工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰(zhàn)和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器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

第 2.1 節(jié): 如何監(jiān)測電路板溫度

第 2.2 節(jié): 高性能處理器模溫監(jiān)測

第 3 章：環(huán)境溫度監(jiān)測

第 3.1 節(jié): 精確測量環(huán)境溫度的布局注意事項

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

第 4 章：體溫監(jiān)測,可穿戴式溫度傳感的設計挑戰(zhàn)（√）

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

第 6 章：閾值檢測 如何避免控制系統(tǒng)遭受熱損壞（√）

第 7 章：溫度補償和校準（√）

第 7.1 節(jié): 使用高精度溫度傳感器進行溫度補償

第 7.2 節(jié): 校準熱監(jiān)測系統(tǒng)的方法

編者的話：

在個人電子產品、工業(yè)或醫(yī)療應用的設計中，工程師必須應對同樣的挑戰(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，他們還必須仔細監(jiān)測溫度以確 保安全并保護系統(tǒng)和消費者免受傷害。

眾多行業(yè)的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器的更多數(shù)據，進一步說明了溫度測量的重要性：不僅要測量系統(tǒng)或環(huán)境條件，還要補償其他溫度敏感元件，從而確保傳感器和系統(tǒng)的精度。另外一個好處在于，有了精確的溫度監(jiān)測，無需再對系統(tǒng)進行過度設計來補償不準確的溫度測量，從而可以提高系統(tǒng)性能并降低成本。

溫度設計挑戰(zhàn)分為三類：

? 溫度監(jiān)測：溫度傳感器提供有價值的數(shù)據來持續(xù)跟 蹤溫度條件，并為控制系統(tǒng)提供反饋。此監(jiān)測可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測或環(huán)境溫度監(jiān)測。在一些應用中，我們 可以看到設計挑戰(zhàn)的特點是需要在控制回路中同時實現(xiàn)這兩種監(jiān)測。這些監(jiān)測包括系統(tǒng)溫度監(jiān)測、環(huán)境 溫度監(jiān)測以及身體或流體溫度監(jiān)測。

? 溫度保護：在多種應用中，一旦系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測到事先定義的條件時提供輸出警報以防止系統(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)經常過早啟動安全熱關斷，結果造成高達 5°C 甚至 10°C 的性能損失。當系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值時，工程師可以自主啟動實時保護措施。

? 溫度補償：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)測和校正其他關鍵組件在發(fā)熱和冷卻時的溫漂可降低系統(tǒng)故障的風險。

本電子書將提供一些 TI 應用簡介，由此說明使用不同溫度傳感技術的各種應用的設計注意事項。書中的章節(jié)首先介紹主要的溫度挑戰(zhàn)，然后重點說明各種應用的設計注意事項，評估溫度精度和應用尺寸之間的權衡，同時討傳感器放置方法。

對于許多計量和工業(yè)過程，有必要直接測量流體的溫度， 或使用溫度數(shù)據進行補償以便更準確地計算流體的容積流量。流體溫度監(jiān)測應用不僅要求傳感器具有較小的尺寸以降低流動阻力，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 級電阻溫度檢測器 (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中替代 RTD

簡介

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

由于熱能的測量需要流速和溫度，因此必須準確測量這兩個參數(shù)。測量不準確可能導致能量輸送測量結果不正確，從而導致不足額或超額計費。

一種稱為電阻溫度檢測器 (RTD) 的無源組件（其電阻隨 溫度而變化）可以避免測量誤差。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。國際電工委員會 (IEC)/歐洲標準 (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 上產生電壓差；該電壓與 RTD 的電阻及其激勵電流成比例。該電壓數(shù)據用于測量來自入口管和出口管的兩個溫度源之間的差值。

熱量計中的流體溫度測量

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

RTD 提供低功率和高精度，這些特性非常理想，因為在大多數(shù)住宅單元中，熱量計都是獨立的電池供電型系統(tǒng)。系統(tǒng)快速從斷電模式喚醒、對 RTD 溫度進行采樣并隨后返回斷電模式的功能可以延長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正確讀取差分測量值。 並需要在設計時仔細考慮系統(tǒng)成本和復雜性。

典型的熱量計使用一對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 有關這些儀表的要求。此規(guī)范的兩個主要方面為：

? 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。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或熱量計算器裝置分開。

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

熱量計數(shù)字溫度傳感器的設計注意事項

高精度數(shù)字溫度傳感器將傳感器和模數(shù)轉換器集成到單個器件中。主微控制器不需要進行額外的溫度轉換處理。 讓我們根據上面列出的行業(yè)標準規(guī)范來評估設計注意事項：

? 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 溫度范圍內支持的精度為 ±0.1°C，在 -55°C 至 +150°C 溫度范圍內的最高精度規(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.傳感器在相同條件下連續(xù)進行溫度測量時重現(xiàn)讀數(shù)的能力稱為可重復性。TMP117 具有 7.8125m°C 的可重復性，因此傳感器本身具有非常一致和可靠的性能。TMP117 還包括一個溫度偏移寄存器，可用于在初始校準期間存儲溫度偏移，然后在經過線性化后添加到溫度結果中。在入口和出口處校準傳感器對是使用熱量計進行流體溫度測量的必要條件。 具有良好的可重復性規(guī)格和偏移寄存器有助于實現(xiàn) 可靠、可重復且最終簡化的設計。

在設計中使用數(shù)字溫度傳感器可消除模擬信號鏈的偏移和增益校準步驟（這是在基于兩線、三線或四線 RTD 的 配置中進行傳統(tǒng)模擬信號測量所必需的操作）。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參數(shù)存儲在 8 字節(jié)電可擦除可編程只讀存儲器 （偏移寄存器）中，因此甚至可以消除文書工作和校準數(shù)據處理工作。此外，在開始時讀出非易失性存儲器內容以及每次測量溫度時對結果應用偏移或任何其他調整也會更節(jié)能。

圖 2 顯示了使用 TMP117 數(shù)字溫度傳感器的熱量計架構。

采用這種架構的四線數(shù)字接口與標準模擬四線 RTD 傳感器之間具有電氣兼容性?；?RTD 的設計還需要一個精度通常優(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)字設計方法也消除了對這種高精度參考電阻器的需求。

表 2 總結了 RTD 傳感器和 TMP117 數(shù)字溫度傳感器的設計注意事項。

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

有關高精度流體溫度傳感的其他資源，請參閱表 3。