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溫度問題為您解決(七)流體溫度監測

2020-03-03 來源:EEWorld

在前幾篇文章中,我們已經就溫度傳感器的基本原理進行了介紹。對于許多計量和工業過程,有必要直接測量流體的溫度,或使用溫度數據進行補償以便更準確地計算流體的容積流量。流體溫度監測應用不僅要求傳感器具有較小的尺寸以降低流動阻力,在液體易燃的情況下還要求具有較低的功耗。TI 的低功耗模擬和數字解決方案具有與 AA 級電阻溫度檢測器 (RTD) 媲美的精度,功耗僅為 6.3μW。


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使用數字溫度傳感器在熱量計中替代RTD簡介


熱量計是通過測量系統的入口管和出口管之間的流速和溫度變化來測量熱能的裝置。這些裝置通常在工廠中用于鍋爐輸出測量,以及在住宅供暖和制冷系統中用于熱量輸送測量。


由于熱能的測量需要流速和溫度,因此必須準確測量這兩個參數。測量不準確可能導致能量輸送測量結果不正確,從而導致不足額或超額計費。


一種稱為電阻溫度檢測器 (RTD) 的無源組件(其電阻隨溫度而變化)可以避免測量誤差。RTD 使用鉑、銅或鎳等金屬制成,支持寬溫度范圍(約 -200°C 至 +850°C)。


如下表所示,RTD 的精度由其類別定義。國際電工委員會 (IEC)/歐洲標準 (EN) 60751 定義了四種 RTD 類別:C、B、A 和 AA,其中 C 類的精度最低,AA 類的精度最高。較低精度的類別將具有更大的溫度范圍。例如,C 類薄膜 RTD 覆蓋的溫度范圍為 -50°C 至 +600°C,而 AA 類薄膜 RTD 覆蓋的溫度范圍為 0°C 至 +150°C。


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IEC 60751 定義的溫度精度類別


施加電流源將在 RTD 上產生電壓差;該電壓與 RTD 的電阻及其激勵電流成比例。該電壓數據用于測量來自入口管和出口管的兩個溫度源之間的差值。


熱量計中的流體溫度測量


固態熱量計在計算住宅和工業用戶的熱能計費方面越來越流行。這些儀表在入口管或出口管上進行流量測量,并在入口管和出口管上都有一對匹配的 RTD 探頭。下圖顯示了使用 RTD 的熱量計系統的框圖。


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使用 RTD 進行流體溫度測量


RTD 提供低功率和高精度,這些特性非常理想,因為在大多數住宅單元中,熱量計都是獨立的電池供電型系統。系統快速從斷電模式喚醒、對 RTD 溫度進行采樣并隨后返回斷電模式的功能可以延長電池壽命并最大限度降低能耗。


但是,這些系統要求匹配良好的RTD正確讀取差分測量值。並需要在設計時仔細考慮系統成本和復雜性。


典型的熱量計使用一對連接到高精度模擬前端的 PT100、PT500 或 PT1000 傳感器。歐洲 EN 1434 等規范定義了有關這些儀表的要求。此規范的兩個主要方面為:


? 傳感器精度和類型。EN 60751 中的第 5.4 章建議使用精度高于 B 類或等于 A 類或 AA 類且采用三線或四線配置的工業鉑電阻溫度計。EN 1434-2 指出可以使用其他類型的溫度傳感器,但如果這樣做,則不能將它們與熱量計或熱量計算器裝置分開。


? 校準.EN 1434-2 的第 4.1 章規定,所有溫度傳感器對都必須在內置于熱量計之前進行預校準和配對。或者,應將傳感器牢固地安裝在熱量計的印刷電路板上,然后進行校準,從而最大限度減少兩個 PT 傳感器之間的溫度偏移。


熱量計數字溫度傳感器的設計注意事項


高精度數字溫度傳感器將傳感器和模數轉換器集成到單個器件中。主微控制器不需要進行額外的溫度轉換處理。


讓我們根據上面列出的行業標準規范來評估設計注意事項:


? 傳感器精度和類型。諸如 TMP117 之類的數字溫度傳感器在 -20°C 至 +50°C 溫度范圍內支持的精度為 ±0.1°C,在 -55°C 至 +150°C 溫度范圍內的最高精度規格為 ±0.3°C。這些規格超出了相同范圍內的 AA 類 RTD 精度,符合 EN 60751 和 EN 1434-2 規范在精度和傳感器類型方面的要求。


? 校準.傳感器在相同條件下連續進行溫度測量時重現讀數的能力稱為可重復性。TMP117 具有 7.8125m°C 的可重復性,因此傳感器本身具有非常一致和可靠的性能。TMP117 還包括一個溫度偏移寄存器,可用于在初始校準期間存儲溫度偏移,然后在經過線性化后添加到溫度結果中。在入口和出口處校準傳感器對是使用熱量計進行流體溫度測量的必要條件。具有良好的可重復性規格和偏移寄存器有助于實現可靠、可重復且最終簡化的設計。


在設計中使用數字溫度傳感器可消除模擬信號鏈的偏移和增益校準步驟(這是在基于兩線、三線或四線 RTD 的配置中進行傳統模擬信號測量所必需的操作)。與傳統的模擬 RTD 傳感器相比,數字溫度傳感器可以將用戶定義的校準參數存儲在 8 字節電可擦除可編程只讀存儲器(偏移寄存器)中,因此甚至可以消除文書工作和校準數據處理工作。此外,在開始時讀出非易失性存儲器內容以及每次測量溫度時對結果應用偏移或任何其他調整也會更節能。


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使用 TMP117 進行流體溫度測量


采用這種架構的四線數字接口與標準模擬四線 RTD 傳感器之間具有電氣兼容性。基于 RTD 的設計還需要一個精度通常優于 0.1% 和 ±25ppm/°C 的高精度參考電阻器以及匹配的電阻-電容濾波器。采用集成數字設計方法也消除了對這種高精度參考電阻器的需求。下表總結了 RTD 傳感器和 TMP117 數字溫度傳感器的設計注意事項。


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RTD 和數字溫度傳感器的設計注意事項


總體而言,高精度的 TMP117 溫度傳感器消除了多個窄容差分立式組件和集成器件,可在熱量計中節省 PCB 空間、降低復雜性并減少成本。


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溫度問題為您解決(一)溫度傳感基本原理


溫度問題為您解決(二)系統溫度監測


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溫度問題為您解決(四)環境溫度監測


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