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数字温度计的类型以及热电阻和热电堆如何计算温度的基本概念

来源:发表时间:2019-07-25


      摘要:本应用笔记先容了数字温度计的类型以及热电阻和热电堆如何计算温度的基本概念。还讨论了自然对数与查找表的使用,设计者为更快的计算和准确性所做的权衡,以及数字温度计所需的各种组件。
1.概观:
      医用温度计在37°C左右的小温度范围内测量人体温度。由于新技术可提供更快,更方便的测量以及传统温度计中汞的环境危害,数字温度计在过去10到15年间一直在取代汞棒温度计。探头和耳朵类型是市场上的两种主要数字温度计,其中前额类型作为其他替代品出现。探头类型的使用方法与传统的水银棒温度计相同,可测量口腔,直肠或有时腋下的温度。耳式是非接触式温度计,用于测量耳道辐射的红外能量。


2.测量:
      探头式温度计通常在探头尖端使用热电阻来测量温度。热电阻是一种电阻,其电阻随温度变化。由热电阻与精密电阻串联组成的分压器由参考电压驱动,并在中点处单端测量或在热电阻上差分测量。有时在单独的电路中使用额外的精密电阻以及相同的参考电压,以消除由于参考电压随时间漂移而引起的误差。如果热电阻分压电路和模数转换器(ADC)使用相同的参考电压,则不需要精密校准电阻。在这种情况下,从温度计算中消除参考电压,从而简化了参考要求。
      热电阻需要涉及自然对数的计算,这会在微控制器中消耗大量的计算周期和代码空间。或者,可以使用查找表来计算温度,这种方法通常会导致更快的计算和更紧凑的代码。但是,在表的大小和表条目之间的插值误差之间存在折衷,其中增加表中的点数将减少插值误差。具有12位或更多位的ADC足以进行此测量,并且根据测量范围和所需精度,增益级是可选的。数字温度计的功能框图。


      耳式温度计使用热电堆和热电阻来测量温度。热电堆由多个串联的热电偶组成,以增加输出电压。热电堆产生的输出电压与吸取的能量成比例。它们使用黑体辐射原理,任何高于绝对零度的物体都会辐射能量。在这种情况下,正在测量红外光谱。来自耳道的红外辐射被聚焦并被引导到热电堆上,其低电平电压输出被放大并由具有12位或更高分辨率的ADC转换。热电阻测量热电堆的冷端温度,热电堆和热电阻测量值用于计算体温;前额型温度计使用相同的技术测量红外辐射:他们只是从身体的不同位置测量它。一个专门的额头温度计,称为时间温度计,测量前额颞动脉的温度和环境温度,然后使用这些温度来计算体温。
      数字温度计比水银温度计快得多。有时,热电阻会被预热,以便更快地达到最终温度。通常,预测算法用于确定温度。该算法不是等待温度传感器完全稳定,而是根据测量周期开始时的响应和热电阻的特性来预测最终温度。
3.能源管理:
      探针式温度计通常使用纽扣电池或两个纽扣电池,而耳式温度计通常使用纽扣电池或两节AAA碱性电池。两种温度计类型都可以直接从电池或升压开关调节器运行,具体取决于所选的电路。一些前额型温度计使用9V晶体管电池,因此需要降压开关稳压器或线性稳压器。低关断电流以及在不使用时关闭开关稳压器的能力对于此应用中的长电池寿命至关重要。如果电池电压低于微控制器的安全工作电压,电压监控器可以监控电池并为微控制器提供复位。此外,ADC的额外输入可以测量电池,以便警告用户很快需要更换电池。
4.声音指标:
      声音指示器用于指示温度计何时可以使用和/或何时完成测量。这通常是单端或差分驱动的蜂鸣器来自微控制器的定时器输出。
5.显示和背光:
      所有数字温度计都使用简单的LCD显示屏,可由带有集成驱动器的微控制器驱动。背光可以通过使用由分立LED驱动器驱动的单个白色LED(WLED)或电致发光(EL)片和驱动器来实现。

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