各種溫度測量方案對比

溫度測量方案對比分析一、我們的目標(biāo)溫度測量存在于我們生活與工作的方方面面，我們可以測量單點(diǎn)的溫度體現(xiàn)整體環(huán)境溫度，也可以測量多點(diǎn)溫度，綜合反應(yīng)環(huán)境情況。本文針對單點(diǎn)測量的情況進(jìn)行分析，如何從一點(diǎn)擴(kuò)展到多點(diǎn)不做討論。我們針對以熱電偶，熱電阻，半導(dǎo)體溫度傳感器為前端，MCU為數(shù)據(jù)處理核心的電路測量系統(tǒng)。首先分析其基本結(jié)構(gòu)，再大致分析其特點(diǎn)與成本。我們的目標(biāo)就是得到一個(gè)數(shù)字的溫度信息，比如測量室溫是25攝氏度，我們認(rèn)為在單片機(jī)內(nèi)得到這個(gè)溫度，算是我們工作完成，至于這個(gè)數(shù)字如何顯示出來，或者通過有線無線傳輸?shù)皆破脚_之類，如何存儲，我們不再進(jìn)行分析。由于結(jié)構(gòu)的不同，成本會有很大的變化，本文力求給出一個(gè)概略的成本范圍，方便讀者簡單判斷。（這里成本價(jià)格是個(gè)參考值，并非絕對值。）二、測溫系統(tǒng)的構(gòu)成我們感知一個(gè)點(diǎn)的溫度，首先要有個(gè)敏感的前端測溫部件，這個(gè)部件可以是接觸式的或非接觸式的。當(dāng)溫度變化時(shí)，此部件可能產(chǎn)生電壓的變化，電阻的變化或者其它信號的變化。之后，我們將這個(gè)變化的信號進(jìn)行調(diào)理，變換成我們方便采集的信號，最后將這個(gè)信號進(jìn)行采集，變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)字信號。當(dāng)然某些傳感器，尤其是新型的半導(dǎo)體傳感器，可能綜合了以上一個(gè)或幾個(gè)部分，直接輸出了數(shù)字溫度信息。三、熱電偶構(gòu)成的溫度測量系統(tǒng)與成本分析1.基本結(jié)構(gòu)熱電偶將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號，我們將小信號進(jìn)行放大，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)變換得到一個(gè)溫度值。整體結(jié)構(gòu)如下：針對以上，熱電偶常見有KBEJTSNR類型。信號放大可以自己用模擬電路構(gòu)建,也可以使用廠家集成電路，很多IC同時(shí)集成了信號放大與ADC，有些則集合了ADC與MCU。2.成本分析（1）熱電偶根據(jù)類型，成本如下

類型最大測溫范圍（°C）參考價(jià)格（元）K鎳鉻-鎳硅-40-120010-350B鉑銠30-鉑銠60-1800100-3000E鎳鉻-銅鎳（康銅）-40-100010-350J鐵-銅鎳（康銅）-40-120010-350T銅-銅鎳（康銅）-200-40010-350S鉑銠10-鉑0-1700500-3000N鎳鉻硅-鎳硅鎂-200-1200500-3000R鉑銠13-鉑0-1800500-3000熱電偶根據(jù)類型，測溫范圍，測溫精度，產(chǎn)品壽命，反應(yīng)時(shí)間，引線方式，品牌，產(chǎn)地等等因素，價(jià)格會有很大差異，以上價(jià)格是個(gè)概略的參考價(jià)格范圍。比如，常見的KJE型熱電偶，國產(chǎn)便宜的大約幾塊錢，多數(shù)從幾塊到二十幾塊不等，進(jìn)口產(chǎn)品要200到400不等。2）電路部分成本估算此部分包括信號放大、ADC、MCU和其它配套成本。如果利用模擬放大電路，自己建立信號放大，大約成本在3元到5元不等，ADC加MCU用最經(jīng)濟(jì)的，大約5塊以內(nèi)。整體成本如下:項(xiàng)目價(jià)格（元）信號放大3-5ADC+MCU3-5電源電阻電容2-4PCB+焊接生產(chǎn)3-5總成本11-19如果利用集成電路，例如MAX6675,可以方便的實(shí)現(xiàn)信號放大和冷端補(bǔ)償，整體結(jié)構(gòu)會變得簡單，穩(wěn)定性也會增加，成本不會太大變化。另外ADC部分可以采用帶有放大能力的IC,比如TI的ADS1118，可以直接將熱電偶電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號項(xiàng)目價(jià)格（元）信號放大+ADCMAX6675或者ADS11184-8MCU3-4電源電阻電容2-4PCB+焊接生產(chǎn)3-5總成本12-213.舉例說明假設(shè)我們測量環(huán)境溫度，比如倉庫溫度，空調(diào)出風(fēng)口溫度或者室溫情況。測量精度不高，誤差±1攝氏度。采用K型熱電偶，比較經(jīng)濟(jì)的測量電路。整體硬件成本大約在16-31元左右。項(xiàng)目價(jià)格（元）熱電偶5-10電路11-21總成本16-31再次說明，這里測試就是MCU里有了一個(gè)數(shù)據(jù)，比如環(huán)境是15攝氏度，至于這個(gè)數(shù)據(jù)如何傳遞，如何展示，這里不討論。另外成本會和生產(chǎn)量有很大關(guān)系。我們這里估算的價(jià)格，大約是一次生產(chǎn)500套左右的單價(jià)。而且不計(jì)算各種開工費(fèi)。以下的其它成本考慮類同。四、熱電阻構(gòu)成的溫度測量系統(tǒng)1.基本結(jié)構(gòu)熱電阻將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電阻信號，我們將電阻信號變換為電壓信號，之后數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)變換，得到一個(gè)溫度值。整體結(jié)構(gòu)如下：針對以上，熱電阻常見有PT100,PT1000,Cu50,NTC,PTC等類型。信號轉(zhuǎn)換可以自己用模擬電路構(gòu)建，也可以使用廠家集成電路，很多IC同時(shí)集成了信號放大與ADC，有些則集合了ADC與MCU。針對熱電阻測量，我們也可以采用另外一種結(jié)構(gòu)，將電阻信號變換為時(shí)間信號測量即通過對比參考電阻與被測電阻在同一電容上的放電時(shí)間，測量熱電阻的阻值，從而測量溫度。整體結(jié)構(gòu)如下：

2.成本分析（1）熱電阻根據(jù)類型，成本如下類型最大測溫范圍（°C）參考價(jià)格（元）PT10PT100PT200-200-100010-2000PT500PT1000Cu50-50-15010-600Cu53NilOOO-60-25045-500NTC-50-3500.1-10PTC-50-3500.1-10熱電阻根據(jù)類型，測溫范圍，測溫精度，產(chǎn)品壽命，反應(yīng)時(shí)間，引線方式，品牌，產(chǎn)地等等因素，價(jià)格會有很大差異，以上價(jià)格是個(gè)概略的參考價(jià)格范圍。比如，常見的PT100熱電阻，國產(chǎn)便宜的大約5塊錢，進(jìn)口的，做過各種防護(hù)的，上千塊錢。NTCPTC如果是板載的，例如0603封裝的，便宜的大約0.1元如果帶外殼，帶灌裝的，或者帶引線的，大約2元到10元不等。2）電路部分成本估算此部分包括信號轉(zhuǎn)換、ADC、MCU和其它配套成本。如果利用模擬放大電路，自己建立信號放大，大約成本在3元到5元不等，ADC加MCU用最經(jīng)濟(jì)的，大約5塊以內(nèi)。整體成本如下:項(xiàng)目價(jià)格（元）信號放大3-5ADC+MCU3-5電源電阻電容2-4PCB+焊接生產(chǎn)3-5總成本11-19如果利用時(shí)間測量，成本會有一定的降低項(xiàng)目價(jià)格（元）MCU2-4電源電阻電容2-4PCB+焊接生產(chǎn)2-5總成本6-13

3.舉例說明還是假設(shè)之前的例子，假設(shè)我們測量環(huán)境溫度，比如倉庫溫度，空調(diào)出風(fēng)口溫度或者室溫情況。測量精度不高，誤差±1攝氏度。采用PT100熱電阻，比較經(jīng)濟(jì)的測量電路。整體硬件成本大約在13-29元左右。項(xiàng)目價(jià)格（元）熱電阻5-10電路8-19總成本13-29這里可以進(jìn)行一個(gè)簡單的極限考慮，比如我們對環(huán)境的測溫要求特別的不高，誤差正負(fù)兩三度都問題不大，測量速度也沒有要求，成本要求很低，要求測量點(diǎn)特別多，對產(chǎn)品一致性使用壽命都沒有特別的要求。整體成本大約如下：項(xiàng)目價(jià)格（元）熱電阻PT100Cu50或者NTC1-2.5電路4-6總成本5-8.5五、半導(dǎo)體測溫芯片構(gòu)成的溫度測量系統(tǒng)1.基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體測溫芯片將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號或者數(shù)字信號，我們利用MCU直接采集或讀取溫度值。整體結(jié)構(gòu)如下：針對以上，常見測溫半導(dǎo)體有DS18B20,GX18B20,TMP112,LM75,SHT21等等。此類傳感器構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，就是通過一個(gè)數(shù)字接口，如I2C,SPI,或者Iwire進(jìn)行連接，讀取溫度數(shù)值。2.成本分析（1）常見數(shù)字溫度傳感器，成本如下：型號測溫范圍價(jià)格DS18B20-55°Cto+12593.5-5GX18B20-55°Cto+125°C2.3-2.8TMP75-55°Cto+125°C0.5-1.5

TMP112-40°Cto+12591一1.5MAX31875-55°Cto+125°C3-5MAX6113-55°Cto+130°C2.5-3SHT21-40°Cto+125°C8-15MLX9614（紅外，非接觸）-40°Cto+380°C50-1502）電路部分成本估算此部分包括MCU和其它配套成本。整體成本如下項(xiàng)目價(jià)格（元）MCU1-2電源電阻電容2-4PCB+焊接生產(chǎn)3-5總成本6-113.舉例說明還是假設(shè)之前的例子，假設(shè)我們測量環(huán)境溫度，比如倉庫溫度，空調(diào)出風(fēng)口溫度或者室溫情況。誤差土0.5攝氏度。我們采用比較經(jīng)濟(jì)的不需要電源芯片的GX18B20溫度傳感器（北京中科銀河芯科技有限公司），整體硬件成本大約在7.3-10.8元左右。項(xiàng)目價(jià)格（元）半導(dǎo)體溫度傳感器2.3-2.8MCU1-2電阻電容1PCB+焊接生產(chǎn)3-5總成本7.3-10.8六、比較三種溫度傳感器結(jié)構(gòu)與成本綜合以上分析，采用熱電偶，熱電阻和半導(dǎo)體溫度傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度測量。我們可以大致得到以下的結(jié)論。如果測量很低的溫度（零下40°C以下）或者很高的溫度（120r以上）可以采用熱電偶或者熱電阻，半導(dǎo)體式的并不合適。如果是測量常見的環(huán)境溫度，半導(dǎo)體式的測量結(jié)構(gòu)上最簡單。在精度要求不是很高的情況下，采用NTC或者PTC式的熱電阻結(jié)構(gòu)的測量成本可以達(dá)到最低。類型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)價(jià)格熱電偶復(fù)雜有咼有低熱電阻有復(fù)雜的有簡單的中等偏低半導(dǎo)體簡單有咼有低（18B20方案成本較低）

七、比較三種測溫方式功耗比較熱電偶：從上圖的結(jié)構(gòu)看，熱電偶測溫電路需要信號放大電路和ADC電路，信號放大電路功耗較高，是3個(gè)方案中功耗最高。而半導(dǎo)體芯片測溫方式只是芯片測溫電路的功耗和MCU的功耗，是3個(gè)方案中功耗最低的。熱電阻測溫方式需要R-V轉(zhuǎn)