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高精度温度测量传感器

时间:2019-01-21   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
在制药过程中,不准确的温度条件和测量结果可能会破坏一整批vr赛车。例如,对制药过程温度的错误解读可能会产生不当的医疗混合物,影响药品质量,危及整体生产成本,造成损失超过数千美元。在这样的精密工业系统中,了解化学品的确切温度非常重要

图 1.药品监测系统
普通温度传感器
了解各种温度传感器的特性和限制非常重要,可以为您的应用程序做出最佳选择。常用的温度传感器包括电阻温度探测器 (RTD) 、热释电器件、硅晶体管或二极管、热电偶、热电堆、热敏电阻和硅温度计 (图 2)。
RTD 和热敏电阻温度传感元件的电阻值随温度的变化而变化。铂金 RTD 的线性温度系数相对正数为 0.00385 Ω/°C。
相比之下,高阻负温度系数 (NTC) 热敏电阻具有相当非线性的温度。
系数和有限的温度范围。热敏电阻的非线性使其具有实现高精度的挑战性。


图 2.普通温度传感器

热电偶的构造是金属到金属。热电偶的电动势 (EMF) 输出是毫伏而不是电阻,是非线性的。热电偶,以及热释电装置的主要优点是,它可以感觉到非常高的温度。热电偶产生单位摄氏度的电动势微伏输出信号。由于输出电压变化小,热电偶信号链容易发生 EMI 和 IC 器件噪声。因此,高精度热电偶的设计可能是具有挑战性的。
二极管和信号温度计都是基于硅的,提供了比 RTD 传感器更好的线性响应。由于此温度传感器存在于硅中,因此温度范围限制在-55 °C 到 150 °C 之间。
RTD 是药品精密应用的完美传感器。将 RTD 与其他 RTD 分开的四种特性是稳定性、准确性、线性度优于热电偶和热敏电阻,且温度范围宽


RTD 传感器
RTD 电阻材料有几种,如镍 (Ni) 、铜 (Cu) 或铂 (Pt)。较常见的 RTD 材料是铂,因为它的化学稳定性和相对线性响应的温度变化。
铂金 RTDs 可提供各种 0 °C 电阻值,但在应用程序中最常见的是 100Ω (PT-100) 和 1000Ω (PT-1000)。正因为如此的受欢迎,MAX31865;RTD-到数字转换器,可容纳两个RTD 电阻值
这些元件的温度电阻非常稳定,温度系数为 0.003925 Ω/°C。带有某些曲率的 RTD 电阻响应与直线近似非常匹配 (图 3)。
图 3.PT-100 RTD 电阻与温度的关系
 

RTD 元件的线性度是可预测的,可以用 Callendar-Van Dusen 方程 (Eq.1) 来描述。
R (T) = R0(1 在 bT2C语言 (T-100) T3) (Eq.1)

在这个方程中,R (T) 等于温度下的 RTD 电阻。0在 0 ℃ 下是 RTD 电阻,而 T 是摄氏温度。此外,
 
A = 3.9083 × 10-3
B =-5.775 × 10-7
C =-4.18301 × 10-12对于-850 °C ± 0 °C c = 0,对于 0 °C ± 200 °C
使用 Callendar-Van Dusen 方程,无论您使用的是 PT-100 还是 PT-1000,最大 RTD 端点线性误差大约为 4.34% (图 4)。


图 4.PT-100 RTD 线性误差对温度的影响

RTD 电阻 (随着温度的变化) 很难感觉到给定的电缆阻抗。电缆电阻的合理值 (R电缆) 可以高达 50 Ω (图 5)

图 5.2-配备 MAX31865 引脚连接的有线、三线和四线 PT100 RTD 配置

PT-100 的超温电阻范围从-850 °C 的 18.52 Ω 到 200 °C 的 390Ω。使用此 RTD 电阻范围,很容易看到,2 线 RTD 和 10 Ω 电缆电阻在整个温度范围内创建 ~ 25 °C 错误。此外,电缆或引线的温度系数也会进一步影响测量误差。
3 线和 4 线 RTD 硬件实现大大减少了这些错误。
 
实现 RTD 系统
有几种方法来实现 RTD 传感电路,包括离散设计方法或完全包含集成的方法。
离散设计需要精密放大器和电流源 (图 6)


图 6.离散 4 线 RTD 电路示例

此 RTD 系统可在-850 °C 至 200 °C 的范围内测量温度。该设计在 4 线配置中使用 RTD。电流源 (IRTD) 可激发 4 线 RTD。在 RTD 中产生的差分电压由可编程增益放大器 (PGA) 获得。然后将信号转换为数字输出代码。
该系统可以准确测量电阻的 RTD 变化,但有三个组成部分 (PGA,IRTD和 Δ Σ ADC),且对于错误条件没有调整。此外,在此电路中没有过压输入保护或 RTD 连接故障检测。
 
集成系统
RTD 与 MAX31865 RTD 到数字转换器一起提供了完整的解决方案。该器件可在 a-200 °C 至 850 °C 的温度范围内提供 0.03125 °C 的分辨率,并具有 0.5 °C 的精度水平,非常适合高精度应用 (图 7)


图 7.MAX31865 3 线 RTD 传感器连接
 
在这个完整的系统中,MAX31865 进行错误检查,防止输入过电压,并过滤 50Hz 或 60Hz 的线路信号。
MAX31865 可有效地与 RTD 传感器直接连接。MAX31865 在 RTD 和外部精密电阻之间建立了一个分压器,REF(请参见图 7 中的蓝色箭头)。这个电路不需要一个精确的电流源,而是 RTD 电流是 R 的副vr赛车。RTD/RREF比率。使用 MAX31865,RTD 电阻值的推导很容易 (参见 Eq 2)。
在哪里REF是图 7 中的参考电阻。
MAX31865,旨在适应 2/3/4 线 RTD 配置,提供了一个优雅的解决方案。现在的精度依赖于单个离散电阻,REF。15 位 Δ Σ ADC 获得 RTD 传感器电阻。为了进一步提高 RTD 传感元件的精度,使用 Callendar-Van Dusen 校准方程 (Eq.1)。
MAX31865 转换引擎是一个 15 位 Δ Σ ADC。随着信号调理电路主要作为数字电路实现,MAX31865 RTD-数字转换器提供:
1.     可重复的结果
•      该系统的稳定性依赖于 RREF以及 RTD 电阻比和 Δ Σ ADC 的低噪声特性。
2.     输入保护
•       RTD 输入引脚 (FORCE 、 FORCE2 、 FORCE-、 RTDIN 和 RTDIN-) 受到高达 ± 45v 的高电压保护。外部电压大于 V 时,模拟开关打开DD100毫伏或小于 VGND1400毫伏。
3.     故障检测
•       标识诸如打开 RTD 元素、与接地或 V 连接的输入引脚等条件DD,或输入一起短路。
4.     50Hz 或 60Hz 抑制能力

Max31865 的内部 Δ Σ ADC 有一个 Sinc 数字滤波器,可编程拒绝 50Hz 或 60Hz 的频率