溫度的測(cè)量

從事電子測(cè)量儀器的研發(fā)離不開溫度的測(cè)量。物體的溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。工程上經(jīng)常需要測(cè)量介質(zhì)的溫度，生活中需要測(cè)量大氣溫度，生病時(shí)需要測(cè)量身體的溫度。溫度的測(cè)量可分為接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量。接觸測(cè)量是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這時(shí)感溫元件的溫度就與被測(cè)對(duì)象的溫度相等。這種方法優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、直觀可靠，缺點(diǎn)是感溫元件影響被測(cè)溫度場的分布，接觸不良等都會(huì)帶來測(cè)量誤差，熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度響應(yīng)滯后，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)會(huì)影響感溫元件的壽命。非接觸測(cè)量是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的輻射特性來測(cè)量溫度，具有較高的測(cè)溫上限、熱慣性小、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是由于受物體的發(fā)射率、被測(cè)對(duì)象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的介質(zhì)的影響，其誤差一般較大。這次主要總結(jié)介紹溫度接觸測(cè)量的方法及元器件。

常用的溫度測(cè)量元件有：熱電偶、熱電阻和集成測(cè)溫器件。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，通過測(cè)量其所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度。它由兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做測(cè)量端，另一端叫做補(bǔ)償端。其后端測(cè)量電路也就是對(duì)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量。

熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。常用的有鉑電阻PT100、PT1000等。其后端測(cè)量電路是對(duì)電阻的測(cè)量，一般要組成測(cè)量橋路，因?yàn)橐跓犭娮柚辛鬟^電流，會(huì)有自熱現(xiàn)象，在高精度測(cè)溫時(shí)一定要重視。

熱電偶和熱電阻一般成本較高，還要匹配復(fù)雜的測(cè)量電路。各大元器件公司設(shè)計(jì)了一些集成溫度測(cè)量元件，直接數(shù)字輸出，方便使用，簡化了測(cè)量電路。如DS18B20是一種應(yīng)用較為廣泛的溫度測(cè)量器件，其測(cè)量范圍-55?C~+125?C，-10°C ~ +85°C范圍測(cè)量精度達(dá)?0.5?C，一線接口，并且一線可以掛接多個(gè)DS18B20組成分布式溫度測(cè)量。常用測(cè)量電路如圖1所示。

圖1

目前已有精度達(dá)±0.1 °C高精度集成溫度傳感芯片，如TI的TMP117，ANALOG的ADT7442、MAX30205、MAX30207、MAX30208都能達(dá)到±0.1 °C的高精度。而A級(jí)的PT100的精度只有（0.15+0.002*|t|）°C。這樣在測(cè)量精度、成本、實(shí)現(xiàn)的簡單性方面集成溫度傳感芯片都有優(yōu)勢(shì)。如TMP117就是為代替高精度的鉑熱電阻而設(shè)計(jì)，不但精度高，而且因?yàn)槭∪チ算K熱電阻測(cè)量所需要的精密參考源、匹配布線、復(fù)雜的溫度換算和標(biāo)定而簡化了測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。TMP117支持SMBus和I2C接口，測(cè)量范圍-55?C ~+150?C，在 –20 °C~ 50 °C 范圍內(nèi)測(cè)量精度±0.1 °C，在 –40 °C ~ 70 °C范圍內(nèi)測(cè)量精度±0.15 °C ，在–40 °C ~100 °C范圍內(nèi)測(cè)量精度±0.2 °C ，在–40 °C t~125 °C范圍內(nèi)測(cè)量精度±0.25 °C，在–55 °C ~125 °C 范圍內(nèi)測(cè)量精度 ±0.3 °C。其原理框圖如圖2所示。

圖2

ANALOG的ADT7442的測(cè)量精度在25°C ~50°C范圍內(nèi)是±0.1 °C，在-20 °C ~105 °C范圍內(nèi)是±0.25 °C。也是I2C輸出接口。其原理框圖如圖3所示。

圖3

以上只是簡要介紹了TI和ANALOG公司的高精度溫度測(cè)量芯片，其他公司應(yīng)該也有高精度的溫度測(cè)量芯片，以后分析對(duì)比后再作介紹。