至rtd和熱敏電阻的激勵電流。其mscl200混合信號控制器內部框圖見圖5(b)所示。
集成電流源為實現傳感器燒毀檢測創造了條件
從圖5(a) 可分析,在熱電偶定位較遠的場合，輸入rc低通濾波器將消除差分和共模噪聲(當在噪聲環境中工作時，熱電偶的導線有可能拾取這些噪聲)。對于不同類型的熱電偶，有可能需要采用不同的pga(可編程增益放大器)設置以減小模擬輸入阻抗。低輸入阻抗可導致補償電流流過熱電偶。這些電流會擾亂電子密度(塞貝克效應正是因此而產生的)，從而在熱電偶輸出端給出錯誤的熱電勢讀數。為了始終提供某些gw(增益寬帶)的高輸入阻抗，必須啟動輸入緩沖器。然而，這將把輸入共模范圍降至比模擬地高50mv，而比正模擬電源低1.5v。為了確保熱電偶信號處于該范圍之內，應通過10k-100kω(見圖5(a)中rlin)電阻器來給每個輸入施加偏置電壓。該偏置電壓由精密電壓基準電路ref3112來提供，它具有0.2%的初始誤差和15ppm/℃的溫度漂移。
冷結點補償
從圖5(a)可知,冷結點補償(cjc)是通過由aincom引腳(圖5(a)下端)讀出線性化熱敏電阻電路兩端的輸出電壓來完成的。輸入多路轉換器的通用性使得能夠將緩沖器的正輸入和負輸入分配至任何模擬輸入引腳。因此，為了對參考溫度進行差分測量，需將一個緩沖器輸入連接至aincom而將另一個輸入連接至任何熱電偶的“低端”輸入(ain1、3、5或7)。然而，一旦選擇了某個輸入，則參考溫度的所有后續差分測量都必須以同一個“低端”輸入為基準。如果mscl200靠近等溫部件且基于所需的準確度，則片上mscl200的溫度傳感器可被用于cjc。
e 采用ina330來進行熱電冷卻器的恒溫控制
圖6為該恒溫控制電路。其1na330 是專為在光網絡和醫學分析應用中進行熱電冷卻器(tec)控制而設計的精密型放大器,它專為在基于10kω熱敏電阻的溫度控制器中使用而進行了優化。 ina330提供熱敏電阻激勵，并生成與施加在輸入端上的電阻差成比例的輸出電壓。它只采用了一個精密電阻器(rset)和熱敏電阻(圖6左側帶箭頭的 rtherm =10kω)，因而為傳統的橋式電路提供了一種替代方案。這種新型拓撲結構免除了增設兩個精密電阻器的需要，同時保持了適合于溫度控制應用的絕佳準確度。 ina330在產品的使用壽命期限內始終提供了優異的長期穩定性和非常低的1/f噪聲。低失調使得-40℃至+85℃范圍內的溫度誤差僅為0.009℃。
從圖6 左上可見,施加在輸入端v1和v2上的激勵電壓將產生流經熱敏電阻(rtherm)和精密電阻器(rset)的電流i1和i2片上電流輸送電路產生的輸出電流為io=i1-i2。該流經外部增益設定電阻器(rg)的輸出電流在外部進行緩沖，并出現在vo引腳上。任何加至rg另一端的偏置電壓都將與輸出電壓相加，因此，vo=io•rg+vadjust.該輸出電壓將饋送至pid控制器，這個控制器向采用橋接負載配置的tec驅動器提供輸入電壓。兩個運算放大器(opa569)為cmos型、單電源放大器，可在采用3v電源的情況下提供高達2a的負載驅動電流。
在本應用中，受控溫度由dac來設定。如果tec的溫度升至設定溫度以上，則tec電流將單向流動，以進行冷卻。如果溫度降至設定點以下，則電流方向反轉， tec發熱升溫。圖中的虛線表示從tec至熱敏電阻的閉環熱反饋。兩者雖然從機械上來講是安裝在一起的，但在電氣上卻是相互隔離的。
數字溫度傳感器
tmp75 和tmpl75是二線式、串行輸出溫度傳感器,其內部組成框圖見圖7(a)所示。這些器件無需使用外部元件，并能夠以0.0625℃的分辨率來顯示溫度讀數。二線式接口與smbus兼容，從而允許tmpl75在一根總線上連接多達27部設備(而tmp75則最多可在一根總線上連接8部設備)。這兩款器件均具有smbus報警功能，是工業環境中常見的擴展溫度測量應用(見圖7(b)所示)的理想選擇。
a 主要特點
*27個地址(tmpl75)
*8個地址(tmp75)
*數字輸出：二線式串行接口
*分辨率：9至12位，用戶可選
*準確度：
±1.5℃(最大值)，在25℃至+85℃范圍內
±2.0℃(最大值)，在40℃至+125℃范圍內
*低靜態電流：50µa，0.1µa(待機狀態下)
*寬電源范圍：2.7v至5.5v
*封裝型式：so-8
應用范圍
*電源溫度監視
*電腦外設熱保護
*恒溫器控制器
*環境監控和hvac
用熱敏電阻與風扇控制器集成電路(ic)組合解決控制大功率電路的散熱方案
*大功率電路的散熱問題
投影儀、大功率電源、數據通訊交換機和路由器等設備的散熱是一個值得考慮的問題。這些應用功耗極大,使設計人員在設計時要用風扇來冷卻電子元件。如果吹向元器件的氣流等于或小于每分鐘六到七立方英尺(cfm)即可滿足冷卻要求,那么直流無刷風扇將是一個不錯的選擇。
*利用帶微處理器的電路或獨立風扇控制器集成電路(1c)驅動和控制直流無刷風扇的轉速的選擇。
如果應用中有多個風扇, 則基于單片機的系統是最佳電路方案。借助這一單芯片方案和為數不多的外部元件,即可經濟地對各種環境下的所有風扇及溫度進行控制。對于單一風扇的電路,獨立風扇控制器ic是最佳選擇.獨立ic具備故障檢測電路,當風扇出現故障時會通知系統,從而切斷系統的耗電部分。獨立ic的風扇故障檢測電路能夠抗干擾，可確保將假警報濾除。采用ntc熱敏電阻或片上的內部溫度傳感器，即可將這種電路用于遠程溫度傳感,具有很好的經濟性。這種電路的另一個優點在于可檢測雙線風扇的故障,雙線風扇比三線風扇更加便宜。
*風扇的激勵、溫度監測以及風扇噪聲是設計中的三個主要問題
如果不考慮所采用的電路類型,當風扇的位置確定下來后,應對三個主要的設計問題加以考慮,分別為：風扇的激勵、溫度監測以及風扇噪聲。
圖8所示為利用獨立ic驅動雙線風扇的電路。此電路中,風扇控制器集成電路tc647b的作用是根據ntc熱敏電阻上傳感的溫度改變風扇的轉速。tc647b還可檢測風扇運行,并顯示風扇何時發生了故障。
無刷直流風扇的轉速可通過兩種方法控制,即線性改變風扇電壓或對電壓進行脈寬調制(pwm)。圖8中tc647b利用pwm波形驅動晶體管q1的基極,進而驅動風扇電壓。
改變pwm波形的脈寬可提高/降低風扇轉速。利用脈寬調制法控制風扇的轉速，效率比線性調整法高。
通過圖8 可獲得工作于pwm模式下，rsense兩端和sense引腳上的電壓。檢測電阻rsense上的電壓既有直流成分，又有交流成分。交流電壓是由風扇電機繞組上電流換相產生的.rsense上的瞬時電壓通過csense耦合到tc647b的sense引腳。這樣就除去了檢測電阻上電壓的直流成分。 sense引腳上接有一個10kω的內部接地電阻,該引腳可檢測電壓脈沖,并將風扇的運行情況傳送給tc647b。如果sense 引腳在一秒鐘內未檢測到脈沖，tc647b即顯示出現了故障。
*熱敏電阻rntc與tc647b連接的三種方案。見圖9(a)(b)(c)所示
利用一種廉價的方案, 如一只熱敏電阻,即可方便地測量出溫度。熱敏電阻具有快速、小巧、輸出范圍寬等特點，且只需一個雙線接口。其另一個優點在于，熱敏電阻與tc647b的距離可以較遠,從而使布局更加靈活。盡管熱敏電阻不是線性的，但可在一個較小的溫度范圍內(+25℃)進行線性化處理，如圖9(a)(b)所示。線性化處理和電平變化是利用標準的1%電阻r1和r2實現的。圖9熱敏電阻rntc與tc647b連接是采用為圖9(c) 所示-具備電平變化功能的分壓電路形式。
盡管分立電路或單片機方案均可實現對雙線風扇的轉速進行與溫度成正比的控制和風扇故障檢測, 但設計者還應注意以下幾點。tc647b是一枚開關模式雙線無刷直流風扇轉速控制器。脈寬調制(pwm)是用來控制與熱敏電阻的溫度相關的風扇轉速的。風扇的最小轉速可通過連接到vmin的簡單電阻分壓器來設置。利用集成的啟動定時器確保電機通電時能可靠啟動、從關斷模式恢復，或在瞬時故障后能自動重啟風扇。
由于tc647b采用了microchip的fansense(風扇撿測)技術，提高了系統可靠性。
結束語
上述介紹的常用溫度傳感器的分類及溫度傳感器的智能化，即工業過程與檢測的溫度測量電路，它們是實用技術的一部分，究竟采用何種？是要根據實際項目的情況作出選擇。
