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更安全、更高效,成本更低的工業(yè)傳感器

發(fā)布時間:2014-02-03 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】傳感器可測量各種參數(shù),如壓力、溫度、有毒氣體pH值等,它們應(yīng)用廣泛,使工業(yè)處理更安全、更高效,成本也更低。不過,各種類型的傳感器都有一組自己獨有的特性,從而帶來了一系列復(fù)雜的設(shè)計挑戰(zhàn)。

工業(yè)處理中最常見的測量項之一就是溫度。溫度測量可以采用各種類型的傳感器,包括熱電偶、電阻溫度探測器,以及熱敏電阻等。

更安全、更高效,成本更低的工業(yè)傳感器

要測量最大范圍的溫度時,系統(tǒng)設(shè)計者通常會選擇熱電偶。例如,TypeC熱電偶的測量溫度范圍達0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應(yīng),即:如果兩個相異的金屬被放在一起,則產(chǎn)生的電壓與結(jié)上的溫度成正比。熱電偶是雙極器件,它會根據(jù)檢測結(jié)(或“熱”結(jié))溫度與參考結(jié)(或“冷”結(jié))溫度的相對關(guān)系,產(chǎn)生一個正的或負的電壓。首先,你需要為熱電偶加一個偏壓,這樣在單電源系統(tǒng)中都不會受限于地電勢。然后,測量冷結(jié)的溫度,就獲得了要測的溫度。熱電偶有一個缺點,與其它溫度傳感器相比,它的精度有限,通常不到±1℃。

如果系統(tǒng)在一個較小范圍內(nèi)(例如660℃)需要更高的精度,則設(shè)計者可以用RTD來實現(xiàn)這種測量,它的精度可達±1℃以下。RTD是阻性元件,電阻值取決于其周邊的溫度。它們有雙線、三線和四線結(jié)構(gòu)。增加線數(shù)就可以增加精度。RTD需要一種電流源形式的激勵。電流源的值通常為100μA~1mA,用于PT100(0℃時100Ω)和PT1000RTD(0℃時1000Ω)。

當精度要求提高到±0.1℃時,溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃),此時可以用熱敏電阻。與RTD類似,熱敏電阻的電阻值也是隨溫度而變化。熱敏電阻通常會接成一個電阻分壓器結(jié)構(gòu),其中另一只電阻與熱敏電阻有相同的標稱值(25℃室溫下的阻值)。熱敏電阻的一端接至電源,另一端接另一只電阻,然后接地(圖1)。探測溫度時,測的是分壓器中點的電壓??梢灶A(yù)計,在25℃時的電阻為+V/2。如有偏差,則可以計算出熱敏電阻的阻值,并用一個查找表確定出被測的環(huán)境溫度。

總之,溫度傳感器都需要偏置(可以是電壓或電流)。對于熱電偶來說,需要做冷結(jié)補償。德州儀器公司的LMP90100是一款24位傳感器模擬前端(AFE),它有四個差分或七個單端輸入、兩個匹配的可編程電流源,以及連續(xù)后臺校準功能(圖2)。這款集成的可配置芯片可解決各種與溫度傳感器有關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

采用Wheatstone橋電路的應(yīng)變計與稱重傳感器常用于測量壓力、力與重量。元件被施加任何應(yīng)力或壓力后,都會產(chǎn)生一個電阻變化,從而在傳感器輸出端出現(xiàn)一個電壓差變化(圖3)。這些傳感器產(chǎn)生的電壓很低,通常在毫伏范圍。要獲得最精確的測量,必須將這個小電壓放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個動態(tài)范圍內(nèi)??删幊淘鲆娣糯笃?PGA)級可以與多個傳感器相連接,有最好的靈活性。這一級應(yīng)有低噪聲、低偏移、低漂移的特性,以確保最佳的系統(tǒng)性能。

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這些類型的傳感器還需要一種偏置電壓形式的激勵。壓力傳感器有一種常見的不正確測量法,即橋在開路或短路情況下做測量。更難以探測的是因傳感器損壞或隨時間降級所導(dǎo)致的量程外信號。有一種方法能發(fā)現(xiàn)所有這些故障模式,就是加一個診斷電路。這種電路會在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)中注入一個小電流,有時也稱為“耗盡”(burnout)電流,然后再測量所獲得的電壓。

舉例來說,如果橋的輸出為相同電勢(+V/2),是表明測量計上沒有壓力嗎?還是因為系統(tǒng)中有一個故障,使輸出短路了?向其中一個差分輸出注入電流,然后測量輸出端之間的差分電壓,就可以解答這個問題。正常工作情況下,差分電壓是橋內(nèi)電阻上的壓降。但是,如果確實存在著短路,則壓降很小或幾乎沒有壓降。

簡言之,Wheatstone橋傳感器需要:一個激勵電壓、一個低噪聲/偏移的PGA,以及診斷電路。LMP90100也非常適合用于這些類型的傳感器。它對傳感器做持續(xù)的后臺傳感器診斷,能夠探測出開路、短路,以及超量程的信號。它采用在轉(zhuǎn)換后再向某個通道內(nèi)注入耗盡電流的方法,可以避免注入的耗盡電流干擾該通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。診斷電路提供了連續(xù)的非侵入性故障檢測,協(xié)助分析出故障的原因,并最大程度減少系統(tǒng)停機時間。

電化學(xué)元件通常廣泛用于有毒和無毒氣體的測量,如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測量原理是化學(xué)氧化與還原,并產(chǎn)生一個與被測氣體成正比的電流。大多數(shù)元件都有三個電極:工作極(WE)、計數(shù)極(CE)與參考極(RE)。WE極對目標氣體做氧化或還原,產(chǎn)生一個與氣體濃度成正比的電流。CE對所產(chǎn)生的電流做均衡,而RE則維持工作電極的電勢,以確保正確的工作區(qū)間。電化學(xué)元件會連接到一個恒電勢電路。這個恒電勢電路為CE提供電流(如有必要,也提供偏置)。它將WE維持在與RE相同電勢上,并用一個互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為一個電壓。

與很多傳感器類似,電化學(xué)傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能,就要測量元件的溫度。要根據(jù)該元件的性能-溫度圖(可在數(shù)據(jù)表中查到),對其做適當?shù)臏囟刃省?/p>

傳感器、氣體類型,以及氣體濃度水平都決定著傳感器工作極輸出的電流大小。為處理這種變化性,要使用可調(diào)增益的TIA。可能的電流范圍在一到數(shù)百微安量級,因此,TIA的增益在一到數(shù)百千歐范圍就足夠了。

不同的傳感器需要不同的偏置,有些需要零偏置。要明白這些要求,這樣傳感器產(chǎn)生的電流才合乎規(guī)范。元件測量氣體時是氧化反應(yīng)(CO)亦或還原反應(yīng)(NO2),相應(yīng)地決定了元件是在WE拉入一個電流,還是送出一個電流。在單電源系統(tǒng)下,TIA非反相端的電壓應(yīng)做相應(yīng)的電平調(diào)整,以確保最大增益時不會使放大器輸出飽和。例如,TIA產(chǎn)生的輸出電壓由下式?jīng)Q定:VOUT=?IIN×RFEEDBACK,其中,IIN是通過反饋電阻進入TIA的電流。如果進入TIA的電流為正(還原反應(yīng)),則VOUT相對非反相端的電壓將為負值。這個電壓應(yīng)加以提升,以避免輸出電壓碰到負電源軌。

基本上,電化學(xué)元件的重點就是溫度校正,以及一個提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉(zhuǎn)換及電平變換的恒電勢電路。TI公司的LMP91000是一個可配置的AFE恒電勢電路,可以滿足這些功能要求。它包含一個完整的恒電勢電路,具有拉入和供出電流能力,以及可編程TIA增益、電化學(xué)元件偏置及內(nèi)部零電壓。此外,這款傳感器AFE還包括了一個集成的溫度傳感器,采用小型14腳的4mm2封裝,因此這款器件的直接定位是對電化學(xué)元件的精確溫度補償與改善噪聲性能。

并非所有氣體都能用電化學(xué)元件精確地測量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術(shù),這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數(shù)氣體分子都會吸收IR光(吸收發(fā)生在某個波長上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是,NDIR使所有IR光通過樣本氣體,用一個光濾波器隔離出有用的波長。

通常,會用一個內(nèi)置濾波器的溫差電堆來檢測某種氣體的量。例如,由于CO2在波長4.26μm處有強吸收,可以用一個帶通濾波器,去除這個波長以外的所有光線。除了CO2和乙醇檢測以外,NDIR氣體傳感器也可以用于檢測溫室氣體,以及氟里昂這類制冷劑。

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