智能化Pt100和Pt1000温度传感器支持灵活通信和远程配置

工厂通用这些pt100温度传感器实现安全、高效的温度测量。但是，要满足工业4.0的要求，需要提高工厂智能化水平，那么很显然，现有的许多RTD传感器无法满足这些环境的工作要求。更小的外形尺寸、灵活通信和远程配置能力，这是自动化工程师现在需要工业温度传感器提供的一些功能，但是现有的解决方案并不支持这些功能。本文将重新审视许多基于RTD的温度传感器设计中使用的构建模块，探讨这些模块在传感器应用中的限制因素。然后，展示如何快速重新设计这种类型的传感器，以获得这个新工业时代所需的功能，数字温度传感器主要广泛应用于智能手机和智能扬声器等消费电子领域。随着技术不断创新和大量新用例（如预测性维护、自主机械、过程监控、设备和机器人技术）涌现，同时为满足精度、成本和行业标准化需求，数字温度传感器开始应用于工业领域，并逐渐取代传统模拟传感器。这一转变主要归因于工业 4.0 的发展以及当今市场数字设备和元器件数量的激增。从发展趋势来看，小型化、集成化和低功耗已经成为数字温度传感器件的核心特质。

RTD将物理量（温度）转化为电信号，一般用于检测–200°C至+850°的温度，在这个温度范围内提供高度线性的响应。RTD中常用的金属元素包括镍(Ni)、铜(Cu)和铂(Pt)，普遍使用的是Pt100和Pt1000铂RTD。RTD有两线、三线或四线形式，其中三线和四线形式较为常用。RTD是无源器件，需要一个激励电流来产生输出电压。可以使用基准电压来生成这种电压，由运算放大器进行缓冲，随后将电流驱动到RTD，产生输出电压信号，该信号会随温度变化提供不同响应。根据使用的RTD类型和测得的温度，该信号能产生几十到几百毫伏的电压，特别值得关注的是，在 2022 年出货的传感器中有三分之一是以温度、湿度、压力、液位、气体为代表的物联网传感器。根据调研机构 IoT Analytics 发布的《2022-2027 年物联网传感器市场报告》，物联网传感器市场规模在 2022 年达到了 109 亿美元，预计未来五年的复合年增长率将达到 16%，2027 年物联网传感器市场有望达到 221 亿美元。这其中，又以温度传感器最为引人关注。毕竟，温度传感器不但市场规模庞大，而且越来越多的智能产品现在都对温度参数的监测和控制提出了极高要求。可以毫不夸张地说，一丝细微温度的变化，都会对环境、家居产品、工业设备、汽车、服务器、电脑等诸多行业产生巨大影响。

AFE放大并调节低振幅RTD信号，然后由模数转换器(ADC)对该信号进行数字化处理，以便微控制器运行算法对其进行非线性补偿。这样就会通过通信接口，将数字信号发送至过程控制器。AFE一般由包含多个组件信号链构成，每个组件执行一项专用功能，选择温度传感器产品也许看似小事一桩，但由于可用的产品多种多样，还要同时考虑传感器价格、温度范围、精度、耐用性、传感器输出、热稳定性等多重因素，因此这项任务可能令人颇感畏惧。但凭借灵敏度高、线性度好、响应速度快、功耗低、传输距离远、体积小等核心优点，圣邦微电子将为系统设计人员提供更简洁的电路设计，更方便快捷的数据读取，以及更多的选型方案。

许多现有的温度传感器设计都使用这种分立式方法，该方法要求使用的印刷电路板(PCB)足够大，能够容纳所有的集成电路(IC)、信号和电源布线，并使传感器的外壳尺寸实际上尽可能最小。还有一种更简洁优化的方法，就是使用集成式AFE，例如图5所示的AD7124-4。这个紧凑型IC是一个完整的AFE，采用单个封装，包括多路复用器、基准电压源、可编程增益放大器和Σ-Δ ADC。它还提供RTD所需的激励电流，因此它能取代前一张图中的五个信号链组件，大幅减少所需的板空间，使传感器能够采用更小巧的封装。

通信接口

许多工业传感器设计都是使用一个（或多个）工业网络连接至过程控制器，其中包括多种版本的现场总线或工业以太网。这需要使用专用集成电路(ASIC)来实现所选的网络协议。但是，这种方法有几个缺点。首先，在传感器设计中集成网络专用ASIC会大幅增加成本，尤其当工业网络为专用网络时。还会使传感器市场仅局限于使用该网络的用户。同一个传感器要支持不同的网络协议，需要重新设计，添加所需的ASIC，这个过程非常耗时、耗费成本而且风险很大。最后，诊断功能的数量和类型因网络类型不同存在很大差异（有些网络类型不提供诊断功能）。基于具体的选择，在传感器安装到现场后，工厂操作人员可能很难判断传感器的潜在问题，进行相应的维护，并解决传感器出现的性能问题。

还有一个更好的方法，就是设计一个与所有工业网络保持独立的传感器，从而降低开发成本，并扩大潜在客户群。可以使用IO-Link来完成上述设计，IO-Link是三线工业通信标准，支持传感器（和执行器）与所有工业控制网络相连。在IO-Link应用中，收发器充当连接运行数据链路层协议的微控制器的物理层接口。使用IO-Link的优势在于，它能够进行四种类型的传输：过程数据、诊断、配置和事件，能够在发生故障时快速识别、跟踪和处理传感器。它还支持远程配置，例如，如果需要更改触发过程警报的温度阈值，可以远程进行更改，无需技术人员前往现场操作。MAX14828是一款低功耗、超小型IO-Link器件收发器。该器件采用(4 mm × 4 mm) 24引脚TQFN封装和(2.5 mm × 2.5 mm)晶圆级封装(WLP)，易于集成到工业RTD温度（和其他类型的）传感器中。该收发器直接与过程控制器端的IO-Link主机通信，该主机用于管理与接口ASIC之间的通信（如图6所示），因此传感器能够独立于工业网络。

结论

智能工厂自动化工程师对工业温度传感器的期望不断提高，包括更小尺寸、灵活通信和远程配置能力。本文展示如何利用高度集成的AFE来快速重新设计RTD温度传感器，以减小其封装尺寸。此外，还展示IO-Link器件收发器如何使传感器能够不依赖用于连接过程控制器的工业网络接口，而保持独立运行。虽然本文侧重于RTD温度传感器，但这种重新设计的方式也适用于使用热敏电阻或热电偶传感器的温度传感器。

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