重新設(shè)計基于RTD的溫度傳感器，以適應(yīng)智能工廠時代

摘要

本文介紹如何快速重新設(shè)計電阻溫度檢測器(RTD)工業(yè)溫度傳感器，以更小尺寸、支持靈活通信和遠(yuǎn)程配置的產(chǎn)品，滿足智能工廠對溫度測量器件的需求。使用高度集成的模擬前端(AFE)和IO-Link?收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

簡介

老話常說“沒壞就別去修它”，勸誡我們不要動手改動性能可靠、正常運(yùn)行的設(shè)備?？梢哉f，這條建議適用于許多RTD傳感器電路設(shè)計，而全球工業(yè)制造工廠通常使用這些傳感器實(shí)現(xiàn)安全、高效的溫度測量。但是，要滿足工業(yè)4.0的要求，需要提高工廠智能化水平，那么很顯然，現(xiàn)有的許多RTD傳感器無法滿足這些環(huán)境的工作要求。更小的外形尺寸、靈活通信和遠(yuǎn)程配置能力，這是自動化工程師現(xiàn)在需要工業(yè)溫度傳感器提供的一些功能，但是現(xiàn)有的解決方案并不支持這些功能。本文將重新審視許多基于RTD的溫度傳感器設(shè)計中使用的構(gòu)建模塊，探討這些模塊在傳感器應(yīng)用中的限制因素。然后，展示如何快速重新設(shè)計這種類型的傳感器，以獲得這個新工業(yè)時代所需的功能。

圖1.基于RTD的溫度傳感器示例。

溫度傳感器構(gòu)建模塊

RTD工業(yè)溫度傳感器的構(gòu)建模塊如圖2所示。

圖2.RTD工業(yè)溫度傳感器框圖。

RTD將物理量（溫度）轉(zhuǎn)化為電信號，一般用于檢測–200°C至+850°的溫度，在這個溫度范圍內(nèi)提供高度線性的響應(yīng)。RTD中常用的金屬元素包括鎳(Ni)、銅(Cu)和鉑(Pt)，普遍使用的是Pt100和Pt1000鉑RTD。RTD有兩線、三線或四線形式，其中三線和四線形式較為常用。RTD是無源器件，需要一個激勵電流來產(chǎn)生輸出電壓。可以使用基準(zhǔn)電壓來生成這種電壓，由運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖，隨后將電流驅(qū)動到RTD，產(chǎn)生輸出電壓信號，該信號會隨溫度變化提供不同響應(yīng)。根據(jù)使用的RTD類型和測得的溫度，該信號能產(chǎn)生幾十到幾百毫伏的電壓，如圖3所示。

圖3.Pt100 RTD響應(yīng)不斷升高的溫度產(chǎn)生的電壓信號。

AFE放大并調(diào)節(jié)低振幅RTD信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對該信號進(jìn)行數(shù)字化處理，以便微控制器運(yùn)行算法對其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。這樣就會通過通信接口，將數(shù)字信號發(fā)送至過程控制器。AFE一般由包含多個組件信號鏈構(gòu)成，每個組件執(zhí)行一項(xiàng)專用功能，如圖4所示。

圖4.信號鏈中使用單個分立式組件實(shí)現(xiàn)的AFE。

許多現(xiàn)有的溫度傳感器設(shè)計都使用這種分立式方法，該方法要求使用的印刷電路板(PCB)足夠大，能夠容納所有的集成電路(IC)、信號和電源布線，并使傳感器的外殼尺寸實(shí)際上盡可能最小。還有一種更簡潔優(yōu)化的方法，就是使用集成式AFE，例如圖5所示的AD7124-4。這個緊湊型IC是一個完整的AFE，采用單個封裝，包括多路復(fù)用器、基準(zhǔn)電壓源、可編程增益放大器和Σ-Δ ADC。它還提供RTD所需的激勵電流，因此它能取代前一張圖中的五個信號鏈組件，大幅減少所需的板空間，使傳感器能夠采用更小巧的封裝。

圖5.使用AD7124-4實(shí)現(xiàn)AFE。

通信接口

許多工業(yè)傳感器設(shè)計都是使用一個（或多個）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接至過程控制器，其中包括多種版本的現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)。這需要使用專用集成電路(ASIC)來實(shí)現(xiàn)所選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是，這種方法有幾個缺點(diǎn)。首先，在傳感器設(shè)計中集成網(wǎng)絡(luò)專用ASIC會大幅增加成本，尤其當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為專用網(wǎng)絡(luò)時。還會使傳感器市場僅局限于使用該網(wǎng)絡(luò)的用戶。同一個傳感器要支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要重新設(shè)計，添加所需的ASIC，這個過程非常耗時、耗費(fèi)成本而且風(fēng)險很大。最后，診斷功能的數(shù)量和類型因網(wǎng)絡(luò)類型不同存在很大差異（有些網(wǎng)絡(luò)類型不提供診斷功能）。基于具體的選擇，在傳感器安裝到現(xiàn)場后，工廠操作人員可能很難判斷傳感器的潛在問題，進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，并解決傳感器出現(xiàn)的性能問題。

還有一個更好的方法，就是設(shè)計一個與所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持獨(dú)立的傳感器，從而降低開發(fā)成本，并擴(kuò)大潛在客戶群?？梢允褂肐O-Link來完成上述設(shè)計，IO-Link是三線工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，支持傳感器（和執(zhí)行器）與所有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相連。在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)連接運(yùn)行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的微控制器的物理層接口。使用IO-Link的優(yōu)勢在于，它能夠進(jìn)行四種類型的傳輸：過程數(shù)據(jù)、診斷、配置和事件，能夠在發(fā)生故障時快速識別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠(yuǎn)程配置，例如，如果需要更改觸發(fā)過程警報的溫度閾值，可以遠(yuǎn)程進(jìn)行更改，無需技術(shù)人員前往現(xiàn)場操作。MAX14828是一款低功耗、超小型IO-Link器件收發(fā)器。該器件采用(4 mm × 4 mm) 24引腳TQFN封裝和(2.5 mm × 2.5 mm)晶圓級封裝(WLP)，易于集成到工業(yè)RTD溫度（和其他類型的）傳感器中。該收發(fā)器直接與過程控制器端的IO-Link主機(jī)通信，該主機(jī)用于管理與接口ASIC之間的通信（如圖6所示），因此傳感器能夠獨(dú)立于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

圖6.控制器一側(cè)的IO-Link主機(jī)收發(fā)器執(zhí)行與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

結(jié)論

智能工廠自動化工程師對工業(yè)溫度傳感器的期望不斷提高，包括更小尺寸、靈活通信和遠(yuǎn)程配置能力。本文展示

如何利用高度集成的AFE來快速重新設(shè)計RTD溫度傳感器，以減小其封裝尺寸。此外，還展示IO-Link器件收發(fā)器如何使傳感器能夠不依賴用于連接過程控制器的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口，而保持獨(dú)立運(yùn)行。雖然本文側(cè)重于RTD溫度傳感器，但這種重新設(shè)計的方式也適用于使用熱敏電阻或熱電偶傳感器的溫度傳感器。