數字儀表設計-復合式數字溫度計
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一、 前言：
本文引用地址：http://count.eepw.com.cn/count/doRedirect?http://dyxdggzs.com/article/136051.htm在2003年SARS及前幾年H1N1的虐起，讓全球開(kāi)始注意個(gè)人體溫的量測，也讓溫度計廠(chǎng)商賺來(lái)不少生意。而數字溫度計依量測方式不同，可分成直接碰觸式與非接觸感應式。
直接碰觸式最常見(jiàn)的溫度傳感器有四種：
1. 熱電偶溫度傳感器(Thermocouple Sensor)
2. 熱敏電阻(Thermistor)
3. 電阻式溫度傳感器(Resistance Temperature Detectors;RTD)
4. IC集成電路式
非接觸式最常見(jiàn)的溫度傳感器有兩種：
1. 熱電堆溫度傳感器(Thermopile Sensor)
2. 焦電式溫度傳感器(Pyroelectric/Passive Infrared sensor, PIR sensor)：通常應用在人體感應
在工業(yè)中直接碰觸式溫度量測，常見(jiàn)的有電阻式及熱電偶溫度傳感器，此類(lèi)精確度高、量測范圍大、量測面積小，但并不是每件東西都適合直接碰觸量測溫度，如：具有腐蝕性溶劑、無(wú)法太靠近或無(wú)法立即量測(直接碰觸式需要傳導時(shí)間)，所以就會(huì )采用熱電堆溫度傳感器。本文將介紹纮康科技HY11P14混合信號處理器(Mixed-Signal Microcontroller)，實(shí)現熱電偶及熱電堆溫度傳感器的多種溫度傳感器量測復合設計。
二、 系統設計分析與考慮：
不管是熱電偶或是熱電堆溫度傳感器，都是利用兩個(gè)不同金屬材質(zhì)相接后產(chǎn)生西貝克效應(Seebeck Effect)電壓。當傳感器在環(huán)境溫度與待測溫度一樣時(shí)，則熱電壓為零，通常會(huì )用另一個(gè)較低溫的傳感器，感應熱電溫度傳感器的環(huán)境溫度，并反推加上熱電溫度傳感器對應電壓，則加上接點(diǎn)電壓稱(chēng)為冷接點(diǎn)補償(Cold-Junction Compensation)。
熱電偶式傳感器在ITS-90 (International Temperature Scale of 1990.)規范，定義很多種不同金屬材質(zhì)相接組合，其產(chǎn)生電壓及量測范圍也不同;如下表：
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Temperature Combinations |
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Type |
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Materials |
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B |
0 to 1820(℃) |
Platinum-30% Rhodium vs. Platinum-6% Rhodium |
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C |
–0 to 2320(℃) |
Tungsten-5% Rhenium vs. Tungsten-26% Rhenium |
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E |
–270 to 1000(℃) |
Nickel-Chromium vs. Copper-Nickel |
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J |
–210 to 1200(℃) |
Iron vs. Copper-Nickel |
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K |
–270 to 1372(℃) |
Nickel-Chromium vs. Nickel-Aluminum |
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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(℃) |
Platinum-13% Rhodium vs. Platinum |
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S |
–50 to 1767(℃) |
Platinum-10% Rhodium vs. Platinum |
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T |
–270 to 400(℃) |
Copper vs. Copper-Nickel |
每一個(gè)具有溫度的物質(zhì)都會(huì )放射出紅外線(xiàn)的熱幅射量，而此幅射量乃是由物質(zhì)的溫度高低所控制決定。當溫度高的物質(zhì)所幅射出的紅外線(xiàn)能量就會(huì )越高，紅外線(xiàn)能量與物質(zhì)溫度成正比。此外每個(gè)物質(zhì)的放射率也有所不同，所以在量測時(shí)需乘上放射率的系數。
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物質(zhì)的放射率(λ=3~14μm的平均ε) |
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Substance |
Thermal emissivity(ε) |
Temperature(℃) |
|
鋁：鏡面 |
0.55 |
100 |
|
氧化皮膜處理 |
0.55 |
100 |
|
黃銅：鏡面 |
0.03 |
100 |
|
氧化面 |
0.61 |
100 |
|
銅：鏡面 |
0.05 |
100 |
|
氧化面 |
0.78 |
20 |
|
金：鏡面 |
0.02 |
100 |
|
鐵：鑄鐵鏡面 |
0.21 |
40 |
|
鑄鐵氧化面 |
0.64 |
100 |
|
極度氧化的板金 |
0.69 |
20 |
|
鎂：鏡面 |
0.07 |
20 |
|
鎳：電鍍處理 |
0.05 |
20 |
|
氧化面 |
0.37 |
200 |
|
銀：鏡面 |
0.03 |
100 |
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不銹鋼 (型式18-8)： |
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|
拋光 |
0.16 |
20 |
|
氧化面 |
0.85 |
60 |
|
鐵：鍍錫板金 |
0.07 |
100 |
|
紅磚 |
0.93 |
20 |
|
石炭：蠟燭煤煙 |
0.95 |
20 |
|
石墨 |
0.98 |
20 |
|
混凝土 |
0.92 |
20 |
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玻璃：平面 |
0.94 |
20 |
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噴漆：白 |
0.92 |
100 |
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消光黑 |
0.97 |
100 |
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潤滑油 (鎳薄膜) |
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鎳基材 |
0.05 |
20 |
|
膜厚 0.25mm |
0.27 |
20 |
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膜厚 0.051mm |
0.46 |
20 |
|
膜厚 0.125mm |
0.72 |
20 |
|
厚涂層 |
0.82 |
20 |
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油性顏料16色的平均 |
0.94 |
100 |
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白紙 |
0.93 |
20 |
|
灰泥 (布紋) |
0.91 |
20 |
|
砂 |
0.90 |
20 |
|
人的皮膚 |
0.98 |
32 |
|
土：干燥 |
0.92 |
20 |
|
濕潤 |
0.95 |
20 |
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水：純水 |
0.96 |
-10 |
|
冰的平面 |
0.96 |
-10 |
|
冰的結晶 |
0.98 |
-10 |
|
雪 |
0.85 |
20 |
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木：橡樹(shù)木板 |
0.90 |
20 |
熱電堆傳感器(Thermopile Sensor)內部主要是由濾波鏡片、熱電堆芯片、熱敏電阻材質(zhì)組成。濾波鏡片功能是將熱幅射頻波以外的頻波過(guò)濾，熱電堆芯片是由許多組熱電偶串聯(lián)，它的結構像派(pile)一樣層層組成，而熱電偶一般來(lái)說(shuō)是利用兩個(gè)不同金屬材質(zhì)相接后產(chǎn)生西貝克效應(Seebeck Effect)，當電偶的兩端有溫度差產(chǎn)生時(shí)，此熱電偶便會(huì )產(chǎn)生出電壓差，其電壓大小正比于電偶兩端的溫度差，但熱電偶產(chǎn)生出電壓非線(xiàn)性。
工業(yè)用紅外線(xiàn)溫度計通常待測溫度及操作環(huán)境溫度都比較廣，感測輸入端除了有熱電堆傳感器外，還有鏡片及散熱片。鏡片的功能是將紅外線(xiàn)波焦距到熱電堆傳感器，由于希望量測的溫度準確度高，所以必須將量測的范圍越小越好，故加鏡片焦距，通常會(huì )采用菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)。當在量測高溫時(shí)感測輸入端，會(huì )因高溫將鏡片及傳感器熱漲，所以通常會(huì )將鏡片及傳感器固定在散熱座，以幫助感測輸入端溫度能快速平衡。若要更了解熱電堆傳感器可上制造商網(wǎng)站或向代理商詢(xún)問(wèn)。
由于熱電偶或熱電堆傳感器溫度變化輸出只有數十微伏，所以必須要利用低輸入準位偏移、低噪聲、低溫度飄移的放大器，本文采用纮康科技HY11P14內部的放大器將熱電堆電壓放大。
熱電偶或熱電堆傳感器，接點(diǎn)必也是兩個(gè)不同金屬材質(zhì)相接，也會(huì )產(chǎn)生西貝克效應。所以當在操作環(huán)境溫度與待測溫度一樣時(shí)，則熱電偶產(chǎn)生出電壓為零，則需做熱電偶的冷接點(diǎn)補償(Cold-Junction Compensation)，而通常會(huì )用熱敏電阻作為內部溫度傳感器。電阻的測量方式有：電橋式、比率式、定電流式。本文采用定電流式量測熱電堆傳感器內的熱敏電阻值，再去轉換出溫度值，做熱電堆傳感器的冷接點(diǎn)補償。
▲ Single-Supply, Type K Thermocouple Signal Conditioning Circuit with Cold-Junction Compensation(摘自Analog Devices TMP36 Datasheet)
所有模擬電壓都由HY11P14內部Δ-Σ模擬數字信號轉換器(Delta-Sigma Analog to Digital Converter)將模擬信號轉換成數字信號。而Δ-Σ模擬數字信號轉換器的最大優(yōu)點(diǎn)就是精確度及分辨率高、轉換速度快、較無(wú)外圍電路。最后HY11P14將數字數據計算出該溫度值及時(shí)鐘，再顯示于LCD面板上，并可將資料儲存至EEPROM，及經(jīng)由Silicon Laboratories CP2110接收HY11P14的UART所送出的溫度數據，計算機可透過(guò)USB接口讀取數據。
三、 電路圖：
四、 參考數據：
紅外線(xiàn)傳感器應用, 纮康科技產(chǎn)品應用說(shuō)明書(shū)
HY11P12熱電偶測溫, 纮康科技產(chǎn)品應用說(shuō)明書(shū)
五、 芯片制造商：
纮康科技(HYCON Technology)專(zhuān)注于溫度、壓力、重量、電壓、電流、功率……等模擬訊號的量測及監視。主要提供在電池管理、儀器儀表(包含醫療、計量、 溫度…)，及工業(yè)控制等領(lǐng)域的相關(guān)芯片開(kāi)發(fā)。
http://www.hycontek.com/
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