红外传感器的制造方法
【专利摘要】一种红外传感器包括与环境温度补偿电阻温度检测器(RTD)串联的热电堆以及四个电引线。热电堆根据感兴趣点的温度来产生电压，而RTD的电阻随环境温度而改变。引线中的两个引线传送电流以便对RTD供电。其它两个引线用于感测由热电堆和RTD产生的电压。
【专利说明】红外传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及温度测量器件。具体地，本发明涉及红外传感器。
【背景技术】
[0002] 将例如红外（IR)点传感器（或红外温度计）的红外传感器用于提供表示感兴趣 点的温度的输出。多种红外点传感器利用热电堆（thermopile)和电阻温度检测器（RTD)。 热电堆产生对感兴趣点的温度加以表示的输出电压。用于进行环境温度补偿的RTD需要电 流流经RTD，以便产生基于电阻的电压，并因此基于环境温度。
[0003] 为了最小化总的引线数，红外传感器的热电堆和RTD各自通过两个配线连接，以 便进行两次单独测量。当仅用双引线配线测量电阻式器件（例如，RTD)时，引线电阻通过 直接与总RTD传感器电阻相加，在测量中产生误差。
[0004] 一种用于在双线RTD测量中解决由引线电阻引起的误差的方法在于使用大型（较 高电阻）RTD。例如，由Optris提供的红外热电堆感测头（型号LT15)包含热电堆和PT1000 RTD。PR1000RTD的标定灵敏度约为30ohms/DegC，相较于具有较小RTD(例如，PT100RTD) 的类似双线电路，该灵敏度有助于最小化引线阻抗的效果。然而，由于大型RTD传感器的较 大阻抗，大型RTD传感器将放大被暴露的任何电磁干扰（EMI)电流，并且还需要较低分辨率 以便进行数字化。相较于小型RID设备（例如，PT100RTD)，这样最终导致由PT1000RTD 环境补偿电阻器产生更杂乱的、较不精确的双线测量。
【发明内容】
[0005] -种红外传感器，包括：热电堆，用于根据感兴趣点的温度产生电压；RTD，所述 RTD的电阻随环境温度而变化。RTD和热电堆连接为串联电路。四个电引线连接到所述串 联电路。第一和第二引线连接到RTD;第三引线连接到RTD和热电堆；以及第四引线连接到 热电堆。四个引线允许进行三线或四线电阻式测量，以便对由热电堆产生的电压输出进行 环境温度补偿。
[0006] 红外传感器包括温度传感器和测量电路。温度传感器包括热电堆，具有第一热电 堆端子和第二热电堆端子；以及RTD，具有第一RTD端子和第二RTD端子。第一热电堆端子 与第二RTD端子相连。第一激励电流引线与第一RTD端子相连，并第二激励电流引线与第 二RTD端子相连。第一电压感测引线与第一RTD端子相连，第二电压感测引线与第二热电 堆端子相连。测量电路基于当没有电流流经第一和第二传送引线时在第一和第二感测引线 之间的第一电压，提供温度测量值，并且基于当激励电流流经第一和第二激励电流引线时 在第一电压感测引线和第二电压感测引线或第二激励电流引线之间的第二电压，提供温度 测量值。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1是红外点传感器的实施例的电学框图。
[0008] 图2是红外点传感器的另一实施例的电学框图。
【具体实施方式】
[0009] 图1示出了红外点传感器（或红外温度计）10的实施例，包括IR热传感器12和 变送器14。红外点传感器10允许将四线电阻式测量系统与双线毫伏热电堆输出耦合在一 起，并仅使用四个引线来进行测量。
[0010] 传感器12包括：IR感测热电堆16、环境温度补偿电阻器RTD18(例如，PT100 RTD)以及引线20、22、24和26。弓丨线20和26分别是第一和第二电压感测引线。弓丨线22 和23分别是第一和第二激励电流引线。
[0011] 变送器14包括激励电路30、信号处理器32、数字处理器34和通信接口 36。信号 转换、调节和传输是变送器14的基本功能。
[0012] 接线盒28(Terminalblock)在传感器12和变送器14的电路之间提供互联。在 如图1所示的实施例中，接线盒28包括标记为1-4的四个端子。将传感器12的第一电压 感测引线20与端子1相连。将第二电压感测引线26与端子4相连。将第一和第二激励电 流引线22和24分别与接线盒28的端子2和3相连。
[0013] 激励电路30提供激励电流Iexc，该激励电流Iexc流经RTD18,以便根据传感器12 的环境温度产生环境温度补偿电压
[0014] 信号处理器32从接线盒28的端子1和4接收电压，将端子1和4之间的电压转 换为数字值。将该数字值提供给数字处理器34。
[0015] 在如图1所示的实施例中，信号处理器32提供表示两个单独测量系统的电压值。 信号处理器32 (或备选地，数字处理器34)控制激励电路30的操作，使得：针对第一电压测 量，在断开激励电流Iexc的情况下，测量端子1和4之间的电压；针对第二电压测量，在接通 激励电流Iex。的情况下，测量端子1和4之间的电压。可以交替执行和以任何顺序执行第 一和第二电压测量系统。
[0016]热电堆16根据由热电堆16接收到的红外辐射产生电压Vdet。由于热电堆16是热 传感器，IR传感器12的环境温度会影响Vdet的值。出于这种原因，将环境温度补偿电阻器 18用于产生环境温度补偿信号VOTP。环境温度补偿电阻器18的电阻Rtomp随着传感器12的 环境温度而改变。补偿信号Votp =IEX。?RroMP。
[0017] 根据如图1所示的引线20、22、24和26的排列，感测接线盒28的端子1和4之间 的电压。对于第一电压测量，激励电路30断开，因此，没有电流流经补偿电阻器18。由于 没有电流流经电阻器18,补偿电阻器18两端的电压降为零。端子1和4之间的第一电压 V1等于通过热电堆16产生的电压，S卩，V1 =Vdet。信号处理器32将第一电压V1转换为数字 值，并向数字处理器34提供该数字值。
[0018] 在接通激励电路30的情况下，通过信号处理器32进行第二电压测量。在第二测 量期间，端子1和4之间的第二电压V2等于热电堆电压加上环境温度补偿电压，S卩，V2 = 同样将第二电压V2转换为数字值，并提供给数字处理器34。
[0019] 数字处理器34根据环境温度执行对热电堆电压Vdet的补偿，以便产生对由IR传 感器12监测的感兴趣点的环境补偿温度测量值。数字处理器34通过从表示电压V2的值减 去表不电压V1的值，来获得表不环境温度的值。因此，数字处理器34具有表不Vdet和Votp 的值。根据这些值，数字处理器34得到补偿后的温度测量值，补偿后的温度测量值代表由 传感器12监测的点的温度。
[0020] 数字处理器34向通信接口 36提供补偿后的温度测量值，通信接口 36向监测或 控制系统（未示出）传送该值。通过通信接口 36的通信可以为以下形式：在4至20mA之 间变化的模拟电流级、HART?通信协议（其中将数字信息调制到4-20mA电流上）、在 数字总线（例如，现场总线）上的通信协议（IEC61158)、或者利用无线协议（例如诸如 Wireless丨丨ART⑧（IEC62951))在无线网络上的无线通信。
[0021] 根据如图1所示的测量配置，可以使用四线配置来测量来自热电堆16和RTD环境 温度补偿电阻器18的电阻的毫伏信号，四线配置类似于在温度变送器（例如，具有集成EMF 补偿的Rosemount3144P温度变送器）中使用的四线配置。这样允许传感器12针对能够 提供更可靠测量值的环境温度补偿，实现小得多的RTD(即，PT100)。
[0022] 图2示出了IR点传感器10A，除了将信号处理器32还与接线盒28的端子3相连 之外，类似于图1的IR点传感器10。在该实施例中，通过信号处理器32将Votp测量为三 线测量值，而不是四线测量。当断开激励电路30时，信号处理器32测量端子1和4之间的 电压V1。由于在断开激励电路的情况下没有电流流经补偿电阻器18,所以V1 =Vdet。当接 通激励电路30时，信号处理器32测量端子1和3之间的电压V2。当激励电流Iex。流经RTD 18时端子1和3之间的电压等于Votp加上由于电流Iexc流经引线24的引线电阻R24而产 生的电压降，即，V2 =VCQMP+IEXC ?R24。
[0023] 尽管三线测量系统包括引线误差，然而相较于RTD 18的双线测量系统产生的误 差，三线测量系统产生较小误差。三线测量系统提供补偿值，而无需从一个电压测量值减去 另一电压测量值。
[0024] 尽管参考示例实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应理解，可以进行多种 改变并且可以用等同物替换元件，而不脱离本发明的范围。此外，可以进行多种修改，以便 使特定情况或材料适用于本发明的教义，而不脱离本发明的基本范围。因此，应注意本发明 不限于所公开的特定实施例，本发明应包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。
【权利要求】
1. 一种红外传感器，包括： 热电堆，用于根据感兴趣点的温度来产生电压； 电阻式温度检测器RTD，所述电阻式温度检测器RTD的电阻随环境温度而变化，所述RTD与所述热电堆串联； 第一和第二引线，与所述RTD相连； 第三引线，与所述RTD和所述热电堆相连；以及 第四引线，与所述热电堆相连。
2. 根据权利要求1所述的红外传感器，其中所述第一和第二引线与第一RTD端子相连， 所述第三引线与第二RTD端子和第一热电堆端子相连，所述第四引线与第二热电堆端子相 连。
3. 根据权利要求2所述的红外传感器，还包括： 测量电路，与所述第一、第二、第三和第四引线相连，以便当没有激励电流流经所述RTD时测量第一电压，当激励电流流经所述RTD时测量第二电压。
4. 根据权利要求3所述的红外传感器，其中所述测量电路基于所述第一电压和第二电 压产生补偿后的温度测量值。
5. 根据权利要求4所述的红外传感器，其中所述第一电压是当没有激励电流流经所述 RTD时第一和第四引线之间的电压。
6. 根据权利要求5所述的红外传感器，其中所述第二电压是当激励电流流经所述RTD 时第一和第四引线之间的电压。
7. 根据权利要求5所述的红外传感器，其中所述第二电压是当激励电流流经所述RTD 时第一和第三引线之间的电压。
8. 根据权利要求4所述的红外传感器，其中所述测量电路包括： 激励电路，与所述第一和第三引线相连，用于当测量第二电压时提供激励电流； 信号处理电路，用于产生基于所述第一电压的第一电压值和基于所述第二电压的第二 电压值；以及 数字处理器，用于基于所述第一电压值和第二电压值产生补偿后的温度测量值。
9. 根据权利要求8所述的红外传感器，其中通过信号处理电路和数字处理器之一来控 制所述激励电路。
10. 根据权利要求8所述的红外传感器，其中所述测量电路包括具有第一、第二、第三 和第四端子的接线盒，其中第一、第二、第三和第四引线分别与所述第一、第二、第三和第四 端子相连；其中激励电路与所述第二和第三端子相连，并且信号处理电路与所述第一和第 四端子相连。
11. 根据权利要求10所述的红外传感器，其中所述信号处理电路还与所述第三端子相 连。
12. -种红外传感器，包括： 电阻式温度检测器RTD，具有第一RTD端子和第二RTD端子； 热电堆，具有第一热电堆端子和第二热电堆端子，所述第一热电堆端子与所述第二RTD端子相连； 第一激励电流引线，与所述第一RTD端子相连； 第二激励电流引线，与所述第二RTD端子相连； 第一电压感测引线，与所述第一RTD端子相连； 第二电压感测引线，与所述第二热电堆端子相连；以及 测量电路，用于基于当没有激励电流流经第一和第二激励电流引线时在第一和第二电 压感测引线之间的第一电压，提供温度测量值，并且基于当激励电流流经第一和第二激励 电流引线时第一电压感测引线和第二电压感测引线或第二激励电流引线之间的第二电压， 提供温度测量值。
13. 根据权利要求12所述的红外传感器，其中所述测量电路基于所述第一电压和所述 第二电压，产生补偿后的温度测量值。
14. 根据权利要求13所述的红外传感器，其中所述第一电压是当没有激励电流流经所 述RTD时第一和第二电压感测引线之间的电压。
15. 根据权利要求14所述的红外传感器，其中所述第二电压是当激励电流流经所述 RTD时第一和第二电压感测引线之间的电压。
16. 根据权利要求14所述的红外传感器，其中所述第二电压是当激励电流流经所述 RTD时第一电压感测引线和第二激励电流引线之间的电压。
17. 根据权利要求13所述的红外传感器，其中所述测量电路包括： 激励电路，与所述第一和第二激励电流引线相连，用于当测量第二电压时提供激励电 流； 信号处理电路，用于产生基于所述第一电压的第一电压值和基于所述第二电压的第二 电压值；以及 数字处理器，用于基于所述第一电压值和第二电压值产生补偿后的温度测量值。
18. 根据权利要求17所述的红外传感器，其中通过信号处理电路和数字处理器之一来 控制所述激励电路。
19. 根据权利要求17所述的红外传感器，其中所述测量电路包括具有第一、第二、第三 和第四端子的接线盒，其中第一和第二电压感测引线分别与所述第一和第四端子相连；第 一和第二激励电流引线分别与所述第二和第三端子相连；激励电路与所述第二和第三端子 相连，并且信号处理电路与所述第一和第四端子相连。
20. 根据权利要求19所述的红外传感器，其中所述信号处理电路还与所述第三端子相 连。
【文档编号】G01J5/16GK104515600SQ201410460984
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】杰森·哈洛德·鲁德 申请人:罗斯蒙特公司