如何快速重新設計電阻溫度檢測器(RTD)工業溫度傳感器

摘要

本文介紹如何快速重新設計電阻溫度檢測器(RTD)工業溫度傳感器，以更小尺寸、支持靈活通信和遠程配置的產品，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?收發器可以實現上述目標。

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、正常運行的設備?？梢哉f，這條建議適用于許多RTD傳感器電路設計，而全球工業制造工廠通常使用這些傳感器實現安全、高效的溫度測量。但是，要滿足工業4.0的要求，需要提高工廠智能化水平，那么很顯然，現有的許多RTD傳感器無法滿足這些環境的工作要求。更小的外形尺寸、靈活通信和遠程配置能力，這是自動化工程師現在需要工業溫度傳感器提供的一些功能，但是現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的溫度傳感器設計中使用的構建模塊，探討這些模塊在傳感器應用中的限制因素。然后，展示如何快速重新設計這種類型的傳感器，以獲得這個新工業時代所需的功能。

溫度傳感器構建模塊

RTD工業溫度傳感器的構建模塊如圖2所示。

圖2.RTD工業溫度傳感器框圖。

RTD將物理量（溫度）轉化為電信號，一般用于檢測–200°C至+850°的溫度，在這個溫度范圍內提供高度線性的響應。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生輸出電壓?？梢允褂没鶞孰妷簛砩蛇@種電壓，由運算放大器進行緩沖，隨后將電流驅動到RTD，產生輸出電壓信號，該信號會隨溫度變化提供不同響應。根據使用的RTD類型和測得的溫度，該信號能產生幾十到幾百毫伏的電壓，如圖3所示。

圖3.Pt100 RTD響應不斷升高的溫度產生的電壓信號。

AFE放大并調節低振幅RTD信號，然后由模數轉換器(ADC)對該信號進行數字化處理，以便微控制器運行算法對其進行非線性補償。這樣就會通過通信接口，將數字信號發送至過程控制器。AFE一般由包含多個組件信號鏈構成，每個組件執行一項專用功能，如圖4所示。

圖4.信號鏈中使用單個分立式組件實現的AFE。

許多現有的溫度傳感器設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際上盡可能最小。還有一種更簡潔優化的方法，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，包括多路復用器、基準電壓源、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實現AFE。

通信接口

許多工業傳感器設計都是使用一個（或多個）工業網絡連接至過程控制器，其中包括多種版本的現場總線或工業以太網。這需要使用專用集成電路(ASIC)來實現所選的網絡協議。但是，這種方法有幾個缺點。首先，在傳感器設計中集成網絡專用ASIC會大幅增加成本，尤其當工業網絡為專用網絡時。還會使傳感器市場僅局限于使用該網絡的用戶。同一個傳感器要支持不同的網絡協議，需要重新設計，添加所需的ASIC，這個過程非常耗時、耗費成本而且風險很大。最后，診斷功能的數量和類型因網絡類型不同存在很大差異（有些網絡類型不提供診斷功能）?；诰唧w的選擇，在傳感器安裝到現場后，工廠操作人員可能很難判斷傳感器的潛在問題，進行相應的維護，并解決傳感器出現的性能問題。

還有一個更好的方法，就是設計一個與所有工業網絡保持獨立的傳感器，從而降低開發成本，并擴大潛在客戶群?？梢允褂肐O-Link來完成上述設計，IO-Link是三線工業通信標準，支持傳感器（和執行器）與所有工業控制網絡相連。在IO-Link應用中，收發器充當連接運行數據鏈路層協議的微控制器的物理層接口。使用IO-Link的優勢在于，它能夠進行四種類型的傳輸：過程數據、診斷、配置和事件，能夠在發生故障時快速識別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠程配置，例如，如果需要更改觸發過程警報的溫度閾值，可以遠程進行更改，無需技術人員前往現場操作。MAX14828是一款低功耗、超小型IO-Link器件收發器。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RTD溫度（和其他類型的）傳感器中。該收發器直接與過程控制器端的IO-Link主機通信，該主機用于管理與接口ASIC之間的通信（如圖6所示），因此傳感器能夠獨立于工業網絡。

圖6.控制器一側的IO-Link主機收發器執行與工業網絡之間的通信。

結論

智能工廠自動化工程師對工業溫度傳感器的期望不斷提高，包括更小尺寸、靈活通信和遠程配置能力。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器件收發器如何使傳感器能夠不依賴用于連接過程控制器的工業網絡接口，而保持獨立運行。雖然本文側重于RTD溫度傳感器，但這種重新設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。