数字仪表设计-复合式数字温度计

作者：时间：2012-08-23来源：电子产品世界收藏

一、前言：

本文引用地址：http://count.eepw.com.cn/count/doRedirect?http://www.eepw.com.cn/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
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
喷漆：白	0.92	100
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：