PDF《热管理设计手册》

9 图4. Pt100 RTD 电阻与温度的关系曲线,同时也显示了 0°C 至+100°C 范围内的直线逼近. 图5. Pt100 非线性和线性逼近在 0°C 至+100°C 范围内的斜率比较 RTD 的信号调理通常包括一个精密电流源、一个电压基准和一个高分辨率 ADC.图6所示为 RTD 信号调理电路的一个示例.有几种可能的变形电路,可利用一个查找表或外部线性化电路 进行线性处理.电流源可以用外部精密电阻代替.

10 图6. RTD 信号调理简化图 RTD 的成本很高,具体取决于对精度及封装的要求.RTD 提供探头式、表贴封装和裸线. 热电偶 热电偶由两种不同类型的金属连接在一起制成.金属丝之间的触点产生的电压与温度近似成正 比.具有较宽的温度测量范围(高达+1800°C)、低成本(与封装有关)、低输出电压(K 型热电偶的 输出大约为 40μV/°C)、适中的线性度以及信号调理复杂(冷端补偿和放大)等特点.热电偶类型 有多种,分别以字母表示.最常见的热电偶为 K 型热电偶. 图7所示为一个典型的 K 型热电偶的电压随温度变化的关系曲线.该曲线具有适当的线性度, 虽然它并未达到绝对线性.图8所示为相对于直线逼近的偏差,假设平均灵敏度为 41.28?V/°C 时,在0°C 至+1000°C 范围内为线性输出.实际应用中,可通过计算实际值或利用查找表进行 线性修正.

11 图7. K 型热电偶输出电压与温度的关系曲线 图8. K 型热电偶相对于直线逼近的偏差 由于热电偶的输出电压非常低,利用热电偶测量温度具有一定难度.在热电偶金属丝与信号调理 电路铜线(或布线)的连接处又会形成另一热电偶,从而使测量变得更加复杂.该触点称为冷端(参 见图 9).

12 图9. 热电偶电路简化图.金属1和金属2之间的结为主热电偶结.金属1和金属2与测量装置铜线或印制板(PCB) 引线的接触位置形成了额外的热电偶. 该电路的有效输出电压为热电偶电压减去冷端位置类似热电偶的电压.由此,如果热电偶处温度 为+525°C,而冷端温度为+25°C,VOUT 指示为+500°C.为了修正这一误差,必须测量冷端温 度,并将该温度增加到 VOUT 数值: VOUT = VTC - VCJ VTC = VOUT + VCJ 可以在冷端放置一个温度传感器,并利用测得的温度对冷端温度进行补偿,从而完成误差修正. 图10 所示为一个完整的热电偶至数字转换电路.高精度运算放大器和精密电阻为热电偶输出信 号提供放大.通过监测冷端温度传感器修正冷端温度,ADC 按照所要求的分辨率提供输出数 据.一般情况下,需要通过校准修正运算放大器的失调电压以及电阻、温度传感器和电压基准的 误差. 图10. 热电偶信号调理电路示例 Maxim 生产的 IC (MAX6674 和MAX6675)可以实现 K 型热电偶的信号调理,从而简化设计工 作,并大大减少放大、冷端补偿及数字转换热电偶输出所需要的元件数量.热电偶提供探头式和 裸线式.

13 温度传感器 IC 温度传感器IC充分利用了硅PN结所具备的线性度和预知的温度特性等优势.由于这些IC都是采 用常规半导体工艺制成的有源电路,可提供各种外形封装.这些器件具备许多功能,例如:数字 接口、ADC输入、风扇控制等,这是其它技术无法提供的.温度传感器IC的工作温度范围可低 至-55°C、高达+125°C,部分产品的温度上限可以达到+150°C 左右.以下介绍了常见的温度传 感器IC. 模拟温度传感器 IC 模拟温度传感器IC将温度转换成电压,有些情况下则转换成电流.最简单的电压输出模拟温度传 感器只有三个有效端:地、电源输入和信号输出.其它具有增强功能的模拟传感器提供更多的输 入或输出,例如比较器或电压基准输出. 模拟温度传感器 IC 利用了双极型晶体管的温度特性产生与温度成正比的输出电压.图11 所示 为一个概念电路.实际 IC 设计与之不同,但该电路说明了如何设计有源电路进行温度测量.同 一管芯上两个完全匹配的晶体管连接成二极管,I