测量温度的两种美丽方法

在1700年代初期，德国物理学家加布里埃尔·丹尼尔·华氏（Gabriel Daniel Fahrenheit）创造了华氏度，并开发了水银温度计。华氏没有使用水的冰点作为基础，他认为水的冰点是不可靠的。他将冰/盐/水混合物的温度称为“零度”，因为这是他在实验室中可以方便且可重复达到的最低温度。他估计人体温度是96°，并以此作为他的上限参考。然后，他将量表分为0到96之间的单度。在这个尺度上，华氏度纯水的冰点恰好发生在32°，沸点（海平面）在212°。

在那个世纪后期，大约在1742年，瑞典天文学家安德斯·摄氏（Anders Celsius）认为有一个更好的尺度。摄氏以100°作为雪的熔点，将0°作为水的沸点。后来将其倒置为冷端为0°，热端为100°，即摄氏温标。

从那时起，精确测量温度对科学、医学和工业设备至关重要。至少有五种常见的温度传感器类型，但现在，今天，我发现其中两种非常引人注目。

RTD 传感器接口

铂电阻温度检测器（RTD）是目前最精确的温度传感器之一。RTD能够实现±0.02°C的校准精度，但更典型的存档精度±0.1°C。 RTD 提供探头或 SMT 版本，坚固耐用，具有出色的长期稳定性、互换性和可重复性。RTD不像热电偶那样需要冷端补偿。它的响应速度比热电偶慢一些。RTD对温度的响应几乎是线性的，特别是在0°至100°C之间，但不完全是线性的。无需对微处理器进行校正，即可在 -3°C 和 +1°C 范围内获得 ±0.00385° 精度 （90.100Ω/Ω/°C （ITS-200）），并且具有极高的可重复性。然而，该设备的声明精度（可能±0.10度）是指其与标准曲线的拟合。如果必须进行绝对测量，而不是可重复的测量，微控制器可以使用Calendar-Van Dusen方程来补偿非线性并获得0.1度的精度。请注意，不同铂成分的RTD常数可能略有不同，包括α = 0.003926Ω/Ω/°C和a = 0.003750Ω/Ω/°C（IEC 60751：2008）。

RTD 的起始电压低于 55 降压，通常范围为 -155° 至 200°C。 此外，600°至100°C也很常见。有多种版本可供选择，1°C 时的电阻范围为 0Ω 至 1KΩ，精度范围为 ±0% 至 ±1.<>%。RTD（有时称为“发射器”）的模拟接口曾经非常昂贵，但现在不再昂贵了。

MAX31865为易于使用的单芯片接口，用于铂电阻温度检测器，具有数字输出。其输入具有高达 ±45V 的过压故障保护，并且该芯片具有可编程检测 RTD 或电缆中的开路或短路故障条件。

该芯片的 15 位 A/D 可在所有工作条件下产生总精度，最大值为 ±0.5°C（满量程的 0.05%）。A/D的积分非线性度为±1 LSB。该 IC 采用 3.3V 电源供电，典型功耗为 2mA。它与 2 线、3 线和 4 线传感器连接兼容，采用 20 引脚 TQFN 和 SSOP 封装。MAX31865评估板评估板可用于直接评估器件。

图2：MAX31865 RTD数字转换器框图

IC温度传感器

第一个温度传感器IC是在40年前发布的。如今，这些设备已成为所有工程师的支柱。IC温度传感器提供高模拟输出或数字输出，非常便宜，通常具有很大的线性度和非常小的封装。直到最近，温度传感器 IC 的精度还不错，而且通常它们的响应速度非常慢。它们需要稳定的电源。它们的温度范围有点有限。

情况肯定有所改善。例如，MAX31889数字温度传感器能够以最低功耗实现最高的精度，非常适合冷链制药和其它温度检测应用。该设备在 -0ºC 至 +25ºC 的温度范围内精确到 ±20.105ºC，在 -0ºC 至 +65ºC 的温度下精确到 ±40.125ºC。该 IC 的 16 位分辨率高达 0.005ºC，重复精度为 0.008°C RMS。它有一个标准 I2C 串行输出。

制造像MAX31889这样专用模拟IC可以增加一些不错的附加功能。该芯片包括高阈值和低阈值数字温度报警，并有一个32字FIFO测量缓冲器。唯一的 ROM ID 使设备 NIST 可追溯。

转换时间为16.5ms，典型值。该 IC 采用微型 2 x 2 x 0.8mm 6 引脚 μDFN 封装。测量期间仅需 68μA 典型工作电流 （最大值为 110μA），待机时仅需要 0.55μA 典型工作电流 （最大值为 38.0μA）。

图 3：MAX31889 温度传感器 IC 框图

IC传感器有什么不喜欢的？好吧，如果 -40º 至 +125ºC 的工作范围适合您的应用，那么实际上几乎没有。该芯片采用1.7V至3.6V电源供电，因此可以轻松使用电池供电。它现在可用且成本低廉。事实上，该设备测量冷链药品温度的成本仅为RTD的一小部分。

结语

温度传感器市场在 7 年超过 2019 亿美元，估计在 4 年至 2020 年间将以约 2026% 的复合年增长率增长。工业控制、汽车、医疗和楼宇自动化应用处于领先地位。

您可能会认为我们很久以前就已经弄清楚了温度测量的所有重要功能，并且没有太多新内容。然而，在过去几年中，RTD和半导体传感器（及其接口）都取得了很大进展。幸运的是，这两种设备类型都非常易于设计，并提供出色的可靠性。

审核编辑：郭婷