熱電偶溫度傳感器硬件系統的設計 - 2019-04-03- 熱電偶溫度傳感器硬件系統的設計集成溫度傳感器AD 590及其應用AD 590是AD公司利用PN結構的正向電流與溫度的關系制作的一種電流輸出型雙端溫度傳感器。介紹了AD 590的功能和特點。分析了AD 590的工作原理。給出了AD 590的設計。溫度傳感器具有廣泛的用途和大量的傳感器，在各種傳感器中排名第一。溫度傳感器的發展經歷了以下三個階段：1.傳統的離散溫度傳感器(包括敏感元件)，主要能夠在非電和功率之間切換。2.模擬集成溫度傳感器/控制器。3.智能溫度傳感器目前，國際上新型的溫度傳感器正從模擬數字、集成化、網絡化向智能化方向發展。溫度傳感器的分類根據傳感器與被測介質的接觸方式，將溫度傳感器分為兩類：一種是接觸式溫度傳感器，另一種是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象有良好的熱接觸，熱平衡是根據熱傳導和對流原理實現的。這是要測量的物體的溫度。該測溫方法精度高，能夠測量物體內部的溫度分布。但是，這種方法對于運動、熱容小、對溫度敏感元件有腐蝕作用的物體會產生很大的誤差。非接觸式測溫的測溫元件不與被測物體接觸。常用的是輻射換熱原理。這種測量穩定性的方法的主要特點是可以測量運動的小目標和具有小或快速熱容的物體。它們也可以測量溫度場的溫度分布，但它們更受環境的影響。溫度傳感器的研制1.傳統離散溫度傳感器-熱電偶傳感器熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的溫度傳感器。它與被測試對象直接接觸。它不受中間介質的影響，精度高。測量范圍寬，可連續測量-50~1600°C，特殊熱電偶如金、鐵-鎳鉻，最低可測-269℃，鎢-錸高達2800°C。2.模擬集成溫度傳感器集成傳感器采用硅半導體集成工藝制作，因此也稱為硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器誕生于20世紀80年代。它將溫度傳感器集成在一塊芯片上，完成溫度測量和模擬信號輸出。模擬集成溫度傳感器具有功能單一(只測量溫度)、溫度測量誤差小、價格低廉、響應快、傳輸距離長、體積小、功耗小等特點，適用于長距離溫度測量，不需要無變形線性校準，外圍電路簡單。2.1光纖傳感器光纖測溫原理光纖測溫技術可分為兩類：一種是利用輻射測量原理，利用光纖作為傳輸光通量的導體，用光敏元件構成結構傳感器；二是光纖本身是溫度傳感元件，是發射光通量的功能傳感器。。該光纖具有良好的靈活性、寬的光譜范圍和低的傳輸損耗。方便現場使用或遠程傳輸，光纖直徑小。它可以用于單、束、Y或陣列模式。結構簡單，體積小。。因此，作為一種溫度計，適用的測試對象幾乎包羅萬象，可用于其他溫度計難以應用的特殊場合，如密封、高壓、強磁場、核輻射、嚴格的防爆、防水、防腐、空間特別小或特小。工件等等。目前光纖測溫技術主要有總輻射測溫法、單輻射測溫法、雙波長測溫法和多波長測溫法等。2.1.1總輻射測溫總輻射測溫是用普朗克定律測量全波段輻射能的方法：由于來自周圍背景的輻射、測試距離、吸收、發射和傳輸介質的影響，周圍背景的變化會嚴重影響精度。同時，發射率也很難預測。然而，由于高溫計結構簡單、操作方便、自動測量、溫度范圍寬等優點，在工業中被普遍用作固定溫度監測裝置。這種光纖溫度計的測量范圍一般為600~3000℃，最大誤差為16°C。2.1.2單輻射測溫從黑體輻射定律可知，物體在一定溫度下的單色輻照度是溫度的單值函數，單色輻射的生長速度比溫度快得多，通過測量單個輻射的亮度可以得到溫度信息。在通常的溫度和波長范圍內，單色輻射用Wien公式表示：2.1.3雙波長溫度測量雙波長溫度測量方法利用不同工作波長的兩個信號比與溫度之間的單值關系來確定物體的溫度。這兩個信號的比率如下：在實際應用中，測量R(T)后，通過查表得到溫度T。同時，適當地選擇了λ1和λ2，使被測對象在兩個特定的波段中近似等于ε(λ1，T和ε(λ2，T)，并且可以得到目標的真實溫度，而不管發射率如何。該方法響應快，不受電磁感應影響，抗干擾能力強.特別是在粉塵和煙霧等惡劣環境下，它在測量目標不充滿視場的運動或振動物體的溫度方面具有優勢。但是，由于它假設兩個波段的發射率相等，只有灰度體是滿意的，因此在實際應用中受到了限制。這種儀器的溫度范圍一般在600~3000℃，精度可達2°C。2.1.4多波長輻射溫度測量多波長輻射溫度測量方法利用目標的多光譜輻射測量信息，對數據進行處理，得到材料的真實溫度和光譜發射率?？紤]到多波長高溫計有n個通道，第一通道的輸出信號Si可以表示為：將公式(9)-(13)與公式(8)相結合，求解方程的方法是求得溫度T和光譜發射率。1988年，Coates[8，9]討論了在方程(9)和(10)假設下的多波長高溫計數據擬合方法和精度問題。1991年，Mansoor[10]總結了多波長高溫計的數據擬合方法和精度問題.該方法具有較高的精密度。目前，Hiernon等人。歐洲聯盟和美國聯合研究小組研究了亞毫米6波長高溫計(圖4)用于測量2000-5000 K的真實溫度[11]。哈爾濱工業大學研制了一種棱鏡光譜35波長高溫計，用于燒蝕材料的真實溫度測量。多波長高溫計在測量真實溫度方面顯示出了巨大的潛力.多波長高溫測量是測量高溫和超高溫真實溫度的一種很有前途的儀器，特別是對瞬態高溫物體來說更是如此。該儀器具有較寬的溫度范圍，可用于600~5000℃溫度范圍內的真溫度測量，精度為±1%。2.1.5結論光纖技術的發展為非接觸式溫度測量在生產中的應用提供了非常有利的條件。光纖測溫技術解決了熱電偶和傳統紅外測溫儀無法解決的許多問題。在高溫領域，光纖測溫技術正顯示出越來越強的生命力。全輻射溫度測量方法測量整個波段的輻射能量以獲得溫度。周圍背景的輻射、介質吸收速率的變化以及輻射εT的預測都給測量帶來了困難，難以達到較高的精度。單輻射測溫方法選擇的波段越窄，越好，但帶寬太窄，使得探測器接收到的能量變得太小，影響了其測量精度。多波長輻射溫度測量是一種非常精確的測量方法，但測量過程復雜，成本高。這是很難推廣和應用的。雙波長測溫方法采用波長窄帶比較技術，克服了上述方法的諸多不足。在極其苛刻的條件下，如煙塵、蒸汽、顆粒等，目標表面發射率在目標表面發射率條件下仍可改變。獲得更高的精度2.2半導體吸收型光纖溫度傳感器是一種光透射型光纖溫度傳感器。所謂光纖溫度傳感器，是指在光纖傳感系統中，光纖僅作為光波的傳輸路徑，而其它敏感元件如光學或機械元件則用來檢測被測溫度的變化。這類光纖主要采用具有數值孔徑和大芯徑的階梯多模光纖。因為它使用光纖傳輸信號，所以它也有光纖。該傳感器具有電絕緣、抗電磁干擾、安全防爆等優點，適用于傳統傳感器無法測量的現場。其中，半導體吸收光纖溫度傳感器是其中較為深入的研究之一。該半導體吸收光纖溫度傳感器由半導體吸收器、光纖、光發射器和包括光電探測器的信號處理系統組成。體積小，靈敏度高，操作可靠，制造方便，無雜散光損失。因此，在高壓功率器件的溫度測量等特殊場合具有重要的應用價值。半導體吸收光纖溫度傳感器的溫度測量原理該半導體吸收光纖溫度傳感器是利用半導體材料的吸收光譜特性作為溫度函數來實現的。研究表明，半導體的禁帶寬度為20~972 K。溫度T關系式3.智能溫度傳感器智能溫度傳感器(也稱為數字溫度傳感器)于20世紀90年代中期問世.它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的產物。目前，國際上已開發出多種智能溫度傳感器產品。智能溫度傳感器內部包括溫度傳感器、A/D傳感器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。一些產品還配備了多路復用器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器可以輸出溫度數據和相關的溫度控制，適應各種單片機(MCU)，通過軟件實現測試功能，即智能依賴于軟件開發水平。3.1數字溫度傳感器。隨著科學技術的不斷進步和發展，溫度傳感器的種類越來越多。數字溫度傳感器在與模擬傳感器和微處理器接口時，更適合于信號調理。電路和A/D轉換器的優點廣泛應用于各種溫度控制系統，如工業控制、電子溫度計和醫療器械等。其中，典型的數字溫度傳感器有DS 1820、MAX 6575、DS 1722、MAX 6635等。首先介紹DS 1722的工作原理。1.DS 1722的主要特點DS 1722是一種低成本、低功耗、三總線數字溫度傳感器.主要特性如表1所示。2.DS 1722的內部結構數字溫度傳感器DS 1722可在8引腳的m-SOP封裝和8引腳SOIC封裝中使用.如圖1所示。它由四個主要部件組成：精密溫度傳感器、模擬數字轉換器、SPI/三線接口電子器件和數據寄存器。內部結構如圖2所示。當電源打開時，DS 1722處于斷電狀態。開機后，用戶將寄存器分辨率更改為連續轉換溫度模式或單轉換模式。在連續轉換模式下，DS 1722連續轉換溫度，并將結果存儲在溫度寄存器中。讀取溫度寄存器的內容不影響其溫度轉換。在單一轉換模式下，DS 1722執行溫度轉換，并將結果存儲在溫度寄存器中?；氐疥P閉模式，這種轉換模式適合于溫度敏感的應用。在應用程序中，用戶可以設置分辨率寄存器以實現不同的溫度分辨率。其分辨率為8位、9位、10位、11位或12位，相應的溫度分辨率為1.0°C。在0.5°C、0.25°C下，溫度轉換結果的默認分辨率為9位。0.125°C或0.0625°C，DS 1722有兩個通信接口：摩托羅拉串行接口和標準三線接口。用戶可以通過SERMODE引腳選擇通信標準。DS 1722溫度操作方法傳感器DS 1722將溫度轉換為數字量，并以二進制補碼格式將其存儲在溫度寄存器中。溫度寄存器中地址01H和02h的數據可以通過SPI或三線接口讀取。輸出數據的地址如表2所示。表3顯示了輸出數據的二進制形式與十六進制形式之間的確切關系。在表3中，假設DS 1722被配置為12位分辨率.數據通過數字接口連續傳輸，MSB(最重要位)首先通過SPI發送，LSB(最小有效位)首先通過三條線路發送。4、DS 1722工作程序DS 1722的所有操作過程都是由SPI接口或三總線通信接口通過為狀態寄存器位置選擇合適的地址來完成的。表4顯示寄存器地址表，該表顯示DS 1722的兩個寄存器(狀態和溫度)的地址。1 SHOT是一個單步溫度轉換位，SD是一個關機位。如果SD位為“1”，則不執行連續溫度轉換。當將1 SHOT位寫入“1”時，DS 1722執行溫度轉換，并將結果存儲在溫度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中。1溫度轉換后，SHOT自動清除為“0”。如果SD位為“0”，則輸入連續轉換模式，DS 1722將繼續執行溫度轉換并將所有結果存儲在溫度寄存器中。雖然寫入1 SHOT位的數據被忽略，但用戶對該位具有讀寫訪問權限。如果SD被更改為“1”，則正在進行的轉換將一直持續到完成并存儲結果，然后設備將進入低功耗關閉模式。當傳感器啟動時，默認的1 SHOT位是“0”。R0、R1和R2是溫度分辨率位，如表5所示(x=任意值)。用戶可以讀寫對R2、R1和R0位的訪問。當電源處于默認狀態時，r2=“0”，r1=“0”，r0=“1”(9位轉換)。此時，通信端口保持活動狀態，用戶對SD位具有讀/寫訪問權，其默認值為“1”(關閉模式)。第二，智能溫度傳感器DS18B20的原理及應用。DS18B20是達拉斯半導體公司繼DS 1820之后研制的一種新型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它可以直接讀出測量的溫度，并能根據實際需要通過簡單的編程實現9~12位數的數字讀數。9位和12位數字量分別可在93.75 ms和750 ms內完成，從DS18B20讀取或寫入DS18B20的信息只需一行(單線接口)即可讀寫，溫度轉換功率由數據總線導出，總線本身也可以在不增加電源的情況下向附加DS18B20供電。 上一條: 各類熱電偶的使用壽命 下一條: 如何購買合格和合適的熱電偶？ 相關行業知識 如何選用包裝機熱切刀熱壓模具用單頭電熱管熱熔機熱熔設備專用單頭電熱管加熱棒加熱絲如何選擇高溫使用的單頭電熱管加熱棒電熱絲如何選用小管直徑微型單頭電熱管加熱棒加熱絲如何設計和計算單頭電熱管加熱棒電熱絲功率單頭電熱管加熱棒的發熱區設計和選擇單頭電熱管使用注意事項購買不銹鋼單頭電熱管參數范圍怎么選擇合適的單頭電熱管廠家帶內置熱電偶及單頭電熱管加熱棒結構和選型各類熱電偶的使用壽命熱電偶溫度傳感器在工業方面的應用熱電偶傳感器的工作原理與使用及熱阻的區別中國溫度傳感器的發展現狀RTD和白金RTD有什么區別？Pt 100鉑電阻顯示在0攝氏度時的熱阻有多大如何判斷熱電偶和熱敏電阻的質量如何區分J型熱電偶和K型熱電偶的正極和負極？無煙燒烤爐、無煙烤箱要進行哪些維護操作無煙燒烤設備的優勢 相關產品 插入式螺紋熱電偶不銹鋼翅片式方形電加熱管加熱板超軟線熱電偶限位片防震動單頭電加熱管K型測溫線涂布機遠紅外線陶瓷發熱器彈簧熱電偶爬寵陶瓷加熱燈寵物保暖電熱器外接高溫線電加熱管直接出線帶熱電偶單頭管 插入式螺紋熱電偶不銹鋼翅片式方形電加熱管加熱板超軟線熱電偶限位片防震動單頭電加熱管K型測溫線涂布機遠紅外線陶瓷發熱器彈簧熱電偶爬寵陶瓷加熱燈寵物保暖電熱器外接高溫線電加熱管直接出線帶熱電偶單頭管