GX18B20----温度测量的优势

温度测量方案对比分析

一、我们的目标

温度测量存在于我们生活与工作的方方面面,我们可以测量单点的温度体现整体环境温度,也可以测量多点温度,综合反应环境情况。本文针对单点测量的情况进行分析,如何从一点扩展到多点不做讨论。

我们针对以热电偶,热电阻,半导体温度传感器为前端,MCU为数据处理核心的电路测量系统。首先分析其基本结构,再大致分析其特点与成本。我们的目标就是得到一个数字的温度信息,比如测量室温是25摄氏度,我们认为在单片机内得到这个温度,算是我们工作完成,至于这个数字如何显示出来,或者通过有线无线传输到云平台之类,如何存储,我们不再进行分析。

由于结构的不同,成本会有很大的变化,本文力求给出一个概略的成本范围,方便读者简单判断。(这里成本价格是个参考值,并非绝对值。)

二、测温系统的构成

我们感知一个点的温度,首先要有个敏感的前端测温部件,这个部件可以是接触式的或非接触式的。当温度变化时,此部件可能产生电压的变化,电阻的变化或者其它信号的变化。之后,我们将这个变化的信号进行调理,变换成我们方便采集的信号,最后将这个信号进行采集,变为一个数字信号。当然某些传感器,尤其是新型的半导体传感器,可能综合了以上一个或几个部分,直接输出了数字温度信息。

三、热电偶构成的温度测量系统与成本分析

1. 基本结构

热电偶将环境温度转换为电压信号,我们将小信号进行放大,数据采集,数据变换,得到一个温度值。整体结构如下:

针对以上,热电偶常见有K B E J T S N R类型。信号放大可以自己用模拟电路构建,也可以使用厂家集成电路,很多IC同时集成了信号放大与ADC,有些则集合了ADCMCU

2. 成本分析

(1) 热电偶根据类型,成本如下:

类型

最大测温范围

(℃)

参考价格

(元)

K

镍铬 - 镍硅

-40 - 1200

10 - 350

B

铂铑30 - 铂铑6

0 - 1800

100 - 3000

E

镍铬 - 铜镍(康铜)

-40 - 1000

10 - 350

J

- 铜镍(康铜)

-40 - 1200

10 -350

T

- 铜镍(康铜)

-200 - 400

10 -350

S

铂铑10 -

0 - 1700

500 - 3000

N

镍铬硅 - 镍硅镁

-200 - 1200

500 - 3000

R

铂铑13 -

0 - 1800

500 - 3000


热电偶根据类型,测温范围,测温精度,产品寿命,反应时间,引线方式,品牌,产地等等因素,价格会有很大差异,以上价格是个概略的参考价格范围。

比如,常见的K J E型热电偶,国产便宜的大约几块钱,多数从几块到二十几块不等,进口产品要200400不等。


(2) 电路部分成本估算

此部分包括信号放大、ADCMCU和其它配套成本。

如果利用模拟放大电路,自己建立信号放大,大约成本在3元到5元不等,ADCMCU用最经济的,大约5块以内。整体成本如下:

项目

价格 (元)

信号放大

3 - 5

ADC + MCU

3 - 5

电源 电阻 电容

2 - 4

PCB + 焊接生产

3 - 5

总成本

11 - 19

如果利用集成电路,例如MAX6675,可以方便的实现信号放大和冷端补偿,整体结构会变得简单,稳定性也会增加,成本不会太大变化。另外ADC部分可以采用带有放大能力的IC,比如TIADS1118,可以直接将热电偶电压信号转换为数字信号。

项目

价格 (元)

信号放大+ADC

MAX6675 或者 ADS1118

4 - 8

MCU

3 - 4

电源 电阻 电容

2 - 4

PCB + 焊接生产

3 - 5

总成本

12 - 21

3. 举例说明

假设我们测量环境温度,比如仓库温度,空调出风口温度或者室温情况。测量精度不高,误差±1摄氏度。采用K型热电偶,比较经济的测量电路。整体硬件成本大约在16-31元左右。

项目

价格 (元)

热电偶

5 – 10

电路

11 - 21

总成本

16 - 31

再次说明,这里测试就是MCU里有了一个数据,比如环境是15摄氏度,至于这个数据如何传递,如何展示,这里不讨论。

另外成本会和生产量有很大关系。我们这里估算的价格,大约是一次生产500套左右的单价。而且不计算各种开工费。以下的其它成本考虑类同。

四、热电阻构成的温度测量系统

1. 基本结构

热电阻将环境温度转换为电阻信号,我们将电阻信号变换为电压信号,之后数据采集,数据变换,得到一个温度值。整体结构如下:

针对以上,热电阻常见有PT100, PT1000,Cu50, NTC, PTC等类型。信号转换可以自己用模拟电路构建,也可以使用厂家集成电路,很多IC同时集成了信号放大与ADC,有些则集合了ADCMCU

针对热电阻测量,我们也可以采用另外一种结构,将电阻信号变换为时间信号测量。即通过对比参考电阻与被测电阻在同一电容上的放电时间,测量热电阻的阻值,从而测量温度。整体结构如下:

2. 成本分析

(1) 热电阻根据类型,成本如下:

类型

最大测温范围

(℃)

参考价格

(元)

PT10

-200 - 1000

10 - 2000

PT100

PT200

PT500

PT1000

Cu50

-50 - 150

10 – 600

Cu53

Ni1000

-60 - 250

45 - 500

NTC

-50 - 350

0.1 - 10

PTC

-50 - 350

0.1 - 10


热电阻根据类型,测温范围,测温精度,产品寿命,反应时间,引线方式,品牌,产地等等因素,价格会有很大差异,以上价格是个概略的参考价格范围。

比如,常见的PT100热电阻,国产便宜的大约5块钱,进口的,做过各种防护的,上千块钱。

NTC PTC如果是板载的,例如0603封装的,便宜的大约0.1元,如果带外壳,带灌装的,或者带引线的,大约2元到10元不等。


(2) 电路部分成本估算

此部分包括信号转换、ADCMCU和其它配套成本。

如果利用模拟放大电路,自己建立信号放大,大约成本在3元到5元不等,ADCMCU用最经济的,大约5块以内。整体成本如下:

项目

价格 (元)

信号放大

3 - 5

ADC + MCU

3 - 5

电源 电阻 电容

2 - 4

PCB + 焊接生产

3 - 5

总成本

11 - 19

如果利用时间测量,成本会有一定的降低

项目

价格 (元)

MCU

2 - 4

电源 电阻 电容

2 - 4

PCB + 焊接生产

2 - 5

总成本

6 - 13

3. 举例说明

还是假设之前的例子,假设我们测量环境温度,比如仓库温度,空调出风口温度或者室温情况。测量精度不高,误差±1摄氏度。采用PT100热电阻,比较经济的测量电路。整体硬件成本大约在13-29元左右。

项目

价格 (元)

热电阻

5 – 10

电路

8 - 19

总成本

13 - 29

这里可以进行一个简单的极限考虑,比如我们对环境的测温要求特别的不高,误差正负两三度都问题不大,测量速度也没有要求,成本要求很低,要求测量点特别多,对产品一致性使用寿命都没有特别的要求。整体成本大约如下:

项目

价格 (元)

热电阻

PT100 Cu50或者NTC

1 - 2.5

电路

4 - 6

总成本

5 – 8.5

五、半导体测温芯片构成的温度测量系统

1. 基本结构

半导体测温芯片将环境温度转换为电压信号或者数字信号,我们利用MCU直接采集或读取温度值。整体结构如下:

针对以上,常见测温半导体有DS18B20, GX18B20, TMP112, LM75, SHT21等等。此类传感器构成的系统结构非常简单,就是通过一个数字接口,如I2C, SPI,或者1wire进行连接,读取温度数值。

2. 成本分析

(1) 常见数字温度传感器,成本如下:

型号

测温范围

价格

DS18B20

-55°C to +125°C

3.5 – 5

GX18B20

-55°C to +125°C

2.3-2.8

TMP75

-55°C to +125°C

0.5 – 1.5

TMP112

-40°C to +125°C

1 – 1.5

MAX31875

-55°C to +125°C

3 – 5

MAX6113

-55°C to +130°C

2.5 - 3

SHT21

-40°C to +125°C

8 - 15

MLX9614

(红外,非接触)

-40°C to +380°C

50 - 150

(2) 电路部分成本估算

此部分包括MCU和其它配套成本。整体成本如下:

项目

价格 (元)

MCU

1 - 2

电源 电阻 电容

2 - 4

PCB + 焊接生产

3 - 5

总成本

6 - 11

3. 举例说明

还是假设之前的例子,假设我们测量环境温度,比如仓库温度,空调出风口温度或者室温情况。误差±0.5摄氏度。我们采用比较经济的不需要电源芯片的GX18B20温度传感器(北京中科银河芯科技有限公司),整体硬件成本大约在7.3-10.8元左右。

项目

价格 (元)

半导体温度传感器

2.32.8

MCU

1-2

电阻 电容

1

PCB+焊接生产

3-5

总成本

7.3-10.8

六、比较三种温度传感器结构与成本

综合以上分析,采用热电偶,热电阻和半导体温度传感器进行环境温度测量。我们可以大致得到以下的结论。

如果测量很低的温度(零下40℃以下)或者很高的温度(120℃以上)可以采用热电偶或者热电阻,半导体式的并不合适。如果是测量常见的环境温度,半导体式的测量结构上最简单。

在精度要求不是很高的情况下,采用NTC或者PTC式的热电阻结构的测量成本可以达到最低。

类型

系统结构

价格

热电偶

复杂

有高有低

热电阻

有复杂的有简单的

中等偏低

半导体

简单

有高有低(18B20方案成本较低)

七、比较三种测温方式功耗比较

从上图的结构看,热电偶测温电路需要信号放大电路和ADC电路,信号放大电路功耗较高,是3个方案中功耗最高。而半导体芯片测温方式只是芯片测温电路的功耗和MCU的功耗,是3个方案中功耗最低的。热电阻测温方式需要R-V转换电路,一般是电桥或者恒流源的方式来实现,功耗居中。

这个文章写到最后,感觉测量温度的情况太多了,温度传感器种类太多,封装类型太多,精度差别太多,这样笼统的分析,想得到一个简单的答案或者价格趋势是非常牵强的。但是对于测温精度要求较高的场合,半导体芯片测温方式是功耗最低,价格也相对便宜

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