LM1042液位检测器的原理与应用设计

作者：西安电子科技大学 张颖光 李斌涛

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 摘要：集成芯片LM1042是用于液位检测的专用集成电路，它内部集成了所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路，具有很强的功能。本文介绍了LM1042的原理、特点、性能参数，并重点介绍了其应用。 1. 概述 LM1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体的液面高度，它能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或重复测量，所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路都集成在LM1042芯片内部。此外该芯片还可采用其它传感器信号或线性输入作为输入信号。 该器件采用16脚DIP封装。芯片的主要特点如下： ·可以选择热阻或线性信号作为输入； ·集成有热阻探针的控制电路； ·可单次测量或重复测量； ·在复位时切换，延时功能可避免瞬态信号的影响； ·具有探针短路、开路检测功能； ·电源或控制输入端具有50V的瞬态电压保护电路； ·电源范围7.5～18V； ·内部有电源调节器； ·可在－40℃～＋80℃的工作温度范围内工作。 LM1042的主要电气性能参数见表1所列。 2. LM1042的引脚功能 液位检测芯片LM1042的原理框图如图1所示。各引脚功能描述如下： 1脚：热阻探针输入，内接放大器，在探针开始测量时被箝位到低电平； 2脚：器件接地端； 3脚：该端连接到外部PNP晶体管的发射极，为热阻探针提供200mA的固定电流，芯片内部的参考源使该端的电压维持在比电源端低2V的电平上。 4脚：该端连接到外部PNP晶体管的基极上； 5脚：该端接热阻探针以便对之进行开路和路检测； 6脚：电源端＋Vs，电压范围7.5～18V，可承受50V的瞬时电压； 7脚：第二热阻探针输入或其他线性信号输入，输入电压范围为1～5V，探针增益可通过10脚进行调整； 8脚：探针选择与控制端。如果该端加逻辑低电平，探针1被选中并启动定时周期，随后低电平被锁定，直到测量结束。在该端为低电平时，根据9脚的状态，探针1进行一次测量或重复测量；如果在探针1的测量周期外该端输入为逻辑高电平，则选中探针2进行测量； 9脚：重复振荡器的定时电容器在该脚与地之间连接。当探针1的测量周期被启动时，2μA的电流对定时电容充电，直到电压值为4.3V。如果该端接地，重复振荡器被禁止。在8脚为低电平时，只允许探针1进行一次测量； 10脚：可在该端与地之间接一电阻以改变探针2的输入放大器增益。此放大器的增益在该端开时为1.2，在该端对地短路时为3.4。可通过电阻分压网络把直流偏置调整为VREG或地电平； 11脚：电压调整输出，应将该端连接到15脚以构成完整的电压调整控制环路。使15脚电压保持恒定6V； 12脚：在该端与地之间连接一电容，用以设定探针1测量的定时周期； 13脚：在该端与地之间连接一电阻以设定12脚的充电电流，电阻值应介于3kΩ到15kΩ之间，典型值为12kΩ； 14脚：在该端与探针电压端11脚之间连接一具有低漏电流的电容，作为探针1测量时的记忆电容器，该电容的典型值为0.1μF(不大于0.47μF)。对于长记忆保持时间，该端的内部泄漏电流最大为2nA； 15脚：此端为内部电压探针器的反馈输入，通常连接到11脚。可在该端串接一电阻以调节调整电压输出值； 16脚：探针1和探针2的线性电压输出端，能够提供±10mA的启动电流。该端可通过一600Ω的测量仪表连接到VREG端。 3. 应用设计中的几个问题 3.1 关于热阻探针 热阻探针工作的基本原理是基于功率在探针上耗散，探针温度的变化依赖于周围材料的热阻的大小，由于空气和其它气体相对于水和油来说是热的不良导体，利用这一点有可能测量探针等浸入液体媒介的深度。其原理如图2所示。 在测量周期中，一固定的驱动电流I施加到探针上，在测量的起始时刻和结束时刻探针两端的电压被采样，得到电压差ΔV0由于空气的热阻RTHA大于油的热阻RTHO，由它们引起的温度变化分别为ΔT1和ΔT2，相应的探针电阻也会随着改变为ΔR1和ΔR2差值，在每单位长度上产生相应的电压变化ΔV1和ΔV2。电压差ΔV由下式给出： ΔV=LAΔV1/L＋(L－LA)ΔV1/L 由于ΔV1>ΔV2，RTHA>RTHO，ΔV会随着探针在空气中长度的增加而增大。在实际应用中，为获得最佳效果，探针需要具有高的温度系数和低的热阻时间常数，为避免误触发探针短路开路检测器，探针电压必须介于0.7V和5.3V之间，对于200mA的电流容许的探针阻值范围是3.5Ω到24Ω。 3.2 电路工作过程 a 热阻探针 探针工作时，需要测量未耗功率前和消耗功率以后的探针的电阻值。在如图1所示的连接方式中，8脚为低电平时(V8<0.5V)会启动一次测量过程，内部的时基斜波发生器开始工作并产生一锯齿波，探针驱动电路被打开，通过外接的PNP晶体管为探针提供200mA的电流。在该锯齿波电压上升到1V时，管脚1的箝位被取消，电容C1存取了这时刻对应的探针电压，由于Ct已被充电，锯齿波的上升斜率变小，在电容Ct的电压超过门限4.1V时，内部的陷流电流源开始工作，电容Ct开始放电。当电容电压在1.3V和1V之间时(对应的时刻分别为T3和T4)，经放大的管脚1的电压代表着自T2时刻起探针电压的变化(由于电流为恒定值，这一电压变化值又对应着探针热阻的变化)，该值被送到14脚的记忆电容器Cm，在Ct电压为0.7V(对应T5时刻)时，探针电流被关断，测量周期结束。在探针错误被检测到时，记忆电容器被送到探针电源上。器件14脚的最大泄漏电流为2nA，以便获得长的记忆保持时间。14脚上的电压被放大以驱动16脚。只有通过把8脚置为逻辑低电平或通过重复振荡器才能启动新的一次测量。上述过程如图3所示。 b 重复测量 把一个电容连接在9脚与地之间，就可以启动重复振荡器产生重复的多个锯齿波进行多次测量。如果8脚为低电平，每次9脚电平达到门限电压4.3V时，热阻探针的测量都会被启动。重复振荡器的工作不受8脚控制电压的控制。 3.3 第二探针输入 LM1042的7脚为高输入阻抗端，可接一备用传感器。当该输入端被8脚的高电平选中时，施加在该端的电压被放大，在16脚输出。 4. 典型应用电路 图4所示为LM1042在汽车中的应用电路。探针选择信号来自于油压开关。在汽车启动(点火)时，油压开关闭合，由于R4的作用，8脚电平变低，探针1( 油液位 )的测量开始。一旦引擎启动后，油压开关打开，D1使8脚成为高电平，切换到第二探针2。在引擎失速时，由于电容C5的作用，8脚保持为高电平，防止探针1进行测量，在其它应用中可用一逻辑控制信号直接驱动8脚。(end)

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