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溫度傳感技術(shù)及分類 傳感器通常用來在電子系統(tǒng)中監(jiān)視溫度并提供保護(hù)，以免產(chǎn)生過度的溫度偏移。下面列出幾種在電子系統(tǒng)中最常用的溫度傳感器技術(shù)。 實(shí)際上是一種阻值隨溫度變化的電阻(通常用鉑金線制成)。其特點(diǎn)包括：寬溫度范圍(可高達(dá))出色的精度及可重復(fù)性適度的線性以及需要進(jìn)行信號調(diào)理等。RTD信號調(diào)理電路通常由精密電流源及高分辨率ADC組成，因此成本可能較高。RTD可采用探針形式及表面貼裝封裝，并帶裸露引線。 熱敏電阻 實(shí)際上是一種溫度效應(yīng)電阻，通常由電導(dǎo)型材料燒結(jié)而成。最常見的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?可達(dá))中低成本(取決于精度)較差但可預(yù)知的線性度以及需要進(jìn)行適度的信號調(diào)理等。熱敏電阻可采用探針形式以及帶裸露引線的表面貼裝封裝或其他類型的特殊封裝。由Maxim提供的IC可將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。 IC溫度傳感器 實(shí)際上是一種帶模擬或數(shù)字輸出并完全基于硅的溫度傳感電路。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?大約)低成本出色的線性以及很多附加功能例如信號調(diào)理比較器及數(shù)字接口等。具有多種數(shù)字輸出方式，包括線與線(如SPI-串行外設(shè)接口)線(如IC及SMBus)及單線(如-Wire,PWM頻率及周期等)等多種類型。請注意，信號調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換及恒溫器等功能全都會增加其他類型溫度傳感技術(shù)的成本，但溫度傳感器IC卻通常已經(jīng)包含有這些功能。IC溫度傳感器主要采用表貼封裝。 為系統(tǒng)測量選擇合適的溫度傳感器 選擇正確的傳感技術(shù),須從了解待測量的目標(biāo)的特點(diǎn)及要求開始以下列出一些常見的溫度測量目標(biāo)并將其匯總于表中 待測量的目標(biāo)與測量安裝分別如下。 PC板 表面貼裝傳感器最適用于PC板溫度測量。RTD熱敏電阻及IC傳感器等均可采用表面貼裝封裝，且其溫度范圍與待測PC板的溫度相兼容。RTD相當(dāng)精確且提供高可重復(fù)性測量，但與熱敏電阻及IC相比，其價格較高。熱敏電阻的線性很差，但其非線性可以預(yù)測。如果只在一個較窄的溫度范圍內(nèi)使用時，通常只需用一至兩個外接電阻即可將其很好地線性化。如果精度不重要，則熱敏電阻可相當(dāng)便宜；但精密熱敏電阻卻比較貴。如果采用線性化計算或查找表格，則將顯著地增加系統(tǒng)成本及復(fù)雜性。IC通常擁有出色的線性和附加功能，例如數(shù)字接口或恒溫器等功能。在測量PC板溫度時，這些特性通常使其在系統(tǒng)成本設(shè)計復(fù)雜性及性能等方面優(yōu)于其他類型的傳感器技術(shù)。 精確地測量PC板溫度的一個關(guān)鍵因素是須將傳感器定位在正確的位置上。通常需要測量特定器件或器件組的溫度，以保證溫度不超出安全工作范圍或者對由溫度引起的器件性能變化進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)傳感器位置成為關(guān)鍵因素時，選用小封裝傳感器比較有利，如SOT，無需改變PC板布局即很容易將其安裝在合適的位置上。當(dāng)需要將傳感器安裝在電噪聲很強(qiáng)或遠(yuǎn)離其他溫度相關(guān)電路的位置上時，數(shù)字輸出很有用。 環(huán)境空氣 環(huán)境空氣的溫度比較難測量，因為傳感器的溫度必須反映空氣的溫度，但是由于與其他部件(PC板電源及CPU等)相隔離，它們可能處于不同的溫度。熱敏電阻熱電偶及RTD一般都采用可將傳感元件與PC板溫度隔開的長引線，如果引線足夠長，則傳感元件將和環(huán)境處于同一溫度，而引線則與可能處于不同溫度的PC板相連。IC傳感器通常很難用來測量環(huán)境溫度，因其最佳傳熱通道是與PC板處于同一溫度的引線。如果PC板不具有和環(huán)境相同的溫度(例如，如果它裝有功耗足以升高電路板溫度的器件)，則IC即不可能測量環(huán)境溫度。請注意，即使采用可使IC傳感器高于PC板的傳統(tǒng)IC封裝，例如T，由于引線的導(dǎo)熱能力非常好，因而測出的溫度實(shí)際上仍然是PC板的溫度。但由于它們具有數(shù)字輸出及恒溫器等其他功能，IC傳感器有時還是被用來測量環(huán)境空氣的溫度。這通常是將其安裝在一個與環(huán)境同溫的小型“衛(wèi)星”PC板上來實(shí)現(xiàn)的。IC也能用來對其他類型傳感器的測量信號進(jìn)行調(diào)理，其中包括用于 RTD的ADC及放大器熱敏電阻至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如MAX)以及熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如MAX) CPU圖形處理器FPGA功率器件模塊等等 高功率器件的溫度通常可用靠近或位于器件下面的表面貼裝傳感器(熱敏電阻IC或RTD等)來測量。如果無法實(shí)現(xiàn)，或者如果器件上裝有散熱片或具有其他一些需要測量溫度的表面，則可將帶有長引線的傳感器(如熱電偶RTD及熱敏電阻等)安裝在與被測表面相接觸的位置上。如果被測溫度可能超過，則熱電偶或RTD為最佳選擇。如果被測溫度可能接近或高于，則熱電偶為唯一選擇。 CPU圖形處理器FPGA功率器件模塊等等(帶片上熱二極管) 有些器件，尤其像CPU圖形處理器(GPU)及FPGA等高性能IC，它們包含有用于測量溫度的連接成二極管形式的雙極型晶體管。由于熱感應(yīng)晶體管就位于IC晶片上， 因此其溫度測量精度遠(yuǎn)高于其他溫度傳感技術(shù)，而且熱時間常數(shù)也相當(dāng)小。 Maxim提供幾種專門設(shè)計用來精確測量熱二極管溫度并將其直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的IC。在這些IC中，其中一些可測量一個熱二極管，而有些則能同時測量多達(dá)個熱二極管。雖然熱二極管的輸出信號電平很小(可低至μV／量級)，但仍大于熱電偶的輸出信號電平。內(nèi)部及外部濾波，再加上合理的電路布局，使得遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器能夠被廣泛用于具有很強(qiáng)電氣噪聲的設(shè)備中，例如計算機(jī)服務(wù)器及工作站等。 這些IC中的大多數(shù)都能提供其他功能來保護(hù)待測目標(biāo)(CPU圖形處理器FPGA功率器件模塊)，例如過溫告警引腳ALERT，如果溫度超過目標(biāo)的安全工作極限，則能用它來關(guān)斷系統(tǒng)。圖給出了遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器(MAX)的一個例子。這種IC可測量熱二極管和其自身的溫度，測量上限可高達(dá),同時還提供過溫告警輸出，觸發(fā)溫度可通過SMBus編程。 打破常規(guī)創(chuàng)造思維！”當(dāng)我們努力在尋求分析問題的解決方案的時候,我們很可能無數(shù)次聽到這樣的勸告。的確我們經(jīng)常是由于受到非常規(guī)經(jīng)驗的激發(fā)從而真正地找到問題的解決方案；我們可以找到一種新的方法能讓復(fù)雜事物變得簡單,溫度滴定就是一種新的方法,能解決艱難的滴定問題。 接下來我們將闡述如何運(yùn)用一點(diǎn)創(chuàng)造思維來解決客戶的問題。在這個案例中，這個客戶是一家提供定制鍍鋅服務(wù)的服務(wù)商。他們正在修建一個新型現(xiàn)代化的工廠。但是他們卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的分析方法都不能滿足他們的要求，因為他們修建的工廠將不需要很多工人但是個個都要求掌握了多種技能，并且能進(jìn)行自動化管理，有很高的可行性并有嚴(yán)格的（甚至在線程序控制來減少各種質(zhì)量偏差并降低成本。 有關(guān)分析的問題都圍繞著鍍鋅前處理槽，主要是指酸洗和預(yù)涂焊劑溶液。在酸洗溶液中，被分析物為游離酸自由鐵自由鋅和自由氯化物。在預(yù)涂焊劑溶液中，被分析物為銨鐵鋅氯化物和“酸量”---一個溶液剩余緩沖量的測量標(biāo)準(zhǔn)。目前游離酸是用苛性納人工滴定測定的；“酸量”是用鹽酸人工滴定測定的；氯化物是用硝酸銀人工滴定測定的；鋅和鐵是運(yùn)用原子吸收分析方法分別測定的；銨是使用凱氏蒸餾法測定的。但是這種分析速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到客戶在新工廠所需的程序控制要求?？偨Y(jié)出來就是需要提出一種綜合解決方案。它能夠?qū)崿F(xiàn)迅速在線滴定分析，并能將分析結(jié)果傳送到程序控制器。 溫度滴定分析顯然是能對這個問題提出最好的解決方案。溫度滴定非常簡單但具有多功能性，這是由于它使用了一種及其靈敏堅固的熱敏傳感器。這種傳感器是非特定的傳感器，它僅僅只測量溫度。只要化學(xué)反應(yīng)是放熱或是吸熱反應(yīng)，那么就可能適用于溫度滴定。這與PHREDOX和ISE滴定完全不同，這些滴定顧名思義都是限制在指定的應(yīng)用范圍。 因為這些電極為電化傳感器，用來測量測試溶液中潛在的變化，則它們需要與溶液發(fā)生直接的電接觸。這就是它們的致命缺點(diǎn)。精密的傳感器膜和參比連接可能會中毒弄臟甚至堵塞。與熱傳感完全相反的是，電化傳感器更復(fù)雜不靈活而且會加大維護(hù)延長潛在的系統(tǒng)故障停機(jī)時間。 由于熱敏傳感器對大部分化學(xué)溶液都不受影響，所以就通常無須對濃縮溶液進(jìn)行一系列稀釋操作。這樣不但能節(jié)省時間還能降低誤差的發(fā)生率。一般情況下我們可以使用超濃縮的滴定劑。溫度滴定的最大特點(diǎn)就是整個過程所花的時間僅僅是幾分鐘。 根據(jù)溫度滴定實(shí)驗顯示僅僅通過單滴滴定就能對同一樣品中的物體進(jìn)行多種析。這種在單滴滴定中取多個終點(diǎn)的概念已為一種新的簡單易管理的系統(tǒng)提供了最好的展望。這也就是解決上述客戶問題的起點(diǎn)。首先要解決酸洗溶液分析問題。在運(yùn)用氫氧化鈉滴定測定綜合混合物中的酸時候，最多只能得到三個終點(diǎn)。第一個終點(diǎn)為中和游離態(tài)酸，第二個表示Fe+ 的氫氧化物沉淀，第三個則表示該溶液中Fe+ 和 Zn+的氫氧化物沉淀。對綜合混合物的檢查顯示Fe+ and Zn+的氫氧化物連同氫氧化鈉一起沉淀。圖一顯示含有Fe+離子酸洗溶液的溫度滴定曲線（用于終點(diǎn)定位。 先通過溫度氧化還原滴定得到Fe+含量，再用氫氧化鈉滴定分析出來Fe+ 和 Zn+ 的總含量，再將總含量減去滴定得到的Fe+含量。運(yùn)用重鉻酸鉀來作滴定劑，產(chǎn)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，從而由此獲得非常精確的滴定終點(diǎn)。圖形中的第一和第二次的派生曲線就說明了這個結(jié)果。從一種分解點(diǎn)產(chǎn)生過程的觀點(diǎn)來看，使用這同一種傳感器對酸性和氧化滴定法都有很明顯的作用。 由于在使用助熔劑前就存在銨鋅混合溶液，我們又將面臨一項挑戰(zhàn)。如果我們?nèi)缫酝阌脷溲趸c作為滴定劑，就有可能產(chǎn)生銨化鋅溶液干擾的問題。這令我們想到的是一種普遍的方法可能被強(qiáng)制性的使用在肥料工業(yè)中。其中包括了銨同甲醛的反應(yīng)產(chǎn)生了四氮六甲環(huán)和酸： 既然銨被破壞而鋅又釋放出來（從化學(xué)上說酸形成的地方等同于銨，那么我們就有可能用氫氧化鈉滴定法來測量銨（也作酸和Fe+ & Zn+ 混合溶液的濃度。在酸洗混合溶液分解當(dāng)中，測定Fe+ 的濃度要分開使用重鉻酸鹽滴定法。圖中第一及第二次的派生滴定曲線闡述了銨和Fe+ & Zn+ 混合溶液的濃度測量結(jié)果。在使用助熔劑前就可測定酸的含量足以證明讓鹽酸作滴定試劑的確是一種容易的溫度滴定法。 在這個發(fā)展階段，客戶被提供的是一個非常簡單的解決辦法；所有需被分解的樣品都可以用溫度滴定法來測定（從陽離子分解物的濃度中估計氯化物，而所需要的僅僅是一臺溫度滴定調(diào)節(jié)裝置和四個帶活塞的滴管。如果客戶要求單獨(dú)對氯化物進(jìn)行估算，那么只要使用硝酸銀作為滴定試劑,同時已被很好證實(shí)過使用這種簡單的滴定法就可以辦到?？蛻艨梢赃x擇將溫度滴定儀作為一個獨(dú)立的裝置放在實(shí)驗室的凳子上，或是形成一體化在線分析系統(tǒng)。在線系統(tǒng)中，所有的滴定是由一個滴定管和一個傳感器完成的，并通過一個正位移計量泵調(diào)整所有樣品和滴定劑的流量。容器的清洗和排放都是自動化的，無論你是作為一個實(shí)驗室分析員，還是在線系統(tǒng)中的領(lǐng)域分析員，這種滴定軟件提供的是分析過程的全盤自動化。 溫度滴定法是一種為復(fù)雜滴定提供簡單分析答案的全新的分析方法。 傳感器電子電路的主要目標(biāo)是為控制單元提供與被測物理量呈正比的“純凈”信號。通常，來自傳感器的信號經(jīng)過調(diào)整后，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。每一個階段都會產(chǎn)生誤差，并被累加到被測信號上。噪聲通常被低通濾波器立即消除，模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差也被限制在可接受的范圍內(nèi)，而通過選擇所需的最高分辨率，傳感器的熱效應(yīng)誤差也可以忽略不計，或者更可能的是在數(shù)字域內(nèi)對其進(jìn)行補(bǔ)償。 只要系統(tǒng)外圍的檢測器數(shù)目相對較少，那么在數(shù)字域進(jìn)行的熱補(bǔ)償是可以接受的。不過，隨著傳感器數(shù)量的不斷增加，系統(tǒng)的可靠性和性能將急劇下降。因此，自適應(yīng)傳感器偏置技術(shù)成為解決這個問題的關(guān)鍵。 現(xiàn)在以橋式壓力傳感器為例來說明此問題。在這種類型的設(shè)計中，四個將壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的傳感器被搭成惠斯通電橋(見圖)。參考電壓施加在其中的一組對角上，阻抗值的任何變化都將在另一組對角的電壓值上反映出來。理想情況下，當(dāng)沒有施加壓力時，四個阻抗值是相等的，惠斯通電橋處于平衡狀態(tài)，因此沒有電壓輸出。不過，環(huán)境的熱效應(yīng)將使系統(tǒng)產(chǎn)生微小的不平衡，從而導(dǎo)致在被測電壓中出現(xiàn)噪聲。 因此，我們的挑戰(zhàn)是設(shè)計一個能夠?qū)崞七M(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)解決方案，以便在整個工作溫度范圍內(nèi)，當(dāng)沒有壓力輸入時，電路沒有電壓輸出。此外，在全溫度范圍內(nèi)，對于一個給定的壓力值，電路的輸出應(yīng)該是一個恒定值。 惠斯通電橋兩個電壓輸出的差值必須被分解為兩種不同的量：代表所測壓力的電壓和偏移電壓。對一個給定的恒定溫度，電壓差的變化范圍稱為跨距(Span)，它起始于偏移電壓。惠斯通電橋需要增加兩個額外的電路來補(bǔ)償跨距和偏移值的變化。每個電路模塊都由數(shù)字控制電位器(DCP)產(chǎn)生的可變電阻進(jìn)行動態(tài)控制。Pot和Pot是DCP的模擬電阻陣列，阻值分別為“a”和“b”(見圖)。 只要傳感器工作在等溫環(huán)境中，傳感器的偏移和跨距就將保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，因此“a”和“b”將固定不變。一旦溫度變化，為了使傳感器的輸出保持在穩(wěn)定的特性范圍內(nèi)，就必須重新調(diào)整這些滑動觸點(diǎn)的位置。在這種情況下，“a”和“b”的調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)將由外部溫度 傳感器和DCP中的片上EPROM寄存器共同提供。DCP根據(jù)傳感器的溫度和壓力特性，執(zhí)行查找表操作，找出事先存儲在EPROM中對應(yīng)的典型差分電壓。 雖然以上分析是基于壓力傳感器電路，但主要的原理(如傳感器偏移和跨距的熱漂移)能夠以類似的方式適用于其它任何傳感器電路。使用Xicor公司自適應(yīng)可重調(diào)整電位器的XDCP解決方案，將為這些應(yīng)用增加更多的自由度。 動態(tài)平衡閥分為流量（流量動態(tài)控制閥和壓差控制兩種，根據(jù)實(shí)際需求選用。動態(tài)平衡閥用于解決各臺末端因溫控閥門頻繁動作而引起的支路壓差平衡問題。其和靜態(tài)區(qū)別在于：靜態(tài)平衡閥需要通過專用智能儀表進(jìn)行一次性調(diào)試后鎖定，將系統(tǒng)的總水量控制在合理范圍內(nèi)，但是每次改動都需要通過儀表對閥進(jìn)行再鎖定，動態(tài)的是自力的不用這么麻煩的，依靠管網(wǎng)中被調(diào)介質(zhì)自身的壓力變化進(jìn)行自動恒定流量，靜態(tài)的在工程造價上要略微便宜些。