数字仪表设计-复合式数字温度计
一、 前言:
本文引用地址:http://count.eepw.com.cn/count/doRedirect?//m.amcfsurvey.com/article/136051.htm在2003年SARS及前几年H1N1的虐起,让全球开始注意个人体温的量测,也让温度计厂商赚来不少生意。而数字温度计依量测方式不同,可分成直接碰触式与非接触感应式。
直接碰触式最常见的温度传感器有四种:
1. 热电偶温度传感器(Thermocouple Sensor)
2. 热敏电阻(Thermistor)
3. 电阻式温度传感器(Resistance Temperature Detectors;RTD)
4. IC集成电路式
非接触式最常见的温度传感器有两种:
1. 热电堆温度传感器(Thermopile Sensor)
2. 焦电式温度传感器(Pyroelectric/Passive Infrared sensor, PIR sensor):通常应用在人体感应
在工业中直接碰触式温度量测,常见的有电阻式及热电偶温度传感器,此类精确度高、量测范围大、量测面积小,但并不是每件东西都适合直接碰触量测温度,如:具有腐蚀性溶剂、无法太靠近或无法立即量测(直接碰触式需要传导时间),所以就会采用热电堆温度传感器。本文将介绍纮康科技HY11P14混合信号处理器(Mixed-Signal Microcontroller),实现热电偶及热电堆温度传感器的多种温度传感器量测复合设计。
二、 系统设计分析与考虑:
不管是热电偶或是热电堆温度传感器,都是利用两个不同金属材质相接后产生西贝克效应(Seebeck Effect)电压。当传感器在环境温度与待测温度一样时,则热电压为零,通常会用另一个较低温的传感器,感应热电温度传感器的环境温度,并反推加上热电温度传感器对应电压,则加上接点电压称为冷接点补偿(Cold-Junction Compensation)。
热电偶式传感器在ITS-90 (International Temperature Scale of 1990.)规范,定义很多种不同金属材质相接组合,其产生电压及量测范围也不同;如下表:
Temperature Combinations
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Type
|
|
Materials
|
B
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0 to 1820(℃)
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Platinum-30% Rhodium vs. Platinum-6% Rhodium
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C
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–0 to 2320(℃)
|
Tungsten-5% Rhenium vs. Tungsten-26% Rhenium
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E
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–270 to 1000(℃)
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Nickel-Chromium vs. Copper-Nickel
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J
|
–210 to 1200(℃)
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Iron vs. Copper-Nickel
|
K
|
–270 to 1372(℃)
|
Nickel-Chromium vs. Nickel-Aluminum
|
N
|
–270 to 1300(℃)
|
Nickel-14.2% Chromium-1.4% Silicon vs.
Nickel-4.4% Silicon-0.1% Magnesium
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R
|
–50 to 1767(℃)
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Platinum-13% Rhodium vs. Platinum
|
S
|
–50 to 1767(℃)
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Platinum-10% Rhodium vs. Platinum
|
T
|
–270 to 400(℃)
|
Copper vs. Copper-Nickel
|
每一个具有温度的物质都会放射出红外线的热幅射量,而此幅射量乃是由物质的温度高低所控制决定。当温度高的物质所幅射出的红外线能量就会越高,红外线能量与物质温度成正比。此外每个物质的放射率也有所不同,所以在量测时需乘上放射率的系数。
物质的放射率(λ=3~14μm的平均ε)
|
||
Substance
|
Thermal emissivity(ε)
|
Temperature(℃)
|
铝:镜面
|
0.55
|
100
|
氧化皮膜处理
|
0.55
|
100
|
黄铜:镜面
|
0.03
|
100
|
氧化面
|
0.61
|
100
|
铜:镜面
|
0.05
|
100
|
氧化面
|
0.78
|
20
|
金:镜面
|
0.02
|
100
|
铁:铸铁镜面
|
0.21
|
40
|
铸铁氧化面
|
0.64
|
100
|
极度氧化的板金
|
0.69
|
20
|
镁:镜面
|
0.07
|
20
|
镍:电镀处理
|
0.05
|
20
|
氧化面
|
0.37
|
200
|
银:镜面
|
0.03
|
100
|
不锈钢(型式18-8):
|
|
|
抛光
|
0.16
|
20
|
氧化面
|
0.85
|
60
|
铁:镀锡板金
|
0.07
|
100
|
红砖
|
0.93
|
20
|
石炭:蜡烛煤烟
|
0.95
|
20
|
石墨
|
0.98
|
20
|
混凝土
|
0.92
|
20
|
玻璃:平面
|
0.94
|
20
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喷漆:白
|
0.92
|
100
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消光黑
|
0.97
|
100
|
润滑油(镍薄膜)
|
|
|
镍基材
|
0.05
|
20
|
膜厚0.25mm
|
0.27
|
20
|
膜厚0.051mm
|
0.46
|
20
|
膜厚0.125mm
|
0.72
|
20
|
厚涂层
|
0.82
|
20
|
油性颜料16色的平均
|
0.94
|
100
|
白纸
|
0.93
|
20
|
灰泥(布纹)
|
0.91
|
20
|
砂
|
0.90
|
20
|
人的皮肤
|
0.98
|
32
|
土:干燥
|
0.92
|
20
|
湿润
|
0.95
|
20
|
水:纯水
|
0.96
|
-10
|
冰的平面
|
0.96
|
-10
|
冰的结晶
|
0.98
|
-10
|
雪
|
0.85
|
20
|
木:橡树木板
|
0.90
|
20
|
热电堆传感器(Thermopile Sensor)内部主要是由滤波镜片、热电堆芯片、热敏电阻材质组成。滤波镜片功能是将热幅射频波以外的频波过滤,热电堆芯片是由许多组热电偶串联,它的结构像派(pile)一样层层组成,而热电偶一般来说是利用两个不同金属材质相接后产生西贝克效应(Seebeck Effect),当电偶的两端有温度差产生时,此热电偶便会产生出电压差,其电压大小正比于电偶两端的温度差,但热电偶产生出电压非线性。
工业用红外线温度计通常待测温度及操作环境温度都比较广,感测输入端除了有热电堆传感器外,还有镜片及散热片。镜片的功能是将红外线波焦距到热电堆传感器,由于希望量测的温度准确度高,所以必须将量测的范围越小越好,故加镜片焦距,通常会采用菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。当在量测高温时感测输入端,会因高温将镜片及传感器热涨,所以通常会将镜片及传感器固定在散热座,以帮助感测输入端温度能快速平衡。若要更了解热电堆传感器可上制造商网站或向代理商询问。
由于热电偶或热电堆传感器温度变化输出只有数十微伏,所以必须要利用低输入准位偏移、低噪声、低温度飘移的放大器,本文采用纮康科技HY11P14内部的放大器将热电堆电压放大。
热电偶或热电堆传感器,接点必也是两个不同金属材质相接,也会产生西贝克效应。所以当在操作环境温度与待测温度一样时,则热电偶产生出电压为零,则需做热电偶的冷接点补偿(Cold-Junction Compensation),而通常会用热敏电阻作为内部温度传感器。电阻的测量方式有:电桥式、比率式、定电流式。本文采用定电流式量测热电堆传感器内的热敏电阻值,再去转换出温度值,做热电堆传感器的冷接点补偿。
▲ Single-Supply, Type K Thermocouple Signal Conditioning Circuit with Cold-Junction Compensation(摘自Analog Devices TMP36 Datasheet)
所有模拟电压都由HY11P14内部Δ-Σ模拟数字信号转换器(Delta-Sigma Analog to Digital Converter)将模拟信号转换成数字信号。而Δ-Σ模拟数字信号转换器的最大优点就是精确度及分辨率高、转换速度快、较无外围电路。最后HY11P14将数字数据计算出该温度值及时钟,再显示于LCD面板上,并可将资料储存至EEPROM,及经由Silicon Laboratories CP2110接收HY11P14的UART所送出的温度数据,计算机可透过USB接口读取数据。
三、 电路图:
四、 参考数据:
红外线传感器应用,纮康科技产品应用说明书
HY11P12热电偶测温, 纮康科技产品应用说明书
五、 芯片制造商:
纮康科技(HYCON Technology)专注于温度、压力、重量、电压、电流、功率……等模拟讯号的量测及监视。主要提供在电池管理、仪器仪表(包含医疗、计量、 温度…),及工业控制等领域的相关芯片开发。
http://www.hycontek.com/
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