無論環境如何，都要獲得高精度、多通道的溫度測量
儘管溫度測量是許多應用程序的共同要求，但開發人員在確保高度準確的結果方面面臨着巨大的挑戰。克服這些挑戰常常導致複雜的設計和擴展的設計週期，但是新設備正在降低複雜性。
本文簡要討論了與開發精確解決方案相關的溫度測量要求和挑戰。文章接着介紹了線性技術LTC2986-1溫度傳感器，描述了它如何應對這些挑戰，並通過展示開發人員如何在典型的應用中利用包括熱電偶、RTDs和熱敏電阻在內的各種溫度傳感器來利用這些特性。
在建立健壯的溫度測量系統時，設計者利用各種傳感器類型來滿足他們對成本、精確度和溫度範圍的具體要求。在傳感器類型中,熱電偶是常用在嚴酷的環境下與他們的能力來衡量溫度低至-265°C到-265°C。
熱電偶產生一種電壓，它是指尖與冷端之間溫差的函數，這是用來製造熱電偶的兩根電線的末端。因此，總體測量精度取決於對熱電偶電壓和冷結的精確測量。
當熱電偶由於Seebeck效應而產生電壓梯度時，其他常見的溫度傳感器，包括電阻溫度探測器(RTDs)、熱敏電阻、甚至二極管，都需要激發電流來產生與溫度相關的電壓輸出。作爲電阻器件，RTDs和熱敏電阻進一步要求在串聯勵磁電流源的情況下，對電阻進行精確測量。該感應電阻器通過電阻率裝置建立一個電阻網絡來測量傳感器上的電壓。最後，對於每種類型的傳感器，開發人員需要應用合適的方法來將測量的結果轉換成線性化的溫度數據，使用查找表或方程。
除了處理傳感器外，在保證溫度測量系統的正常運行方面，開發人員還面臨多項挑戰。溫度傳感器通常放置在工廠、商業環境、建築物和住宅的惡劣環境中，無論應用程序要求在空氣或流體流動中測量溫度梯度的能力。在工業應用中，傳感器和測量系統輸入之間的長電纜會使它們暴露在電子噪音、損耗和外部電壓源中，從而損壞傳感器和測量系統。
工程師們採用多種方法來處理影響溫度測量系統性能的各種因素。隨着越來越多的溫度傳感器需求的增長，傳統的方法通常會導致更大的設計複雜性，從而增加部署和維護成本。線性技術LTC2986-1解決了這些挑戰，從多個傳感器提供精確的溫度測量，並在開發人員的努力下做出最小的努力。
爲簡化設計，線性技術LTC2986-1是一個多通道溫度測量系統，內置支持大多數傳感器類型，包括熱電偶、RTDs、熱敏電阻、二極管和有源模擬溫度傳感器。因爲這個設備集成了完整的信號路徑,轉換,線性化,和其他功能,開發人員可以實現高精度溫度測量的設計與一些額外的組件溫度傳感器本身之外(圖1)。雖然早期成員等系列線性技術LTC2984提供更多的輸入通道,LTC2986-1提供額外的操作模式,使獨特的解決方案,提高精度如下所述。
線性技術LTC2986-1。
圖1:設計師可以將多種溫度傳感器連接到線性技術LTC2986-1，它提供10個輸入通道、可編程的電流源、內置的線性化表和故障檢測能力。(圖片來源:凱利訊半導體)
對高壓、熱敏電阻和二極管時,設備自動生成勵磁電流在規定水平,措施產生的感應電壓,並生成一個線性化導致°C或°F。LTC2986-1是預編程的，用於大多數RTDs和熱敏電阻的轉換和線性化數據。類似地，該設備爲幾乎所有標準熱電偶配置，並支持使用RTDs、熱敏電阻、二極管或有源模擬溫度傳感器的冷連接補償。對於溫度測量，該裝置自動解決了將熱電偶輸出電壓和冷結測量轉換爲有用的溫度讀數所涉及的多項式方程。對於更一般的轉換需求，開發人員可以使用LTC2986-1的模擬-數字轉換器(adc)來執行單端或差壓測量，生成原始電壓結果或使用可編程查找錶轉換結果。
除了工業標準設備的數據，該設備還可用於定製的RTDs、熱電偶、二極管、主動傳感器和熱敏電阻。對於自定義設備，開發人員使用一個包含64個數據點的查找表來加載內存，這些數據點代表傳感器輸出值和溫度。對於定製的熱敏電阻，開發人員也可以直接將設備加載到由熱敏電阻製造商提供的6個Steinhart-Hart係數中。與標準傳感器的內置數據一樣，該設備使用這些自定義係數和查找表來進行轉換過程中最後的溫度插補以及軟故障檢測(圖2)。
線性技術LTC2986-1的圖形可以使用開發人員創建的查找表。
圖2:線性技術LTC2986-1可以爲自定義設備使用開發人員創建的查找表，當輸入值超出提供的輸入數據範圍時，自動生成錯誤。(圖片來源:凱利訊半導體)
對於轉換過程，該設備使用多個週期來提供更高的精度。在正常運行中，該裝置使用兩個轉換週期來補償在產生最終溫度結果之前的偏移誤差和噪聲。開發人員還可以在三週期模式下使用該設備，這爲較慢的測量提供了一些好處;在三週期模式下約251毫秒(ms)，而在雙週期模式下約爲167毫秒。
在三週期模式下，該裝置可以通過在第一週期內產生電流脈衝來進行開路檢測，其次是正常的雙週期轉換過程。如果該設備在隨後的轉換週期中檢測到一個大的電壓，它將設置一個狀態位來報告一個嚴重的故障，這表明一個可能損壞的熱電偶或電纜。此外，該設備能夠報告許多不同的故障條件，超出了開放電路的硬故障(圖3)。
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圖3:線性技術LTC2986-1對所有傳感器讀數產生了硬的和軟的故障，與熱電偶傳感器相關的冷結測量結果如圖所示。
除了保護應用程序不受傳感器故障的影響外，開發人員通常採用旨在保護測量系統本身的設計技術。溫度傳感器通常用於惡劣的環境。像熱電偶這樣的傳感器通常是無屏蔽的，爲測量系統的輸入提供了一種容易接近的導電路徑。即使是像RTDs或熱敏電阻這樣的封裝傳感器，電纜也會被損壞，從而導致導線短到高電壓或相互之間的機會。最後，即使是細心的操作人員和技術人員也會無意中製造出不正確的電纜連接，尤其是在設計用於不同傳感器類型的通用硬件連接的應用程序中。
爲了保護測量系統不受過電壓的影響，開發人員通常在傳感器和測量系統的輸入通道之間設置電流限制電阻。通常，設計師會增加電容器來創建低通濾波器來衰減噪聲源。這些過濾器可以延長解決時間，這在使用勵磁電流脈衝的方法中是特別有問題的，正如之前所述的LTC2986-1轉換過程。此外，保護電阻的使用也會影響測量精度。
LTC2986-1提供了專門設計的特性和操作模式，以減輕保護電阻的二次不利影響。例如，由於設備輸入上的過濾器更大，爲了防止延長的安裝時間，開發人員可以在設備的輸入多路轉換時間中對額外的延遲進行編程。提供可能對結果更大的影響，該裝置的獨特的激勵電流模式解決了與保護電阻相關的串聯電阻增加的更基本問題。
儘管對於安全來說至關重要，但對於任何電阻設備，如RTD或熱敏電阻，保護電阻都是特別有問題的。在兩種終端電阻裝置中，保護電阻的加入會影響電壓測量，因爲勵磁電流流過保護元件的附加串聯電阻。由於傳感器是電阻，開發人員通常面臨的挑戰是將傳感器電阻與保護電阻及其引線相關聯的附加串聯電阻分離。
爲了解決這一問題，工程師們使用了3線RTDs，利用RTD終端的電阻和額外的導線來測量導線電阻。當然，這種方法需要仔細匹配導線長度和串聯電阻，以確保精度。爲了避免匹配問題，一個更好的解決方案使用4線或開爾文感應，在每個終端使用一個電阻器(圖4)。
常規四線RTD圖。
圖4:傳統的4線RTD允許電流繞過用於保護測量通道的串聯電阻(CH3和CH4)，因此測量誤差由於通過這些通道的低泄漏電流而受到限制。(圖片來源:凱利訊半導體)
在此配置中，電流跟隨路徑(圖4中的CH1到CH5)，它不涉及測量通道上的串聯保護電阻(CH3和CH4)。任何流過測量通道的電流都侷限於設備泄漏電流。由於LTC2986-1的輸入泄漏電流小於1毫微安(nA)，相關的測量誤差通常遠遠低於任何要求的分辨率。
然而，使用LTC2986-1，這種方法並不侷限於4線RTDs。工程師可以配置該設備，用三線RTDs、2線RTDs和熱敏電阻進行開爾文感應。
對於每一個傳感器類型，LTC2986-1提供了一種獨特的激勵模式，它使用當前路徑的相鄰通道。爲了實現這種模式，開發人員在每個傳感器終端和一個單獨的LTC2986-1輸入之間連接一個額外的保護電阻。然後，通過簡單地在LTC2986-1配置寄存器中設置一個位，並適當配置輸入通道(圖5)，從而啓用這個額外的當前路徑。與傳統的4線設備一樣，勵磁電流避免了測量通道，因此相應地減少了測量誤差。
線性技術LTC2986-1相鄰通道。
圖5:開發人員可以配置線性技術LTC2986-1，以使用相鄰的勵磁電流通道通道，提供開爾文感應到2線RTDs和熱敏電阻的好處。(圖片來源:凱利訊半導體)
不管設計者是否使用這種替代的激勵模式，他們仍然需要遵循一個基本的協議來設置與LTC2986-1的傳感器。爲了實現傳感器連接，他們需要分配通道和負載相關的內存位置和傳感器配置數據(圖6)。該通道分配數據位於RAM中的順序位置，每個設備的十個輸入通道對應一個對應的對應關係。在RAM被編程後，開發人員可以在設備的內置EEPROM中保存配置，以便在後續斷電或睡眠週期後進行恢復。
線性技術LTC2986-1信道分配數據塊的示意圖。
圖6:爲了配置線性技術LTC2986-1，開發人員創建包含相關傳感器細節的通道分配數據塊。(圖片來源:凱利訊半導體)
在內存中每個通道分配數據塊中，開發人員定義傳感器配置的詳細信息，包括傳感器類型、通道、傳感器配置、激勵電流和標準或自定義轉換信息的預定義值。一個設備的內存映射，圖6左上角顯示的PT-100 RTD，如圖7所示。
與PT-100 RTD相關的內存映射表。
圖7:通道分配數據包含了每個傳感器的配置細節，這裏顯示了與PT-100 RTD相關聯的內存映射，如圖6所示。
在複雜的多傳感器溫度系統中爲每個通道配置適當的內存映射需要注意每個細節。由於該設備內置了大量傳感器和傳感器類型的支持，開發人員需要確保爲特定傳感器選擇正確的代碼。配置中的錯誤可能會嚴重影響結果。
消除手動配置,線性技術提供一個免費的Windows®的LTC2986演示軟件程序,允許開發人員通過使用下拉菜單和選項指定配置爲每個通道。開發人員可以從演示板或LTC2986-1數據表中顯示的特定圖中加載配置示例(圖8)。
圖像線性技術LTC2986演示軟件。
圖8:線性技術LTC2986演示軟件簡化了設備的使用，爲相關的硬件板提供了預定義配置的下拉選擇，以及LTC2986-1數據表中的示例。(圖片來源:凱利訊半導體)
例如，上面圖6所示的兩個4線RTD配置從LTC2986-1數據表中的圖22中得到。從程序的配置下拉菜單中選擇這個數字會產生相應配置的相應設置(圖9)。
圖像線性技術LTC2986演示軟件。
圖9:線性技術LTC2986演示軟件生成用於生成通道分配數據的詳細配置。
除了簡化配置的創建之外，程序還可以評估自定義配置，以確保正確的分配。最重要的是，該程序可以生成相應的C語言標頭和軟件例程，可以在線性技術的DC2026 Arduino兼容的Linduino上執行。
例如，圖9所示的配置的C代碼生成自動生成一個初始化例程，其中包含實現圖7所示的所需內存映射的軟件分配。如清單1所示，生成的代碼使用一組定義的常量來創建適當的通道賦值語句(清單1)。
。
空白configure_channels()
{
uint8_t channel_number;
uint32_t channel_assignment_data;
// -----通道2:分配感知電阻-----。
channel_assignment_data =
SENSOR_TYPE__SENSE_RESISTOR |
(uint32_t)0 x9c4000 < < SENSE_RESISTOR_VALUE_LSB;//感覺電阻-值:10000。
assign_channel(CHIP_SELECT 2 channel_assignment_data);
// -----第4頻道:分配RTD -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);
// -----第7頻道:指定RTD -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);
}
。
/ /運行LTC2986 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
無效循環()
{
measure_channel(CHIP_SELECT 4溫度);// Ch 4: RTD PT-100。
measure_channel(CHIP_SELECT 7溫度);// Ch 7: RTD -500。
}
清單1:線性技術LTC2986演示軟件程序生成的代碼自動生成通道賦值語句，包括與圖7所示的內存映射對應的channel 4賦值。
無論使用Linduino平臺還是其他硬件，生成的代碼集演示了與使用LTC2986-1相關的關鍵設計模式。例如，清單1中的代碼片段演示了一個用於數據收集的基本循環。通過檢查生成的代碼，開發人員可以檢查與設備使用有關的詳細操作。例如,頂級函數x measure_channel清單1所示調用低級訪問設備寄存器開始轉換例程,等待完成,並讀取結果(清單2)。在這種情況下,生成的程序簡單結果打印到控制檯,但開發人員可以很容易地修改他們的應用程序的代碼。
/ / * * * * * * * * * * * * * * * * *
/ /測量通道
/ / * * * * * * * * * * * * * * * * *
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)
{
/ /開始轉換
transfer_byte(chip_select, WRITE_TO_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, CONVERSION_CONTROL_BYTE | channel_number);
wait_for_process_to_finish(chip_select);
}
。
空白wait_for_process_to_finish(uint8_t chip_select)
{
uint8_t process_finished = 0;
uint8_t數據;
而(process_finished = = 0)
{
data = transfer_byte(chip_select, READ_FROM_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, 0);
process_finished = data & 0x40;
}
}
/ / * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
/ /得到結果
/ / * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
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);
系列。打印(F(" \ nChannel "));
以channel_number);
// 24 LSB是轉換結果。
raw_conversion_result = raw_data & 0xFFFFFF;
print_conversion_result(raw_conversion_result channel_output);
//如果你對原始電壓或電阻感興趣，請使用以下內容。
如果電壓(channel_output ! =)
{
read_voltage_or_resistance_results(chip_select channel_number);
}
// 8 MSB顯示故障數據。
fault_data = raw_data >> 24;
print_fault_data(fault_data);
}
清單2:線性技術LTC2986演示軟件生成了Linduino就緒代碼，包括支持例程，如該代碼片段中顯示的用於執行低級訪問設備通道的代碼。
除了軟件，開發人員還可以使用線性技術dc2608a工具包快速啓動LTC2986-1硬件開發。設計與Linduino合作，DC2618組件包括一個演示板，包含LTC2986-1和一個麪包板。該工具包與LTC2986演示軟件結合使用，爲快速開發溫度傳感應用提供了一個平臺。
通常需要在惡劣的環境中運行，溫度測量系統爲開發人員提供了大量的挑戰，包括保護機制和測量精度之間的衝突。使用LTC2986-1和相關的開發工具，工程師現在可以快速實現能夠安全、準確的溫度測量的系統。