數(shù)字儀表設(shè)計-復(fù)合式數(shù)字溫度計

作者：時間：2012-08-23 來源：電子產(chǎn)品世界

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一、前言：

本文引用地址：http://count.eepw.com.cn/count/doRedirect?http://m.butianyuan.cn/article/136051.htm

　　在2003年SARS及前幾年H1N1的虐起，讓全球開始注意個人體溫的量測，也讓溫度計廠商賺來不少生意。而數(shù)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(yīng)式。

　　直接碰觸式最常見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(yīng)用在人體感應(yīng)

　　在工業(yè)中直接碰觸式溫度量測，常見的有電阻式及熱電偶溫度傳感器，此類精確度高、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、無法太靠近或無法立即量測(直接碰觸式需要傳導(dǎo)時間)，所以就會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)，實現(xiàn)熱電偶及熱電堆溫度傳感器的多種溫度傳感器量測復(fù)合設(shè)計。

二、系統(tǒng)設(shè)計分析與考慮：

　　不管是熱電偶或是熱電堆溫度傳感器，都是利用兩個不同金屬材質(zhì)相接后產(chǎn)生西貝克效應(yīng)(Seebeck Effect)電壓。當(dāng)傳感器在環(huán)境溫度與待測溫度一樣時，則熱電壓為零，通常會用另一個較低溫的傳感器，感應(yīng)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(yīng)電壓，則加上接點電壓稱為冷接點補償(Cold-Junction Compensation)。

　　熱電偶式傳感器在ITS-90 (International Temperature Scale of 1990.)規(guī)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：

Temperature Combinations
Type	Temperature Range.	Materials
B	0 to 1820(℃)	Platinum-30% Rhodium vs. Platinum-6% Rhodium
C	–0 to 2320(℃)	Tungsten-5% Rhenium vs. Tungsten-26% Rhenium
E	–270 to 1000(℃)	Nickel-Chromium vs. Copper-Nickel
J	–210 to 1200(℃)	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
R	–50 to 1767(℃)	Platinum-13% Rhodium vs. Platinum
S	–50 to 1767(℃)	Platinum-10% Rhodium vs. Platinum
T	–270 to 400(℃)	Copper vs. Copper-Nickel

　　每一個具有溫度的物質(zhì)都會放射出紅外線的熱幅射量，而此幅射量乃是由物質(zhì)的溫度高低所控制決定。當(dāng)溫度高的物質(zhì)所幅射出的紅外線能量就會越高，紅外線能量與物質(zhì)溫度成正比。此外每個物質(zhì)的放射率也有所不同，所以在量測時需乘上放射率的系數(shù)。

物質(zhì)的放射率(λ=3~14μm的平均ε)
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
不銹鋼 (型式18-8)：
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
玻璃：平面	0.94	20
噴漆：白	0.92	100
消光黑	0.97	100
潤滑油 (鎳薄膜)
鎳基材	0.05	20
膜厚 0.25mm	0.27	20
膜厚 0.051mm	0.46	20
膜厚 0.125mm	0.72	20
厚涂層	0.82	20
油性顏料16色的平均	0.94	100
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
水：純水	0.96	-10
冰的平面	0.96	-10
冰的結(jié)晶	0.98	-10
雪	0.85	20
木：橡樹木板	0.90	20

　　熱電堆傳感器(Thermopile Sensor)內(nèi)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濾，熱電堆芯片是由許多組熱電偶串聯(lián)，它的結(jié)構(gòu)像派(pile)一樣層層組成，而熱電偶一般來說是利用兩個不同金屬材質(zhì)相接后產(chǎn)生西貝克效應(yīng)(Seebeck Effect)，當(dāng)電偶的兩端有溫度差產(chǎn)生時，此熱電偶便會產(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)生出電壓非線性。

　　工業(yè)用紅外線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波焦距到熱電堆傳感器，由于希望量測的溫度準(zhǔn)確度高，所以必須將量測的范圍越小越好，故加鏡片焦距，通常會采用菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)。當(dāng)在量測高溫時感測輸入端，會因高溫將鏡片及傳感器熱漲，所以通常會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)站或向代理商詢問。

　　由于熱電偶或熱電堆傳感器溫度變化輸出只有數(shù)十微伏，所以必須要利用低輸入準(zhǔn)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(nèi)部的放大器將熱電堆電壓放大。

　　熱電偶或熱電堆傳感器，接點必也是兩個不同金屬材質(zhì)相接，也會產(chǎn)生西貝克效應(yīng)。所以當(dāng)在操作環(huán)境溫度與待測溫度一樣時，則熱電偶產(chǎn)生出電壓為零，則需做熱電偶的冷接點補償(Cold-Junction Compensation)，而通常會用熱敏電阻作為內(nèi)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(nèi)的熱敏電阻值，再去轉(zhuǎn)換出溫度值，做熱電堆傳感器的冷接點補償。

　　▲ 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(nèi)部Δ-Σ模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器(Delta-Sigma Analog to Digital Converter)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。而Δ-Σ模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點就是精確度及分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、較無外圍電路。最后HY11P14將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)計算出該溫度值及時鐘，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(shù)據(jù)，計算機可透過USB接口讀取數(shù)據(jù)。

三、電路圖：