工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠(yuǎn)程傳感器IC③

目錄

第 1 章：溫度傳感基本原理

第 2 章：系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)

第 2.1 節(jié): 如何監(jiān)測(cè)電路板溫度

第 2.2 節(jié): 高性能處理器模溫監(jiān)測(cè)

第 3 章：環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)

第 3.1 節(jié): 精確測(cè)量環(huán)境溫度的布局注意事項(xiàng)

第 3.2 節(jié): 通過可擴(kuò)展的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高效的冷鏈管理

第 4 章：體溫監(jiān)測(cè),可穿戴式溫度傳感的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)（√）

第 5 章：流體溫度監(jiān)測(cè) 使用數(shù)字溫度傳感器在熱量計(jì)中替代 RTD（√）

第 6 章：閾值檢測(cè) 如何避免控制系統(tǒng)遭受熱損壞（√）

第 7 章：溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)（√）

第 7.1 節(jié): 使用高精度溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償

第 7.2 節(jié): 校準(zhǔn)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法

編者的話：

在個(gè)人電子產(chǎn)品、工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，工程師必須應(yīng)對(duì)同樣的挑戰(zhàn)，即如何提升性能、增加功能并縮小尺寸。除了這些考慮因素外，他們還必須仔細(xì)監(jiān)測(cè)溫度以確 保安全并保護(hù)系統(tǒng)和消費(fèi)者免受傷害。

眾多行業(yè)的另一個(gè)共同趨勢(shì)是需要處理來自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明了溫度測(cè)量的重要性：不僅要測(cè)量系統(tǒng)或環(huán)境條件，還要補(bǔ)償其他溫度敏感元件，從而確保傳感器和系統(tǒng)的精度。另外一個(gè)好處在于，有了精確的溫度監(jiān)測(cè)，無(wú)需再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過度設(shè)計(jì)來補(bǔ)償不準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，從而可以提高系統(tǒng)性能并降低成本。

溫度設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分為三類：

? 溫度監(jiān)測(cè)：溫度傳感器提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)來持續(xù)跟 蹤溫度條件，并為控制系統(tǒng)提供反饋。此監(jiān)測(cè)可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)或環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。在一些應(yīng)用中，我們 可以看到設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的特點(diǎn)是需要在控制回路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種監(jiān)測(cè)。這些監(jiān)測(cè)包括系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)、環(huán)境 溫度監(jiān)測(cè)以及身體或流體溫度監(jiān)測(cè)。

? 溫度保護(hù)：在多種應(yīng)用中，一旦系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測(cè)到事先定義的條件時(shí)提供輸出警報(bào)以防止系統(tǒng)損壞。在不影響系統(tǒng)可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統(tǒng)經(jīng)常過早啟動(dòng)安全熱關(guān)斷，結(jié)果造成高達(dá) 5°C 甚至 10°C 的性能損失。當(dāng)系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值時(shí)，工程師可以自主啟動(dòng)實(shí)時(shí)保護(hù)措施。

? 溫度補(bǔ)償：溫度傳感器可以在正常工作期間隨溫度變化最大限度提高系統(tǒng)性能。監(jiān)測(cè)和校正其他關(guān)鍵組件在發(fā)熱和冷卻時(shí)的溫漂可降低系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

本電子書將提供一些 TI 應(yīng)用簡(jiǎn)介，由此說明使用不同溫度傳感技術(shù)的各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。書中的章節(jié)首先介紹主要的溫度挑戰(zhàn)，然后重點(diǎn)說明各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，評(píng)估溫度精度和應(yīng)用尺寸之間的權(quán)衡，同時(shí)討傳感器放置方法。

對(duì)于許多計(jì)量和工業(yè)過程，有必要直接測(cè)量流體的溫度， 或使用溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償以便更準(zhǔn)確地計(jì)算流體的容積流量。流體溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用不僅要求傳感器具有較小的尺寸以降低流動(dòng)阻力，在液體易燃的情況下還要求具有較低的功耗。TI 的低功耗模擬和數(shù)字解決方案具有與 AA 級(jí)電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 媲美的精度，功耗僅為 6.3μW。

使用數(shù)字溫度傳感器在熱量計(jì)中替代 RTD

簡(jiǎn)介

熱量計(jì)是通過測(cè)量系統(tǒng)的入口管和出口管之間的流速和溫度變化來測(cè)量熱能的裝置。這些裝置通常在工廠中用于鍋爐輸出測(cè)量，以及在住宅供暖和制冷系統(tǒng)中用于熱量輸送測(cè)量。

由于熱能的測(cè)量需要流速和溫度，因此必須準(zhǔn)確測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)。測(cè)量不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致能量輸送測(cè)量結(jié)果不正確，從而導(dǎo)致不足額或超額計(jì)費(fèi)。

一種稱為電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 的無(wú)源組件（其電阻隨 溫度而變化）可以避免測(cè)量誤差。RTD 使用鉑、銅或鎳等 金屬制成，支持寬溫度范圍（約 -200°C 至 +850°C）。

如表 1 所示，RTD 的精度由其類別定義。國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)/歐洲標(biāo)準(zhǔn) (EN) 60751 定義了四種 RTD 類 別：C、B、A 和 AA，其中 C 類的精度最低，AA 類的精度最高。較低精度的類別將具有更大的溫度范圍。例如，C 類薄膜 RTD 覆蓋的溫度范圍為 -50°C 至 +600°C，而 AA 類 薄膜 RTD 覆蓋的溫度范圍為 0°C 至 +150°C。

施加電流源將在 RTD 上產(chǎn)生電壓差；該電壓與 RTD 的電阻及其激勵(lì)電流成比例。該電壓數(shù)據(jù)用于測(cè)量來自入口管和出口管的兩個(gè)溫度源之間的差值。

熱量計(jì)中的流體溫度測(cè)量

固態(tài)熱量計(jì)在計(jì)算住宅和工業(yè)用戶的熱能計(jì)費(fèi)方面越來越流行。這些儀表在入口管或出口管上進(jìn)行流量測(cè)量，并在入口管和出口管上都有一對(duì)匹配的 RTD 探頭。圖 1 顯 示了使用 RTD 的熱量計(jì)系統(tǒng)的框圖。

RTD 提供低功率和高精度，這些特性非常理想，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)住宅單元中，熱量計(jì)都是獨(dú)立的電池供電型系統(tǒng)。系統(tǒng)快速?gòu)臄嚯娔Ｊ絾拘?、?duì) RTD 溫度進(jìn)行采樣并隨后返回?cái)嚯娔Ｊ降墓δ芸梢匝娱L(zhǎng)電池壽命并最大限度降低能耗。

但是，這些系統(tǒng)要求匹配良好的RTD正確讀取差分測(cè)量值。 並需要在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

典型的熱量計(jì)使用一對(duì)連接到高精度模擬前端的 PT100 、PT500 或 PT1000 傳感器。歐洲 EN 1434 等規(guī)范定義了 有關(guān)這些儀表的要求。此規(guī)范的兩個(gè)主要方面為：

? 傳感器精度和類型。EN 60751 中的第 5.4 章建議使用精度高于 B 類或等于 A 類或 AA 類且采用三線或四線配置的工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)。EN 1434-2 指出可以使用其他類型的溫度傳感器，但如果這樣做，則不能將它們與熱量計(jì)或熱量計(jì)算器裝置分開。

? 校準(zhǔn).EN 1434-2 的第 4.1 章規(guī)定，所有溫度傳感器對(duì)都必須在內(nèi)置于熱量計(jì)之前進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)和配對(duì)。或者，應(yīng)將傳感器牢固地安裝在熱量計(jì)的印刷電路板 上，然后進(jìn)行校準(zhǔn)，從而最大限度減少兩個(gè) PT 傳感器之間的溫度偏移。

熱量計(jì)數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

高精度數(shù)字溫度傳感器將傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成到單個(gè)器件中。主微控制器不需要進(jìn)行額外的溫度轉(zhuǎn)換處理。 讓我們根據(jù)上面列出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來評(píng)估設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

? 傳感器精度和類型。諸如 TMP117 之類的數(shù)字溫度傳感器在 -20°C 至 +50°C 溫度范圍內(nèi)支持的精度為 ±0.1°C，在 -55°C 至 +150°C 溫度范圍內(nèi)的最高精度規(guī)格為 ±0.3°C。這些規(guī)格超出了相同范圍內(nèi)的 AA 類 RTD 精度，符合 EN 60751 和 EN 1434-2 規(guī)范在精 度和傳感器類型方面的要求。

? 校準(zhǔn).傳感器在相同條件下連續(xù)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)重現(xiàn)讀數(shù)的能力稱為可重復(fù)性。TMP117 具有 7.8125m°C 的可重復(fù)性，因此傳感器本身具有非常一致和可靠的性能。TMP117 還包括一個(gè)溫度偏移寄存器，可用于在初始校準(zhǔn)期間存儲(chǔ)溫度偏移，然后在經(jīng)過線性化后添加到溫度結(jié)果中。在入口和出口處校準(zhǔn)傳感器對(duì)是使用熱量計(jì)進(jìn)行流體溫度測(cè)量的必要條件。 具有良好的可重復(fù)性規(guī)格和偏移寄存器有助于實(shí)現(xiàn) 可靠、可重復(fù)且最終簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)中使用數(shù)字溫度傳感器可消除模擬信號(hào)鏈的偏移和增益校準(zhǔn)步驟（這是在基于兩線、三線或四線 RTD 的 配置中進(jìn)行傳統(tǒng)模擬信號(hào)測(cè)量所必需的操作）。與傳統(tǒng)的模擬 RTD 傳感器相比，數(shù)字溫度傳感器可以將用戶定義的校準(zhǔn)參數(shù)存儲(chǔ)在 8 字節(jié)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 （偏移寄存器）中，因此甚至可以消除文書工作和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理工作。此外，在開始時(shí)讀出非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)容以及每次測(cè)量溫度時(shí)對(duì)結(jié)果應(yīng)用偏移或任何其他調(diào)整也會(huì)更節(jié)能。

圖 2 顯示了使用 TMP117 數(shù)字溫度傳感器的熱量計(jì)架構(gòu)。

采用這種架構(gòu)的四線數(shù)字接口與標(biāo)準(zhǔn)模擬四線 RTD 傳感器之間具有電氣兼容性?；?RTD 的設(shè)計(jì)還需要一個(gè)精度通常優(yōu)于 0.1% 和 ±25ppm/°C 的高精度參考電阻器以及匹配的電阻-電容濾波器。采用集成數(shù)字設(shè)計(jì)方法也消除了對(duì)這種高精度參考電阻器的需求。

表 2 總結(jié)了 RTD 傳感器和 TMP117 數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

總體而言，高精度的 TMP117 溫度傳感器消除了多個(gè)窄容差分立式組件和集成器件，可在熱量計(jì)中節(jié)省 PCB 空間、降低復(fù)雜性并減少成本。

有關(guān)高精度流體溫度傳感的其他資源，請(qǐng)參閱表 3。