測量溫度的兩種美麗方法

在1700年代初期，德國物理學家加布里埃爾·丹尼爾·華氏（Gabriel Daniel Fahrenheit）創造了華氏度，并開發了水銀溫度計。華氏沒有使用水的冰點作為基礎，他認為水的冰點是不可靠的。他將冰/鹽/水混合物的溫度稱為“零度”，因為這是他在實驗室中可以方便且可重復達到的最低溫度。他估計人體溫度是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。在這個尺度上，華氏度純水的冰點恰好發生在32°，沸點（海平面）在212°。

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

從那時起，精確測量溫度對科學、醫學和工業設備至關重要。至少有五種常見的溫度傳感器類型，但現在，今天，我發現其中兩種非常引人注目。

RTD 傳感器接口

鉑電阻溫度檢測器（RTD）是目前最精確的溫度傳感器之一。RTD能夠實現±0.02°C的校準精度，但更典型的存檔精度±0.1°C。 RTD 提供探頭或 SMT 版本，堅固耐用，具有出色的長期穩定性、互換性和可重復性。RTD不像熱電偶那樣需要冷端補償。它的響應速度比熱電偶慢一些。RTD對溫度的響應幾乎是線性的，特別是在0°至100°C之間，但不完全是線性的。無需對微處理器進行校正，即可在 -3°C 和 +1°C 范圍內獲得 ±0.00385° 精度 （90.100Ω/Ω/°C （ITS-200）），并且具有極高的可重復性。然而，該設備的聲明精度（可能±0.10度）是指其與標準曲線的擬合。如果必須進行絕對測量，而不是可重復的測量，微控制器可以使用Calendar-Van Dusen方程來補償非線性并獲得0.1度的精度。請注意，不同鉑成分的RTD常數可能略有不同，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 時的電阻范圍為 0Ω 至 1KΩ，精度范圍為 ±0% 至 ±1.<>%。RTD（有時稱為“發射器”）的模擬接口曾經非常昂貴，但現在不再昂貴了。

MAX31865為易于使用的單芯片接口，用于鉑電阻溫度檢測器，具有數字輸出。其輸入具有高達 ±45V 的過壓故障保護，并且該芯片具有可編程檢測 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評估板評估板可用于直接評估器件。

圖2：MAX31865 RTD數字轉換器框圖

IC溫度傳感器

第一個溫度傳感器IC是在40年前發布的。如今，這些設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，而且通常它們的響應速度非常慢。它們需要穩定的電源。它們的溫度范圍有點有限。

情況肯定有所改善。例如，MAX31889數字溫度傳感器能夠以最低功耗實現最高的精度，非常適合冷鏈制藥和其它溫度檢測應用。該設備在 -0oC 至 +25oC 的溫度范圍內精確到 ±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 0.005oC，重復精度為 0.008°C RMS。它有一個標準 I2C 串行輸出。

制造像MAX31889這樣專用模擬IC可以增加一些不錯的附加功能。該芯片包括高閾值和低閾值數字溫度報警，并有一個32字FIFO測量緩沖器。唯一的 ROM ID 使設備 NIST 可追溯。

轉換時間為16.5ms，典型值。該 IC 采用微型 2 x 2 x 0.8mm 6 引腳 μDFN 封裝。測量期間僅需 68μA 典型工作電流 （最大值為 110μA），待機時僅需要 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用，那么實際上幾乎沒有。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。它現在可用且成本低廉。事實上，該設備測量冷鏈藥品溫度的成本僅為RTD的一小部分。

結語

溫度傳感器市場在 7 年超過 2019 億美元，估計在 4 年至 2020 年間將以約 2026% 的復合年增長率增長。工業控制、汽車、醫療和樓宇自動化應用處于領先地位。

您可能會認為我們很久以前就已經弄清楚了溫度測量的所有重要功能，并且沒有太多新內容。然而，在過去幾年中，RTD和半導體傳感器（及其接口）都取得了很大進展。幸運的是，這兩種設備類型都非常易于設計，并提供出色的可靠性。

審核編輯：郭婷