很少有測(cè)量與溫度一樣普遍。雖然有時(shí)它是主要的興趣,但溫度知識(shí)通常是用于補(bǔ)償其對(duì)其他測(cè)量的影響的參數(shù)。射頻放大器,混頻器和其他部件是溫度相關(guān)電路的例子; 光電二極管和雪崩光電二極管是另一種。在更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中,高精度和動(dòng)態(tài)范圍都是溫度測(cè)量所需的。
使用熱敏電阻的橋接電路可以提供高精度,但是限于小的動(dòng)態(tài)范圍。我們?cè)诒疚闹忻枋龅暮?jiǎn)單分壓電路使設(shè)計(jì)工程師能夠以高精度實(shí)現(xiàn)各種溫度測(cè)量,在0.2°C至0.35°C范圍內(nèi)產(chǎn)生三個(gè)sigma(3σ)誤差,如圖1。為了獲得更好的性能,您可以校準(zhǔn)現(xiàn)成的熱敏電阻或由制造商完成此操作,以實(shí)現(xiàn)毫開(kāi)爾文(mK)范圍內(nèi)的精度。低元件數(shù),寬動(dòng)態(tài)范圍和高精度的組合使該電路適用于廣泛的目標(biāo)應(yīng)用。選擇小型熱敏電阻也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量滯后,因?yàn)樗鼈兊臒豳|(zhì)量較低,這是快速變化的熱環(huán)境中的一個(gè)重要特征。
圖1提出了我們簡(jiǎn)單電路的3σ絕對(duì)精度。該電路的原始應(yīng)用是為基于光電二極管的儀器提供溫度補(bǔ)償信息 - GOES-R X射線光譜儀,用于測(cè)量太陽(yáng)耀斑的強(qiáng)度和位置,以及太陽(yáng)能最小背景X射線輻照度。精確測(cè)量數(shù)十毫微安范圍內(nèi)的電流。在此應(yīng)用中,跟蹤溫度相對(duì)變化的能力比絕對(duì)精度更重要。我們發(fā)現(xiàn)電路的相對(duì)精度比絕對(duì)精度好大約十倍(0.04°C)。科羅拉多大學(xué)大氣空間物理實(shí)驗(yàn)室承包低噪音,低功率電荷靜電計(jì)ASIC開(kāi)發(fā)用于測(cè)量10 fA分辨率的光電流,范圍從50 fA到10 nA。在測(cè)試期間,發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)放大器產(chǎn)生的偏移電壓與儀器中光電二極管的指數(shù)溫度相關(guān)的分流電阻相結(jié)合,產(chǎn)生了電路靜態(tài)電流的顯著變化。圖2顯示了基線電流和溫度之間的關(guān)系,由于對(duì)數(shù)垂直軸,它看起來(lái)是線性的。
圖1.使用圖3所示電路的蒙特卡羅分析估算溫度時(shí)的3σ誤差界限
圖2. LASP X射線光譜儀儀器的指數(shù)光電二極管基線電流與溫度的關(guān)系
圖3.溫度監(jiān)控電路的原理圖
監(jiān)測(cè)溫度的電路如圖3所示。使用串聯(lián)電阻R S和熱敏電阻R T,輸出電壓由公式1給出:
哪里:
V ADC = 輸出電壓
V I = 輸入電壓
R S. = 一個(gè)串聯(lián)電阻
R T. = 一個(gè)熱敏電阻
R F,R G = 獲得增益G的設(shè)定電阻,由公式1a給出:
為了獲得最大線性度,我們需要電壓與溫度的變化率T對(duì)于最?。═ min)和最大(T max)所需的工作溫度都是相等的。也就是說(shuō),對(duì)于測(cè)量范圍的T = T max和T = T min,等式2必須為真:
產(chǎn)生最佳線性化的R S值由公式3所示的二階方程求解:
哪里:
T T 1 = 最低電路工作溫度
R T 1 = T T 1時(shí)的 熱敏電阻
T T 3 = 最高電路工作溫度
R T 3 = T T 3時(shí)的 熱敏電阻
圖4、工作溫度限制為±32°C時(shí)的熱敏電阻溫度和電阻值
溫度(°C) |
熱敏電阻(KΩ) |
-32 |
151.2 |
-31 |
143 |
0 |
29.49 |
31 |
7.88 |
32 |
7.58 |
使用最接近T T 1和T T 3的兩個(gè)值,可以使用熱敏電阻器對(duì)溫度的表來(lái)求解等式3中的導(dǎo)數(shù)。在±32°C的極限,從圖4我們得到以下結(jié)果:
這些值代入公式3,值[R 小號(hào),讓我們最好線性化電阻是- [R 小號(hào) = 26.459KΩ。另一種更簡(jiǎn)單的方法是選擇R S = R TO,其中R TO是所需工作溫度范圍中間的熱敏電阻。例如,T = 0°C時(shí)的R TO為29.49KΩ。這兩種方法的結(jié)果如圖5所示。對(duì)于溫度操作的兩個(gè)極限和dV / dT,明確規(guī)定了電壓與溫度的變化率在極端溫度下,值非常接近相同的值。這意味著我們正在獲得盡可能接近線性的電路響應(yīng)。
圖5.使用最大線性度(藍(lán)色)的R S值生成的電壓與溫度關(guān)系曲線,并使用R S =中點(diǎn)R 熱敏電阻或R 熱敏電阻在0°C(黑線
在提供良好的線性化的同時(shí),結(jié)果不會(huì)跨越V MIN到V MAX的期望范圍。但是,如果我們可以選擇增益和偏移,我們就可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。第一步是找到V ø為? ? = - [R ? 1(最低溫度和最高的阻力)和- [R ? = - [R ? 3使用(最高溫度和最低電阻)方程4和5:
哪里:
V IN = 電路輸入電壓(見(jiàn)圖3)
R S. = 電路中的串聯(lián)輸入電阻(見(jiàn)圖3)
V OMAX = 最大。分壓器電路電壓,即熱敏電阻上的最低溫度和最高電阻的電壓,產(chǎn)生最大電壓。電路電壓
V OMIN = 分鐘。分壓器電路電壓,它是熱敏電阻上最高溫度和最低電阻的電壓,產(chǎn)生最小值。電路電壓
現(xiàn)在將電路的最小和最大電壓(分別為V ADCMIN和V ADCMAX)設(shè)置為溫度限制。使V ADCMIN = 0且V ADCMAX = V MAXADC,這是最大值。使用增益G和偏移電壓V OFF的ADC電壓,如公式6和7所示:
通過(guò)替換,我們得到方程8和9:
公式10給出了電路的輸出電壓:
圖6示出了電壓與溫度特性用于與電路V ADCMAX = 4.096,V IN = 4.096,g ^ = 1.5973,V OFF從±32°C = -1.5099,和溫度范圍。該線接近線性。接近恒定的斜率dV / dT意味著ADC的輸出將在計(jì)數(shù)與溫度dN / dT之間具有接近恒定的變化,從而確保在所選溫度范圍內(nèi)幾乎相等的靈敏度。此時(shí),我們可以分析由于曲線中的非線性量引起的誤差,假設(shè)電壓遵循等式V = cT + V O?;蛘撸?yàn)橛袃蓚€(gè)拐點(diǎn),我們可以通過(guò)將三階多項(xiàng)式擬合到結(jié)果來(lái)最小化誤差。然而,更好的選擇是采用等式11中所示的Steihnhart-Hart方程(SH-H)。
圖6.使用電阻分壓器產(chǎn)生的電壓與溫度關(guān)系圖,增益和偏移量范圍為0至4.096 V
SH-H的使用包括在給定測(cè)量電壓V ADC的情況下求解熱敏電阻R T的公式10 ,并將該值插入公式11以求解溫度。R T使用公式12計(jì)算:
使用公式13,使用所需熱敏電阻的電阻與溫度表中的三個(gè)點(diǎn)來(lái)求解SH-H中的系數(shù)a,b和c:
哪里:
R T 1,R T 2,R T 3 = 在溫度T 1,T 2,T 3下的熱敏電阻
T 1,T 2,T 3 = 溫度以開(kāi)爾文為單位。
我們不會(huì)在這里討論T 1,T 2和T 3的最佳選擇。相反,我們的方法是選擇T 1作為要測(cè)量的最低溫度,T 3作為要測(cè)量的最高溫度,并使T 2成為T(mén) 1和T 3的中點(diǎn)。
圖7顯示使用這兩種方法估算溫度在±32°C之間的誤差。使用SH-H估算溫度范圍內(nèi)的溫度時(shí),藍(lán)線是誤差; 最大誤差為0.012°C。當(dāng)我們使用三階多項(xiàng)式擬合估計(jì)溫度時(shí),綠線是誤差; 最大誤差為0.21°C。當(dāng)我們比較兩個(gè)結(jié)果時(shí),我們發(fā)現(xiàn)使用SH-H的誤差與使用多項(xiàng)式擬合的誤差相比小18.6倍。使用七階多項(xiàng)式擬合比在±30°C范圍內(nèi)使用SH-H稍微好一點(diǎn); 然而,如果我們將溫度范圍增加到±50°C,SH-H方程再次可以更好地估算溫度。因此,通過(guò)使用SH-H,我們不再需要確定在大范圍溫度下獲得精確溫度測(cè)量所需的多項(xiàng)式階數(shù)。
圖7.使用Steinhart-Hart方程(藍(lán)線)和三階多項(xiàng)式(綠線)估計(jì)的溫度誤差