雖然溫度測量對于很多應(yīng)用來說是一項(xiàng)常規(guī)要求,但開發(fā)人員在確保結(jié)果高度準(zhǔn)確方面仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)??朔@些挑戰(zhàn)往往會導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于復(fù)雜以及設(shè)計(jì)周期的延長,但新型器件的出現(xiàn)正在不斷降低這種復(fù)雜性。
本文旨在簡單討論一下與開發(fā)精確解決方案相關(guān)的溫度測量要求和挑戰(zhàn)。隨后本文會介紹 Linear Technology LTC2986-1 溫度傳感器,說明該產(chǎn)品如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn);最后會向開發(fā)人員展示如何在含有各種溫度傳感器(包括熱電偶、RTD 和熱敏電阻)的典型應(yīng)用中利用這些功能。
溫度測量要求和技術(shù)
在構(gòu)建強(qiáng)大的溫度測量系統(tǒng)時,設(shè)計(jì)人員需要利用各類傳感器來滿足其對成本、精度和溫度范圍的特定要求。在這些傳感器類型中,通常會在苛刻的環(huán)境中使用熱電偶,因?yàn)樗鼈兡軌驕y量 -265°C 至 1800°C 以上的溫度。
熱電偶所產(chǎn)生的電壓是尖頭與其冷結(jié)(用來構(gòu)成熱電偶的兩條導(dǎo)線的末端)之間溫差的函數(shù)。因此,整體測量精度取決于熱電偶電壓和冷結(jié)的精確測量。
由于 Seebeck 效應(yīng),熱電偶會產(chǎn)生電壓梯度,而其他常見的溫度傳感器還包括電阻溫度檢測器 (RTD)、熱敏電阻和二極管,同時需要激勵電流才能產(chǎn)生隨溫度變化的電壓輸出。作為電阻器件,RTD 和熱敏電阻還需要與激勵電流源串聯(lián)的精密檢測電阻。檢測電阻會與電阻器件形成一個電阻網(wǎng)絡(luò),從而可對通過傳感器的電壓進(jìn)行輻射計(jì)式測量。最后,就各種類型的傳感器而言,開發(fā)人員需要采用相應(yīng)方法,以便使用查找表或方程將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為線性化溫度數(shù)據(jù)。
除了要處理傳感器外,開發(fā)人員在確保溫度測量系統(tǒng)正常運(yùn)行方面也面臨著多重挑戰(zhàn)。溫度傳感器通常放置在工廠、商業(yè)環(huán)境、建筑物和家中一些環(huán)境較為惡劣的位置,無論在那里,應(yīng)用都要求能夠測量空氣或液體流動中的溫度梯度。在工業(yè)應(yīng)用中,在傳感器和測量系統(tǒng)輸入之間使用長電纜,會使電纜受到電氣噪聲、磨損和外部電壓源影響,可能會損壞傳感器及其測量系統(tǒng)。
工程師采用了各種各樣的方法來處理影響溫度測量系統(tǒng)性能的各種因素。隨著對溫度傳感器需求的不斷增長,傳統(tǒng)方法通常會加大設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,并且還會增加部署和維護(hù)成本。Linear Technology 的 LTC2986-1 能應(yīng)對這些挑戰(zhàn),它可以借助多個傳感器提供精確的溫度測量,開發(fā)人員需要花費(fèi)的精力也很少。
降低復(fù)雜性
Linear Technology 的 LTC2986-1 是一款多通道溫度測量系統(tǒng),旨在簡化設(shè)計(jì)復(fù)雜性,支持大多數(shù)傳感器類型,其中包括熱電偶、RTD、熱敏電阻、二極管和有源模擬溫度傳感器。由于此器件已集成完整的信號路徑、轉(zhuǎn)換、線性化和其他功能,因此開發(fā)人員可借助溫度傳感器本身及一些其他元器件實(shí)現(xiàn)高度精確的溫度測量設(shè)計(jì)(圖 1)。如下所述,盡管該系列的早期產(chǎn)品(如 Linear Technology LTC2984)可提供更多輸入通道,但 LTC2986-1 能提供其他工作模式,從而實(shí)現(xiàn)以獨(dú)特的解決方案提高精度。
圖 1:Linear Technology 的 LTC2986-1 具備十個輸入通道、可編程電流源、內(nèi)置線性化表和故障檢測功能,所以設(shè)計(jì)人員可將各種溫度傳感器與其連接。(圖片來源:Linear Technology)
對于 RTD、熱敏電阻和二極管,該器件會自動產(chǎn)生指定電平的激勵電流,測量所得的傳感器電壓,并生成線性化結(jié)果(單元為 °C 或 °F)。LTC2986-1 經(jīng)過預(yù)編程,帶有針對大多數(shù) RTD 和熱敏電阻的轉(zhuǎn)換和線性化數(shù)據(jù)。同樣地,該器件幾乎能對所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行預(yù)配置,還能使用 RTD、熱敏電阻、二極管或有源模擬溫度傳感器支持冷結(jié)補(bǔ)償。就溫度測量而言,該器件會自動求解將熱電偶輸出電壓和冷結(jié)測量值轉(zhuǎn)換為實(shí)用溫度讀數(shù)所涉及的多項(xiàng)式方程。對于更為常規(guī)的轉(zhuǎn)換要求,開發(fā)人員可使用 LTC2986-1 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 執(zhí)行單端或差分電壓測量,生成原始電壓結(jié)果或利用可編程查找表對結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件的數(shù)據(jù)外,該器件還可與定制 RTD、熱電偶、二極管、有源傳感器和熱敏電阻配合使用。對于定制器件,開發(fā)人員可將查找表加載到存儲器中,該表包含多達(dá) 64 個表示傳感器相對溫度輸出值的數(shù)據(jù)點(diǎn)。對于定制熱敏電阻,開發(fā)人員還可直接將多達(dá)六個熱敏電阻制造商通常提供的 Steinhart-Hart 系數(shù)加載到該器件。與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的內(nèi)置數(shù)據(jù)一樣,該器件在轉(zhuǎn)換過程及軟故障檢測期間會使用這些定制系數(shù)和查找表確認(rèn)最終的溫度插值(圖 2)。
圖 2:Linear Technology 的 LTC2986-1 可將開發(fā)人員創(chuàng)建的查找表用于定制器件,當(dāng)輸入值超出所提供的輸入數(shù)據(jù)范圍時,會自動報(bào)錯。(圖片來源:Linear Technology)
提高精度和保護(hù)
對于轉(zhuǎn)換過程,該器件使用多個周期來提升精度。在正常操作中,該器件會是使用兩個周期,已在產(chǎn)生最終溫度結(jié)果之前補(bǔ)償失調(diào)誤差和噪聲。開發(fā)人員也可以用三周期模式使用該器件,即放緩測量速度以獲取某些好處;其中三周期模式和兩周期模式的時間分別約 251 毫秒 (ms) 和 167 ms。
在三周期模式下,該器件可以在第一個周期通過產(chǎn)生電流脈沖來執(zhí)行開路檢測,然后再進(jìn)行兩個周期的正常轉(zhuǎn)換過程。若該器件在隨后的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)檢測到較高電壓,它將會設(shè)置一個狀態(tài)位以報(bào)告硬故障,從而指示熱電偶或電纜可能已受損。此外,除開路所致的硬故障外,該器件還能報(bào)告多種不同的故障情況(圖 3)。
位故障錯誤類型描述輸出結(jié)果D31傳感器硬故障硬開路、ADC 或冷結(jié)硬故障-999°C 或 °FD30ADC 超范圍硬故障硬ADC 讀數(shù)錯誤(可能混雜外部噪聲事件)-999°C 或 °FD29冷結(jié)硬故障硬冷結(jié)傳感器出現(xiàn)硬故障錯誤-999°C 或 °FD28冷結(jié)軟故障軟冷結(jié)傳感器結(jié)果超出正常范圍可疑讀數(shù)D27傳感器過壓軟熱電偶讀數(shù)高于上限可疑讀數(shù)D26傳感器欠壓軟熱電偶讀數(shù)低于下限可疑讀數(shù)D25ADC 超范圍軟ADC 絕對輸入電壓超過 ±1.125 × VREF/2可疑讀數(shù)D24有效不適用結(jié)果有效(應(yīng)為 1),如果為 0,則放棄結(jié)果有效讀數(shù)圖 3:Linear Technology 的 LTC2986-1 可為所有傳感器讀數(shù)生成硬故障和軟故障,還能提供與熱電偶傳感器相關(guān)的冷結(jié)測量附加結(jié)果,如圖所示。(圖片來源:Linear Technology)
除了保護(hù)應(yīng)用免受傳感器故障影響外,開發(fā)人員通常還會采用設(shè)計(jì)技術(shù)專門來保護(hù)測量系統(tǒng)本身。溫度傳感器通常會用于惡劣環(huán)境。諸如熱電偶之類的傳感器通常完全外露,以便為測量系統(tǒng)的輸入提供可接入的導(dǎo)電路徑。即便使用 RTD 或熱敏電阻等封裝傳感器,電纜也有可能受損,進(jìn)而導(dǎo)致引線可能出現(xiàn)高壓短路或彼此之間的短路。最后,即使是非常細(xì)心的操作員和技術(shù)人員也會不小心做出錯誤的電纜連接,尤其是在可與不同傳感器類型的通用硬件連接配合使用的應(yīng)用中。
為了保護(hù)測量系統(tǒng)不出現(xiàn)過壓情況,開發(fā)人員通常會在測量系統(tǒng)的傳感器和輸入通道之間放置限流電阻。通常情況下,設(shè)計(jì)人員會增加電容器以建立低通濾波器,進(jìn)而減弱噪聲源。這些濾波器會延長建立時間,在使用激勵電流脈沖的方法(如上文所述的 LTC2986-1 轉(zhuǎn)換過程)中運(yùn)用這些濾波器特別有問題。除了建立時間會增加復(fù)雜度外,保護(hù)電阻的使用也會影響測量精度。
LTC2986-1 所提供的功能和工作模式專為減輕保護(hù)電阻的次要不利影響而設(shè)計(jì)。例如,為了抵消因器件輸入端的較大濾波器所致的建立時間延長,開發(fā)人員可在該器件的輸入多路復(fù)用器開關(guān)時間中編程加入附加延遲。假如可能會對結(jié)果產(chǎn)生更大影響,該器件獨(dú)特的激勵電流模式可解決更多與保護(hù)電阻相關(guān)的串聯(lián)電阻的基本問題。
雖然保護(hù)電阻對于確保安全而言至關(guān)重要,但是用于像 RTD 或熱敏電阻這樣的任何電阻器件時很有問題。在兩端子電阻器件中,當(dāng)激勵電流流經(jīng)保護(hù)元件的附加串聯(lián)電阻時,添加保護(hù)電阻會影響電壓測量。由于傳感器是電阻器,開發(fā)人員通常也要面臨將傳感器電阻與保護(hù)電阻及其引線相關(guān)的附加串聯(lián)電阻分開的挑戰(zhàn)。
為了解決此問題,工程師采用 3 線 RTD,并在 RTD 端子和外加電線之間使用電阻來測量引線電阻。當(dāng)然,這種方法需要仔細(xì)匹配引線長度和串聯(lián)電阻以確保其精度。為避免出現(xiàn)匹配問題,采用 4 線式或開爾文檢測,在每個端子上使用電阻器可能是更好的解決方案(圖 4)。
圖 4:傳統(tǒng) 4 線 RTD 允許電流繞過用于保護(hù)測量通道的串聯(lián)電阻(此圖中的 CH3 和 CH4),因此通過這些通道的漏電電流非常低,進(jìn)而能將測量誤差控制在有限范圍。(圖片來源:Linear Technology)
在此配置中,電流通過的路徑(圖 4 中的 CH1 至 CH5)不涉及測量通道(CH3 和 CH4)上的串聯(lián)保護(hù)電阻。流經(jīng)測量通道的所有電流均僅限于器件的漏電電流。由于 LTC2986-1 的輸入漏電電流小于 1 納安 (nA),相關(guān)的測量誤差通常會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于任何所需的分辨率水平。
不過,若是借助 LTC2986-1,此方法便不再受限于 4 線 RTD。工程師可以對器件進(jìn)行配置,使用 3 線 RTD、2 線 RTD 和熱敏電阻執(zhí)行開爾文檢測。
對于各種此類傳感器,LTC2986-1 可提供獨(dú)特的激勵模式,即將相鄰?fù)ǖ烙米麟娏髀窂健榱藢?shí)現(xiàn)這種模式,開發(fā)人員需在每個傳感器端子和獨(dú)立的 LTC2986-1 輸入之間連接一個附加保護(hù)電阻。然后,僅需在 LTC2986-1 配置寄存器中設(shè)置位并正確配置輸入通道,即可啟用這一附加電流路徑(圖 5)。與更為傳統(tǒng)的 4 線器件一樣,激勵電流可躲開測量通道,從而減少測量誤差。
圖 5:開發(fā)人員可以將 Linear Technology 的 LTC2986-1 配置為使用相鄰?fù)ǖ雷鳛榧铍娏髀窂剑瑥亩鵀?2 線 RTD 和熱敏電阻帶來開爾文檢測的優(yōu)勢。(圖片來源:Linear Technology)
無論設(shè)計(jì)人員是否使用這種替代激勵模式,他們在采用 LTC2986-1 設(shè)置傳感器時仍需遵循基本協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)傳感器連接,他們需要對通道進(jìn)行分配并利用傳感器配置數(shù)據(jù)加載相關(guān)的存儲器位置(圖 6)。此通道分配數(shù)據(jù)會駐留在 RAM 中的連續(xù)位置,并與該器件的十個輸入通道一一對應(yīng)。對 RAM 進(jìn)行編程后,開發(fā)人員可以在器件內(nèi)置的 EEPROM 中保存配置,以便在隨后的掉電或休眠周期后進(jìn)行恢復(fù)。
圖 6:為了配置 Linear Technology 的 LTC2986-1,開發(fā)人員需創(chuàng)建包含相關(guān)傳感器詳細(xì)信息的通道分配數(shù)據(jù)塊。(圖片來源:Linear Technology)
在存儲器的各個通道分配數(shù)據(jù)塊內(nèi),開發(fā)人員需定義傳感器配置的詳細(xì)信息,包括傳感器類型、通道、傳感器配置、激勵電流以及標(biāo)準(zhǔn)或定制轉(zhuǎn)換信息的預(yù)定義值。以下所示為圖 6 左上角所示 PT-100 RTD 器件的存儲器映射(圖 7)。
圖 7:通道分配數(shù)據(jù)包含每個傳感器的相關(guān)配置細(xì)節(jié)——此處為圖 6 左上角所示 PT-100 RTD 的相關(guān)存儲器映射。(圖片來源:Linear Technology)
只有仔細(xì)關(guān)注每個細(xì)節(jié),才能在復(fù)雜的多傳感器溫度系統(tǒng)中為每個通道配置合適的存儲器映射。由于該器件具備適合各種傳感器和傳感器類型的內(nèi)置支持,開發(fā)人員則需確保為其特定的傳感器選擇正確的代碼。配置錯誤可能會對結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
為免于手動配置,Linear Technology 可提供基于 Windows? 的免費(fèi) LTC2986 演示軟件程序,如此一來,開發(fā)人員便能利用下拉菜單選項(xiàng)為每個通道指定配置。開發(fā)人員可以從演示板或 LTC2986-1 規(guī)格書中所示特定圖表,加載配置示例(圖 8)。
圖 8:Linear Technology LTC2986 演示軟件可簡化器件的使用方式,即為相關(guān)硬件開發(fā)板提供預(yù)定義配置下拉菜單選擇,以及加載 LTC2986-1 規(guī)格書中的示例。(圖片來源:Linear Technology)
例如,上文圖 6 所示的兩個 4 線 RTD 配置就取自 LTC2986-1 規(guī)格書中的圖 22。從該程序的配置下拉菜單中選擇該圖即可為該配置生成相應(yīng)的設(shè)置(圖 9)。
圖 9:Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件可依次產(chǎn)生用于生成通道分配數(shù)據(jù)的詳細(xì)配置。(圖片來源:Linear Technology)
除了簡化配置創(chuàng)建外,該程序還能對定制配置進(jìn)行評估以確保分配正確無誤。最重要的是,該程序還可生成一組相應(yīng)的 C 語言頭文件和軟件例程,而且都能在 Linear Technology 的 DC2026 Arduino 兼容的 Linduino One 板上執(zhí)行,處理起來毫不費(fèi)力。
例如,圖 9 所示配置生成的 C 代碼會自動生成初始化例程,其中包含實(shí)現(xiàn)所需存儲器映射的軟件分配(如圖 7 所示)。正如列表 1 所示,生成的代碼會使用隨附的一組已定義常數(shù)來創(chuàng)建相應(yīng)的通道分配語句(列表 1)。
...
void configure_channels()
{
uint8_t channel_number;
uint32_t channel_assignment_data;
// ----- Channel 2: Assign Sense Resistor -----
channel_assignment_data =
SENSOR_TYPE__SENSE_RESISTOR |
(uint32_t) 0x9C4000 << SENSE_RESISTOR_VALUE_LSB;??????????? // sense resistor - value: 10000.
assign_channel(CHIP_SELECT, 2, channel_assignment_data);
// ----- Channel 4: Assign RTD PT-100 -----
channel_assignment_data =
SENSOR_TYPE__RTD_PT_100 |
RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |
RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |
RTD_EXCITATION_MODE__ROTATION_SHARING |
RTD_EXCITATION_CURRENT__100UA |
RTD_STANDARD__ITS_90;
assign_channel(CHIP_SELECT, 4, channel_assignment_data);
// ----- Channel 7: Assign RTD PT-500 -----
channel_assignment_data =
SENSOR_TYPE__RTD_PT_500 |
RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |
RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |
RTD_EXCITATION_MODE__NO_ROTATION_SHARING |
RTD_EXCITATION_CURRENT__50UA |
RTD_STANDARD__AMERICAN;
assign_channel(CHIP_SELECT, 7, channel_assignment_data);
}
...
// -------------- Run the LTC2986 -------------------------------------
void loop()
{
measure_channel(CHIP_SELECT, 4, TEMPERATURE); // Ch 4: RTD PT-100
measure_channel(CHIP_SELECT, 7, TEMPERATURE); // Ch 7: RTD PT-500
}
列表 1:Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件程序生成的代碼會自動產(chǎn)生通道分配語句,包括與圖 7 所示存儲器映射對應(yīng)的通道 4 分配。(代碼來源:Linear Technology)
無論是采用 Linduino 平臺還是其他硬件,所生成的代碼集都會展示與使用 LTC2986-1 相關(guān)的主要設(shè)計(jì)模式。例如,列表 1 中的代碼片段顯示了數(shù)據(jù)采集的基本回路。只要查閱生成的代碼,開發(fā)人員便能檢查器件使用所涉及的具體操作。例如,列表 1 中顯示的頂級函數(shù) x measure_channel 會調(diào)用訪問器件寄存器的低級例程來啟動轉(zhuǎn)換,等待完成,然后讀取結(jié)果(列表 2)。在此例中,所生成的程序只是將結(jié)果打印到控制臺,但開發(fā)人員可以輕松為其應(yīng)用修改該代碼。
// *****************
// Measure channel
// *****************
void measure_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output)
{
convert_channel(chip_select, channel_number);
get_result(chip_select, channel_number, channel_output);
}
void convert_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number)
{
// Start conversion
transfer_byte(chip_select, WRITE_TO_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, CONVERSION_CONTROL_BYTE | channel_number);
wait_for_process_to_finish(chip_select);
}
...
void wait_for_process_to_finish(uint8_t chip_select)
{
uint8_t process_finished = 0;
uint8_t data;
while (process_finished == 0)
{
data = transfer_byte(chip_select, READ_FROM_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, 0);
process_finished = data & 0x40;
}
}
// *********************************
// Get results
// *********************************
void get_result(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output)
{
uint32_t raw_data;
uint8_t fault_data;
uint16_t start_address = get_start_address(CONVERSION_RESULT_MEMORY_BASE, channel_number);
uint32_t raw_conversion_result;
raw_data = transfer_four_bytes(chip_select, READ_FROM_RAM, start_address, 0);
Serial.print(F(" Channel "));
Serial.println(channel_number);
// 24 LSB's are conversion result
raw_conversion_result = raw_data & 0xFFFFFF;
print_conversion_result(raw_conversion_result, channel_output);
// If you're interested in the raw voltage or resistance, use the following
if (channel_output != VOLTAGE)
{
read_voltage_or_resistance_results(chip_select, channel_number);
}
// 8 MSB's show the fault data
fault_data = raw_data >> 24;
print_fault_data(fault_data);
}
列表 2:Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件可生成 Linduino 就緒代碼,包括旨在執(zhí)行器件通道低級訪問的支持例程,如此代碼片段所示。(代碼來源:Linear Technology)
借助該軟件,開發(fā)人員可使用 Linear Technology DC2608A 套件快速啟動 LTC2986-1 硬件開發(fā)。DC2618 套件旨在與 Linduino 配合使用,提供含有 LTC2986-1 的演示板和試驗(yàn)板。與 LTC2986 演示軟件結(jié)合使用時,此套件便能為快速開發(fā)溫度感測應(yīng)用提供一個平臺。
總結(jié)
溫度測量系統(tǒng)通常需要在苛刻的環(huán)境下工作,這就為開發(fā)人員帶來了一系列挑戰(zhàn),保護(hù)機(jī)制與測量精度之間的沖突便是其中之一。借助 LTC2986-1 和相關(guān)開發(fā)工具,工程師現(xiàn)在可以快速實(shí)現(xiàn)既安全、又精確的溫度測量系統(tǒng)。
-
溫度傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
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