熱電偶測溫,如何“一鍵”實現(xiàn)?
現(xiàn)代電子產(chǎn)品、工廠設(shè)備,溫度檢測無處不在——
本文引用地址:http://2s4d.com/article/202411/464344.htm穿戴設(shè)備中,人體溫度需要檢測;汽車中,電池溫度需要檢測;工廠中,鍋爐加熱需要檢測。
雖然測溫一件蠻簡單的事,但如果選錯溫度傳感器,是測不出來溫度的,你看豆豆可不就做錯了嗎——
# 0 1
「 幾種常用測溫方式 」
測溫的環(huán)境不同,而溫度傳感產(chǎn)品又多種多樣 ,這給工程師們制造了一些小麻煩。今天,針對測溫,我們就來整理幾種最常用的測溫方式。
01
熱敏電阻
這個電路符號就是熱敏電阻,在很多電路圖中都可以看到。
熱敏電阻是敏感元件的一類,電阻值會隨著溫度的變化而改變。溫度越高電阻值越大就是正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC),相反,溫度越高電阻值越低就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。
在電路中,用上一個電阻就可以測溫,很明顯這樣的測溫方式成本低,尺寸小,應(yīng)用簡單。盡管熱敏電阻線性度較差,但在一些需要快速響應(yīng)和小尺寸的應(yīng)用場景中,依然能看到它的身影。
02
電阻溫度檢測器(RTD)
這是一種內(nèi)置某種金屬探頭,阻值隨著溫度的升高而增大或降低的溫度傳感器。雖然名字中也有電阻,但是它和熱敏電阻的區(qū)別還是很大的。RTD是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器之一,在一些需要高精度測溫的場合可以用RTD,但是RTD的響應(yīng)速度較慢,而且價格偏高。
03
集成(IC)溫度傳感器
這類測溫傳感器,大家最熟悉的就是DS18B20了。集成(IC)溫度傳感器是將溫度傳感器集成在一個芯片上,可完成溫度測量及信號輸出功能的專用IC。
集成(IC)溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等,適合遠(yuǎn)距離測溫、控測,不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn),外圍電路簡單。
集成(IC)溫度傳感器按輸出信號類型可分為模擬集成溫度傳感器(LM35) 和數(shù)字集成溫度傳感器(DS18B20)兩種。
04
熱 電偶傳感器
熱電偶測溫是兩種不同成分的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度差時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢,根據(jù)熱電動勢的大小可以計算出兩端的溫度差。
熱電偶的一個優(yōu)勢是其無需外部供電。另外,熱電偶還有測溫范圍寬、適應(yīng)各種大氣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)是測量精度不高,所以在高精度的測量和應(yīng)用中通常不會選擇熱電偶。
這里我們整理了幾種測溫方式的優(yōu)缺點(diǎn):
# 0 2
「 熱電偶測溫 」
上面介紹的四種測溫方式,都有其應(yīng)用場景。熱敏電阻、RTD以及IC溫度傳感器,這三種是我們硬件工程師比較常用的,而熱電偶由于常在工業(yè)應(yīng)用“大顯身手”,有些小伙伴不是很了解,接下來就重點(diǎn)學(xué)習(xí)下熱電偶測溫吧。
前面說了熱電偶的測溫原理,這是源自于“ 塞貝克效應(yīng) ”。把兩種不同材料的導(dǎo)體焊接在一起,形成一個閉合回路。把其中一個端,可以稱為工作端或測量端,處于高溫環(huán)境中,而另一個端,也就是冷端或參考端,處于較低溫度的環(huán)境中時,兩端之間就會產(chǎn)生電動勢。通過測量這個電動勢的大小,可以推算出熱電偶工作端所處的溫度。
這兩種不同成分的材料連接是標(biāo)準(zhǔn)的,根據(jù)采用的兩種材料的不同,熱電偶可分為K型熱電偶、S型熱電偶、E型熱電偶、N型熱電偶、J型熱電偶等等。
每種熱電偶都有一個分度表,就是參考端是0℃的時候,測量端溫度對應(yīng)的熱電動勢標(biāo)準(zhǔn)值,從分度表可以看出電壓信號是mV級,很小。
在實際應(yīng)用中,由于熱電偶參考端溫度不可能保持在0℃不變,也不可能固定在某一個溫度不變,而由于熱偶電勢又與參考度溫度有關(guān),如果參考端溫度變化,必然會引起測量誤差。為了消除這種誤差,須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。
如何進(jìn)行冷端補(bǔ)償呢?即使沒有用過熱電偶的人應(yīng)該也想到,可以用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶延長到環(huán)境溫度變化較穩(wěn)定的地方,又或者把熱電偶處在恒定0℃的容器中。有一些電子基礎(chǔ)的人可能會想到采用電路補(bǔ)償,也就是專業(yè)的叫法電橋補(bǔ)償。
這幾種方式確實是可以讓熱電偶能測到正確的溫度,但是實施起來,有一些不便之處。 有沒有更方便的補(bǔ)償方式呢?有!
# 0 3
「 EPSH TCM 856測溫模塊 」
這個是原ADI老牌代理商世健開發(fā)的 EPSH TCM 856測溫模塊 ?,F(xiàn)在,世健已被WT文曄科技收購。
在這個測溫模塊中,用到了來自ADI的MAX31856,一款高精度、帶線性補(bǔ)償?shù)臒犭娕紨?shù)字轉(zhuǎn)換器,可以對任何類型熱電偶的信號進(jìn)行冷端補(bǔ)償和數(shù)字轉(zhuǎn)換,輸出以攝氏度為單位的數(shù)據(jù),允許讀取高達(dá)+1800°C 以及低至 210°C ( 取決于熱電偶類型)的溫度讀數(shù)。
前面要說到了熱電偶的熱電動勢只有mV級,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,MAX31856內(nèi)部集成了熱電偶測溫所需的外圍電路,內(nèi)置的輸入放大器和 ADC 對熱電偶的輸出電壓進(jìn)行放大和數(shù)字轉(zhuǎn)換,片內(nèi)溫度傳感器測量冷端溫度,然后利用內(nèi)部查找表 (LUT)確定所選熱電偶類型與冷端溫度對應(yīng)的 ADC 數(shù)值,再將熱電偶數(shù)值和冷端數(shù)值進(jìn)行求和,產(chǎn)生與冷端補(bǔ)償后的熱電偶溫度對應(yīng)的數(shù)值,并轉(zhuǎn)換成以 °C 為單位的輸出值,最后通過 SPI 接口將結(jié)果發(fā)送給 MCU,MCU 經(jīng) RS485將數(shù)據(jù)上傳到 PC 端。
MAX31856內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
# 0 4
「 熱電偶實測溫度 溫模塊 」
有了這個測溫模塊,再配合WT文曄開發(fā)的上位機(jī)軟件,就可以一鍵開啟測溫了。
1)硬件連接
通過電源接口輸入12-24v,或者通過USB TypeC 輸入 5V,給EPSH TCM 856供電;通過傳感器接口連接熱電偶;通過RS485 數(shù)字接口將模塊輸出連接至PC端。
2)軟件連接
打開上位機(jī)軟件,選擇對應(yīng)的串口:
3)配置主界面
根據(jù)功能有五個分區(qū),寄存器配置區(qū),實時冷端補(bǔ)償溫度,實時線性化熱電偶溫度也就是實際的溫度、錯誤狀態(tài),寄存器列表以及溫度的實時曲線圖。
對于熱電偶的一些功能配置,通過寄存器配置區(qū)配置就可以。這里有6個寄存器,分別代表不同的功能。通過鼠標(biāo)選擇,就可以把0或者1對應(yīng)寫入寄存器中。
WT文曄技術(shù)團(tuán)隊把這個寄存器配置直接模塊化,可視化了,功能、怎么配置一目了然。直接通過這個上位機(jī),就可以給板子發(fā)指令,修改內(nèi)部寄存器。這樣不僅可以減少學(xué)習(xí)寄存器的時間,還可以減少自己修改源碼而產(chǎn)生的問題,這樣簡單的操作,工程師是最喜歡了。在寄存器列表中,還能實時看到寄存器的值在變化。
4)讀取溫度
模塊對于溫度顯示有兩種:數(shù)值顯示和線性圖形。
通過上手測試,我們發(fā)現(xiàn)雖然熱電偶常常在工業(yè)設(shè)備、電力這些惡劣的環(huán)境里使用,但有了EPSH TCM 856這個測溫模塊,讓熱電偶測溫非常便捷,為工程師節(jié)省了很多時間。
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