Component - Thermocouple V1.20 - Chinese

PSoC®CreatorTM 组件数据手册
热电偶温度计算器
1.20
特性



支持 B、E、J、K、N、R、S 和 T 型热电偶温度计算器
提供热电势到温度的转换以及温度到电压的转换功能
显示计算误差与温度的关系图
概述
在热电偶温度测量中,热电偶的温度是基于测量的热电势电压而计算得出的。美国国家标准与技
术研究院(NIST)描述了电压到温度转换的特征,并提供了表格和多项式系数,用于进行热电势
到温度的转换。NIST 的表格和多项式系数可在以下链接中找到:
http://srdata.nist.gov/its90/download/download.html
热电偶温度测量还涉及测量热电偶参考结温度以及将其转换为电压。热电偶温度计算器组件,通
过使用编译时生成的多项式为上述提到的所有热电偶类型的热电势到温度的转换以及温度到热电
势的转换提供 API,简化了热电偶温度测量过程。热电偶组件以高效的方式评估多项式以减少计算
时间。
何时使用热电偶温度计算器
该组件只有一个用例。组件提供的 API 用于将热电势转换为温度以及将温度转换为热电势。
输入/输出接口
该组件是一个软件组件,没有任何输入/输出接口。
赛普拉斯半导体公司• 198 Champion Court • San Jose,CA 95134-1709 • 408-943-2600
文档编号:001-87202 版本*A
修订日期 January 21, 2015
热电偶温度计算器
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参数和设置
将热电偶温度计算器组件拖入您的设计中,双击它以打开 Configure(配置)对话框。该对话框有
一个选项卡,可引导您完成热电偶温度计算器组件的设置过程。
General(常规)选项卡
General 选项卡提供以下参数。
Thermocouple Type(热电偶类型)
该字段允许用户选择热电偶类型。
Calculation error budget(计算误差预算)
鉴于多项式计算,用户选择允许的最大误差。该参数是针对高于-200 °C 的温度的误差。
Temperature Error Vs Temperature(温度误差与温度)图形
该图形显示热电偶类型和多项式的温度误差与温度之间的关系。
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热电偶温度计算器
Polynomial(多项式)
显示 GetTemperature() API 中的计算所使用的多项式阶次。
使用了三种类型的多项式:



NIST(由美国国家标准与技术研究院提供)
七阶多项式(NIST 多项式的近似)
五阶多项式(NIST 多项式的近似)
多项式的类型是基于选定的误差预算而选择的。将选择其最低阶不会超过误差预算的多项式。
CPU cycles(CPU 周期)
显示为计算选定的多项式而使用的 CPU 周期总数的估算值。
Max error(最大误差)表格
该表格包含选定的热电偶类型和多项式在给定温度范围内的最大温度误差。
应用编程接口(API)
通过应用编程接口(API)函数,您可以使用软件对组件进行配置。下表列出并说明了每个函数的
接口。以下各节将更加详细地介绍每个函数。
默认情况下,PSoC Creator 将实例名称“Thermocouple_1”分配给指定设计中组件的第一个实
例。您可以将其重新命名为任何一个符合标识符语法规则的唯一值。该实例名称成为每个全局函
数名称、变量和常量符号的前缀。为增加可读性,下表中使用了实例名称“Thermocouple”。
函数
说明
int32 Thermocouple_GetTemperature(int32 voltage)
根据热电势(单位为μV)计算温度
int32 Thermocouple_GetVoltage(int32 temperature)
计 算 给 定 温 度 ( 单 位 为 1/100ths 摄 氏 度 ) 下 的 电
压。用于基于冷结处的温度计算冷结补偿电压。
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热电偶温度计算器
int32 Thermocouple_GetTemperature(int32 voltage)
说明:
根据热电势(单位为μV)计算温度。
参数:
电压,单位为μV。
返回值:
温度,单位为1/100ths摄氏度
其他影响:
无
int32 Thermocouple_GetVoltage(int32 temperature)
说明:
计算给定温度(单位为1/100ths摄氏度)下的电压。用于基于冷结处的温度计算冷结补偿
电压。
参数:
温度,单位为1/100ths摄氏度
返回值:
热电势,单位为μV。
其他影响:
无
MISRA 合规性
本节介绍了MISRA-C:2004合规性和本组件的偏差情况。定义了下面两种类型的偏差:


项目偏差 — 适用于所有 PSoC Creator 组件的偏差
特定偏差 — 仅适用于该组件的偏差
本节提供了有关组件特定偏差的信息。《系统参考指南》的“MISRA 合规性”章节中介绍了项目
偏差以及有关 MISRA 合规性验证环境的信息。
热敏电偶计算器组件没有任何特定偏差。
示例固件源代码
PSoC Creator 在“Find Example Project”(查找示例项目)对话框中提供了多种包括原理图和
示例代码的示例项目。要查看特定组件示例,请打开“Component Catalog”中的对话框或原理图
中的组件实例。要查看通用示例,请打开“Start Page”或 File 菜单中的对话框。根据要求,可
以通过使用对话框中的 Filter Options 选项来限制可选的项目列表。
更多有关信息,请参考《PSoC Creator 帮助》部分中主题为“查找示例项目”的内容。
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热电偶温度计算器
功能说明
1821 年,德国-爱沙尼亚物理学家 Thomas Seebeck 发现当两种不同的金属相接时,会发生如图
1(a)所示的情况,并且加热其中一个结时,整个回路中将出现连续的电流。当断开回路并测量它们
之间的电压(请见图 1(b))时,得到的电压与两个结之间的温差直接相关。在该现象中,由于两
种金属导体中的其中一个结进行了加热,因而产生了电压,该现象被称为热电效应或塞贝克
(Seebeck)效应。被加热的结称为热结或测量结。另一个结被称为冷结或参考结,产生的电压被
称为热电势。
图 1(a). 热电偶 — 塞贝克(Seebeck)效应
Metal 1
Junction 1
(Hot)
Junction 2
Metal 2
Metal 2
图 1(b). 热电偶 — 塞贝克(Seebeck)效应
Metal1
Junction 1
(Hot)
Junction 2
Metal2
Metal2
V
+
-
热电势取决于以下各项:



结处使用的金属
热结与冷结之间的温差
冷结温度的绝对值。即:100 °C 的热结温度与 0 °C 的冷结温度所产生的热电势将与
800 °C 的热结温度与 700 °C 的冷结温度所产生的热电势不一样,尽管两者的温差都是
100 °C。
根据所使用金属的类型,热电偶可以分为多个类型:热电偶的类型根据其工作温度范围和灵敏度
(每个温度的单位变化的电压变化,V/°C)而不同。IEC EN 60584-2 和 ASTM E230 两大主要标
准控制热电偶容差。器件标识符容差指定了由于将某个热电偶替换为同一类型的其他热电偶而产
生的最大误差。
表 1 列出了一些常见的热电偶类型及其金属组合、温度范围、灵敏度和符合 ASTM 标准的容差。
如表 1 所示,ASTM 建立了两种热电偶容差标准:标准和特殊。未定义整个温度范围的容差标
准。
美国国家标准与技术研究院(NIST)提供了所有热电偶类型在 0 °C 冷结下的热电势与热结温度数
据。由于 0 °C 温度下的热电势为 0,所以选择 0 °C 的冷结温度。冰浴通常可以提供 0 °C 的参考
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温度。NIST 提供了表格以及多项式系数用于将热电势转换为温度以及将温度转换为热电势。图 2
显示的是一个 K 型热电偶,其中一个结被加热,另一个结维持在 0 °C 状态;
图 3 下一页中的图 3 显示的是 K 型热电偶在 0 °C 冷结时热电势与热结温度间的图形。K 型热电偶
的灵敏度可以在 NIST 提供的表格中找到,温度 > -100 °C 时,它的灵敏度相当于 40 μV/°C。
图 2. 冷结处于 0 °C 的 K 型热电偶
Chromel
Junction 1
(Hot)
+
- V1
V2 = 0 +
Alumel
Junction 2
(0°C)
Alumel
+
V =V1
图 3. K 型热电偶的热电势与温度(冷结处于 0 °C)
冷结补偿
通过使用 ADC 测量热电势,我们可以轻松地确定温度。但是存在一个难点;冷结需要维持在 0 °C
才可使用 NIST 表格。提供冰浴不切实际,并且在大多数情况下,冷结处于室温环境中。如果冷结
温度不等于 0 °C,冷结也会产生热电势 V2,如图 4 所示,这会降低测得的电压,V。为了正确地
测量热结温度,冷结电压 V2 需要添加到最终电压 V 中。
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图 4. 冷结不处于 0 °C
Chromel
Junction 1
(Hot)
+
- V1
V2 +
Alumel
Junction 2
(ambient
temperature)
Alumel
+
V =V1 - V2
如果我们查到了冷结温度,可根据 NIST 表格计算电压 V2。因此,在冷结不处于 0 °C 的情况下,
需要测量冷结温度,并需要将与该温度对应的热电势添加到热电偶电压中。该程序被称为冷结补
偿。
可使用热敏电阻、RTD、二极管或基于 IC 的传感器进行冷结温度测量。(记住这些冷结温度测量
传感器之一不能构成热电偶, 因为它们不能用于测量很高的温度,或不能用于腐蚀性环境或恶劣
的环境。)
测量热电势
可以使用 ADC 测量热电势,将 ADC 的输入引线连接至热电偶,如图 5 所示。
图 5. 测量热电势
Chromel
Junction 1
(Hot)
+
- V1
V2 +
Alumel
Alumel
Junction 3 +V3
-
V4 + Junction 4
Copper
Junction 2
(ambient
temperature)
+
V =V1 - V2 + V3 - V4
-
Copper
ADC 的输入(铜质)引线构成了两个热电偶(铜-镍铝),从而向等式增加了两个电压 V3 和 V4。
V3 和 V4 方向相反;只要这两个热电偶处于同一温度,这两个电压就会相等。因此,我们需要确保
这两个铜-镍铝热电偶处于同一温度,这样热电势将保持不变。
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热电偶温度计算器
表 1. 热电偶类型
类型
B
正引线中的金属含量
负引线中的金属含量
温度范围
(°C)
25 °C 时的
灵敏度
(µV/°C)
容差(ASTM)
温度范围
标准
(°C)
特殊
93.9% Pt,6.1% Rh
0 – 1820
0
800 – 1700
0.5%
90%镍(Ni)
55%铜(Cu)
-270 – 1000
61
-200 – 0
1.7 °C 或 1%
10%铬(Cr)
45% Ni
0 - 900
1.7 °C 或 0.5%
1°C 或 0.4%
99.5%铁(Fe)
55% Cu,45% Ni
0 – 750
2.2 °C
1.1 °C 或 0.4%
70.4%铂(Pt)
29.6%铑(Rh)
E
J
-210 – 1200
52
或 0.75%
K
90% Ni
95% Ni
10% Cr
5%各种元素
-270 – 1372
41
-200 – 0
2.2 °C 或 2%
0 – 1250
2.2 °C
1.1 °C 或 0.4%
或 0.75%
N
84.4% Ni,14.2% Cr
1.4%硅
95.5% Ni,
4.4% Si
-270 – 1300
26
-270 – 0
2.2 °C 或 2%
0 – 1300
2.2 °C
1.1 °C 或 0.4%
或 0.75%
R
87% Pt,13% Rh
100% Pt
-50 – 1768
6
0 - 1450
1.5 °C
0.6 °C 或 0.1%
或 0.25%
S
90% Pt,10% Rh
100% Pt
-50 – 1768
6
0 – 1450
1.5 °C
0.6 °C 或 0.1%
或 0.25%
T
100% Cu
55% Cu,45% Ni
-270 – 400
41
-200 – 0
1 °C 或 1.5%
0 – 350
1 °C 或 0.75%
0.5 °C 或 0.4%
资源
该组件完全在固件中实现。它不会消耗任何其他 PSoC 资源。
API 的内存使用情况
根据编译器、器件、所使用的 API 数量以及组件的配置不同,组件对存储资源的占用也不一样。
下表提供了在某种组件配置中所有 API 占用存储器的大小。
下表中的存储器大小是在将相应编译器设置为 Release(释放)模式并且优化选项为 Size 的情况
下测得的。有关特定的设计,可分析编译器生成的映射文件以确定存储器使用情况。
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PSoC 3 (Keil_PK51)
配置
PSoC 4 (GCC)
PSoC 5LP(GCC)
Flash
SRAM
Flash
SRAM
Flash
SRAM
字节
字节
字节
字节
字节
字节
B 型热电偶
644
0
420
0
436
0
E型热电偶
664
0
432
0
440
0
J型热电偶
636
0
408
0
428
0
K型热电偶
664
0
428
0
428
0
N型热电偶
811
0
528
0
556
0
R型热电偶
823
0
532
0
556
0
S型热电偶
807
0
516
0
528
0
T型热电偶
640
0
408
0
416
0
性能
该组件的性能取决于自定义程序中选择的实现方法。使用 Release 模式中的相应编译器和 24 MHz
的 CPU 速度收集以下测量值。这些数字应视为近似值,并应用于确定必要的权衡。
GetTemperature API
NIST 多项式
类型
B
E
J
K
电压范围(mV)
温度范围(°C)
多项式阶次
CPU周期数
CPU周期数
(PSoC 3)
(PSoC 4/PSoC 5LP)
0.033 ~ 0.291
100 ~ 250
7
7900
270
0.291 ~ 2.431
250 ~ 700
8
8500
270
2.431 ~ 13.820
700 ~ 1820
8
8500
270
-9.718 ~ -8.825
-250 ~ -200
9
9100
310
-8.825 ~ 0
-200 ~ 0
8
8500
310
0 ~ 76.373
0 ~ 1000
8
8500
310
-8.095 ~ 0
-210 ~ 0
8
8500
270
0 ~ 42.919
0 ~ 760
7
7900
270
42.919 ~ 69.553
760 ~ 1200
5
6700
270
-5.891 ~ 0
-200 ~ 0
8
8500
310
0 ~ 20.644
0 ~ 500
9
9100
310
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热电偶温度计算器
类型
N
R
S
T
电压范围(mV)
温度范围(°C)
多项式阶次
CPU周期数
CPU周期数
(PSoC 3)
(PSoC 4/PSoC 5LP)
20.644 ~ 54.886
500 ~ 1372
6
7300
310
-4.313 ~ -3.990
-250 ~ -200
9
9100
310
-3.990 ~ 0
-200 ~ 0
9
9100
310
0 ~ 20.613
0 ~ 600
7
7900
310
20.613 ~ 47.513
600 ~ 1300
5
6700
310
-0.226 ~ 1.923
-50 ~ 250
10
9700
340
1.923 ~ 13.228
250 ~ 1200
9
9100
340
13.228 ~ 19.739
1200 ~ 1664.5
5
6700
340
19.739 ~ 21.103
1664.5 ~ 1768.1
4
6100
340
-0.235 ~ 1.874
-50 ~ 250
9
9100
310
1.874 ~ 11.950
250 ~ 1200
9
9100
310
11.950 ~ 17.536
1200 ~ 1664.5
5
6700
310
17.536 ~ 18.693
1664.5 ~ 1768.1
5
6700
310
-6.180 ~ -5.603
-250 ~ -200
7
7900
240
-5.603 ~ 0
-200 ~ 0
7
7900
240
0 ~ 20.872
0 ~ 400
6
7300
240
7 阶和 5 阶多项式
多项式阶次
CPU周期数(PSoC 3)
CPU周期数(PSoC 5LP)
7
7900
240
5
6700
170
GetVoltage API
类型
温度范围(°C)
多项式阶次
CPU周期数(PSoC 3) CPU周期数(PSoC 4/PSoC 5LP)
B
0到100
6
7300
2000
E
-20到100
8
8500
270
J
-20到100
7
7900
240
K
-20到100
8
8500
270
N
-20到100
8
8500
270
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类型
温度范围(°C)
热电偶温度计算器
多项式阶次
CPU周期数(PSoC 3) CPU周期数(PSoC 4/PSoC 5LP)
R
-20到100
7
7900
240
S
-20到100
7
7900
240
T
-20到100
8
8500
270
组件更改
本节列出了该组件各版本中的主要更改内容。
版本
更新内容
更改原因/影响
1.20.a
更新了数据手册。
移除了已停产的PSoC 5器件的参考内容。
1.20
更新了数据手册中的存储器使用情况和MISRA合规性。
该组件未进行MISRA合规性验证。
1.10.a
更新了数据手册中的存储器使用情况和PSoC 4的性能。
1.10
添加了“MISRA 合规性”章节
该组件未通过MISRA合规性验证。
添加了“示例固件源代码”章节
1.0
版本 1.0 是热电偶温度计算器器件的首次发行版
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产品使用可能受适用于赛普拉斯软件许可协议的限制。
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