測(cè)量溫度的兩種美麗方法

在1700年代初期，德國(guó)物理學(xué)家加布里埃爾·丹尼爾·華氏（Gabriel Daniel Fahrenheit）創(chuàng)造了華氏度，并開發(fā)了水銀溫度計(jì)。華氏沒有使用水的冰點(diǎn)作為基礎(chǔ)，他認(rèn)為水的冰點(diǎn)是不可靠的。他將冰/鹽/水混合物的溫度稱為“零度”，因?yàn)檫@是他在實(shí)驗(yàn)室中可以方便且可重復(fù)達(dá)到的最低溫度。他估計(jì)人體溫度是96°，并以此作為他的上限參考。然后，他將量表分為0到96之間的單度。在這個(gè)尺度上，華氏度純水的冰點(diǎn)恰好發(fā)生在32°，沸點(diǎn)（海平面）在212°。

在那個(gè)世紀(jì)后期，大約在1742年，瑞典天文學(xué)家安德斯·攝氏（Anders Celsius）認(rèn)為有一個(gè)更好的尺度。攝氏以100°作為雪的熔點(diǎn)，將0°作為水的沸點(diǎn)。后來(lái)將其倒置為冷端為0°，熱端為100°，即攝氏溫標(biāo)。

從那時(shí)起，精確測(cè)量溫度對(duì)科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)設(shè)備至關(guān)重要。至少有五種常見的溫度傳感器類型，但現(xiàn)在，今天，我發(fā)現(xiàn)其中兩種非常引人注目。

RTD 傳感器接口

鉑電阻溫度檢測(cè)器（RTD）是目前最精確的溫度傳感器之一。RTD能夠?qū)崿F(xiàn)±0.02°C的校準(zhǔn)精度，但更典型的存檔精度±0.1°C。 RTD 提供探頭或 SMT 版本，堅(jiān)固耐用，具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、互換性和可重復(fù)性。RTD不像熱電偶那樣需要冷端補(bǔ)償。它的響應(yīng)速度比熱電偶慢一些。RTD對(duì)溫度的響應(yīng)幾乎是線性的，特別是在0°至100°C之間，但不完全是線性的。無(wú)需對(duì)微處理器進(jìn)行校正，即可在 -3°C 和 +1°C 范圍內(nèi)獲得 ±0.00385° 精度 （90.100Ω/Ω/°C （ITS-200）），并且具有極高的可重復(fù)性。然而，該設(shè)備的聲明精度（可能±0.10度）是指其與標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合。如果必須進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，而不是可重復(fù)的測(cè)量，微控制器可以使用Calendar-Van Dusen方程來(lái)補(bǔ)償非線性并獲得0.1度的精度。請(qǐng)注意，不同鉑成分的RTD常數(shù)可能略有不同，包括α = 0.003926Ω/Ω/°C和a = 0.003750Ω/Ω/°C（IEC 60751：2008）。

RTD 的起始電壓低于 55 降壓，通常范圍為 -155° 至 200°C。 此外，600°至100°C也很常見。有多種版本可供選擇，1°C 時(shí)的電阻范圍為 0Ω 至 1KΩ，精度范圍為 ±0% 至 ±1.<>%。RTD（有時(shí)稱為“發(fā)射器”）的模擬接口曾經(jīng)非常昂貴，但現(xiàn)在不再昂貴了。

MAX31865為易于使用的單芯片接口，用于鉑電阻溫度檢測(cè)器，具有數(shù)字輸出。其輸入具有高達(dá) ±45V 的過(guò)壓故障保護(hù)，并且該芯片具有可編程檢測(cè) RTD 或電纜中的開路或短路故障條件。

該芯片的 15 位 A/D 可在所有工作條件下產(chǎn)生總精度，最大值為 ±0.5°C（滿量程的 0.05%）。A/D的積分非線性度為±1 LSB。該 IC 采用 3.3V 電源供電，典型功耗為 2mA。它與 2 線、3 線和 4 線傳感器連接兼容，采用 20 引腳 TQFN 和 SSOP 封裝。MAX31865評(píng)估板評(píng)估板可用于直接評(píng)估器件。

圖2：MAX31865 RTD數(shù)字轉(zhuǎn)換器框圖

IC溫度傳感器

第一個(gè)溫度傳感器IC是在40年前發(fā)布的。如今，這些設(shè)備已成為所有工程師的支柱。IC溫度傳感器提供高模擬輸出或數(shù)字輸出，非常便宜，通常具有很大的線性度和非常小的封裝。直到最近，溫度傳感器 IC 的精度還不錯(cuò)，而且通常它們的響應(yīng)速度非常慢。它們需要穩(wěn)定的電源。它們的溫度范圍有點(diǎn)有限。

情況肯定有所改善。例如，MAX31889數(shù)字溫度傳感器能夠以最低功耗實(shí)現(xiàn)最高的精度，非常適合冷鏈制藥和其它溫度檢測(cè)應(yīng)用。該設(shè)備在 -0oC 至 +25oC 的溫度范圍內(nèi)精確到 ±20.105oC，在 -0oC 至 +65oC 的溫度下精確到 ±40.125oC。該 IC 的 16 位分辨率高達(dá) 0.005oC，重復(fù)精度為 0.008°C RMS。它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) I2C 串行輸出。

制造像MAX31889這樣專用模擬IC可以增加一些不錯(cuò)的附加功能。該芯片包括高閾值和低閾值數(shù)字溫度報(bào)警，并有一個(gè)32字FIFO測(cè)量緩沖器。唯一的 ROM ID 使設(shè)備 NIST 可追溯。

轉(zhuǎn)換時(shí)間為16.5ms，典型值。該 IC 采用微型 2 x 2 x 0.8mm 6 引腳 μDFN 封裝。測(cè)量期間僅需 68μA 典型工作電流 （最大值為 110μA），待機(jī)時(shí)僅需要 0.55μA 典型工作電流 （最大值為 38.0μA）。

圖 3：MAX31889 溫度傳感器 IC 框圖

IC傳感器有什么不喜歡的？好吧，如果 -40o 至 +125oC 的工作范圍適合您的應(yīng)用，那么實(shí)際上幾乎沒有。該芯片采用1.7V至3.6V電源供電，因此可以輕松使用電池供電。它現(xiàn)在可用且成本低廉。事實(shí)上，該設(shè)備測(cè)量冷鏈藥品溫度的成本僅為RTD的一小部分。

結(jié)語(yǔ)

溫度傳感器市場(chǎng)在 7 年超過(guò) 2019 億美元，估計(jì)在 4 年至 2020 年間將以約 2026% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。工業(yè)控制、汽車、醫(yī)療和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用處于領(lǐng)先地位。

您可能會(huì)認(rèn)為我們很久以前就已經(jīng)弄清楚了溫度測(cè)量的所有重要功能，并且沒有太多新內(nèi)容。然而，在過(guò)去幾年中，RTD和半導(dǎo)體傳感器（及其接口）都取得了很大進(jìn)展。幸運(yùn)的是，這兩種設(shè)備類型都非常易于設(shè)計(jì)，并提供出色的可靠性。

審核編輯：郭婷