數字儀表設計-複合式數字溫度計

一、 前言：

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　　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)：通常應用在人體感應

　　在工業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、量測範圍大、量測面積小，但並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時間)，所以就會採用熱電堆溫度傳感器。本文將介紹紘康科技HY11P14混合信號處理器(Mixed-Signal Microcontroller)，實現熱電偶及熱電堆溫度傳感器的多種溫度傳感器量測複合設計。

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，都是利用兩個不同金屬材質相接後產生西貝克效應(Seebeck Effect)電壓。當傳感器在環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，感應熱電溫度傳感器的環境溫度，並反推加上熱電溫度傳感器對應電壓，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.)規範，定義很多種不同金屬材質相接組合，其產生電壓及量測範圍也不同;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都會放射出紅外線的熱幅射量，而此幅射量乃是由物質的溫度高低所控制決定。當溫度高的物質所幅射出的紅外線能量就會越高，紅外線能量與物質溫度成正比。此外每個物質的放射率也有所不同，所以在量測時需乘上放射率的係數。

物質的放射率(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
不鏽鋼 (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
厚塗層	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：乾燥	0.92	20
溼潤	0.95	20
水：純水	0.96	-10
冰的平面	0.96	-10
冰的結晶	0.98	-10
雪	0.85	20
木：橡樹木板	0.90	20

　　熱電堆傳感器(Thermopile Sensor)內部主要是由濾波鏡片、熱電堆晶片、熱敏電阻材質組成。濾波鏡片功能是將熱幅射頻波以外的頻波過濾，熱電堆晶片是由許多組熱電偶串聯，它的結構像派(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相接後產生西貝克效應(Seebeck Effect)，當電偶的兩端有溫度差產生時，此熱電偶便會產生出電壓差，其電壓大小正比於電偶兩端的溫度差，但熱電偶產生出電壓非線性。

　　工業用紅外線溫度計通常待測溫度及操作環境溫度都比較廣，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，由於希望量測的溫度準確度高，所以必須將量測的範圍越小越好，故加鏡片焦距，通常會採用菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)。當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製造商網站或向代理商詢問。

　　由於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，本文採用紘康科技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，接點必也是兩個不同金屬材質相接，也會產生西貝克效應。所以當在操作環境溫度與待測溫度一樣時，則熱電偶產生出電壓為零，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。本文採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模擬數位訊號轉換器(Delta-Sigma Analog to Digital Converter)將模擬信號轉換成數位訊號。而Δ-Σ模擬數位訊號轉換器的最大優點就是精確度及解析度高、轉換速度快、較無外圍電路。最後HY11P14將數字數據計算出該溫度值及時鐘，再顯示於LCD面板上，並可將資料儲存至EEPROM，及經由Silicon Laboratories CP2110接收HY11P14的UART所送出的溫度數據，計算機可透過USB接口讀取數據。

三、 電路圖：

四、 參考數據：

　　 紅外線傳感器應用, 紘康科技產品應用說明書

　　 HY11P12熱電偶測溫, 紘康科技產品應用說明書

五、 晶片製造商：

　　紘康科技(HYCON Technology)專注於溫度、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…)，及工業控制等領域的相關晶片開發。

　　http://www.hycontek.com/

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