® PSoC Creator™ 器件基本介绍 热电偶计算器 1.0 特性 支持 B、E、J、K、N、R、S 和 T 型热电偶计算器 提供热电势到温度的转换以及温度到电压的转换的功能 显示 Calculation Error Vs. Temperature（计算误差与温度）图形 概述 在热电偶温度测量中，热电偶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) 描述了电压到温度的转换特征，并提供表格和多项式系数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。热电偶计算器器件，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。热电偶器件以高效的方式评估多项式以减少计算时间。 何时使用热电偶计算器 此器件只有一个用例。器件提供的 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/输出连接 此器件是一个软件器件，没有任何输入/输出连接。 Cypress Semiconductor Corporation • 198 Champion Court • San Jose, CA 95134-1709 • 408-943-2600 Document Number: 001-84778 Rev. ** Revised November 22, 2012 热电偶计算器 ® PSoC Creator™ 器件基本介绍 参数和设置 将热电偶计算器器件拖入您的设计中，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计算器器件的设置过程。 一般选项卡 General（一般）选项卡提供以下参数。 热电偶类型 此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。这仅是针对高于 -200 °C 的温度的误差。 Temperature Error Vs Temperature（温度误差与温度）图形 此图形显示热电偶类型和多项式的温度误差与温度。 Page 2 of 10 Document Number: 001-84778 Rev. ** ® PSoC Creator™ 器件基本介绍 热电偶计算器 多项式 显示用于 GetTemperature() API 中的计算的多项式的阶次。 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（NIST 多项式的近似） 五阶（NIST 多项式的近似） 此多项式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 此表格包含选定的热电偶类型和多选项在给定温度范围内的最大温度误差。 应用程序编程接口 应用程序编程接口 (API) 子程序允许您使用软件配置器件。下表列出了每个函数的接口，并进行了 说明。以下各节将更详细地介绍每个函数。 默认情况下，PSoC Creator 将实例名称“Thermocouple_1”分配给提供的设计中的第一个器件实例。 您可以将其重命名为遵循标识符语法规则的任何唯一值。实例名称会成为每个全局函数名称、变 量和常量符号的前缀。出于可读性考虑，下表中使用的实例名称为“Thermocouple（热电偶）”。 函数 说明 int32 Thermocouple_GetTemperature(int32 voltage) 根据热电势（单位：μV）计算温度 int32 Thermocouple_GetVoltage(int32 temperature) 计算给定温度（单位：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。 Document Number: 001-84778 Rev. ** Page 3 of 10 ® 热电偶计算器 PSoC Creator™ 器件基本介绍 int32 Thermocouple_GetTemperature(int32 voltage) 说明： 根据热电势（单位：μV）计算温度。 参数： 电压，单位：μV。 返回值： 温度，单位：1/100ths 摄氏度 副作用： None int32 Thermocouple_GetVoltage(int32 temperature) 说明： 计算给定温度（单位：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：1/100ths 摄氏度 返回值： 热电势：单位：μV。 副作用： None 功能描述 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，如图 1(a) 所 示，且加热其中之一的结时，整个回路中将出现连续的电流。当回路断开且已测得之间的电压 （见图 1(b)）时，此测得的电压与两个结之间的温差直接相关。在此现象中，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，此现象被称为热电效应或 Seebeck 效应。被加热 的结被称为热结或测量结。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 – Seebeck 效应 Metal 1 Junction 1 (Hot) Junction 2 Metal 2 Metal 2 图 1(b). 热电偶 – 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 Page 4 of 10 Document Number: 001-84778 Rev. ** ® PSoC Creator™ 器件基本介绍 热电偶计算器 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不同于 800 °C 的热结温度与 700 °C 的冷结温度所产生的热电势，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。鉴于会使用同一类型的其他热电偶替换热电偶，容差指定最大误差。 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) 为所有热电偶类型提供了当冷结处于 0 °C 时的热电势与热结 温度数据。由于在 0 °C 时热电势为 0 V，因此选择 0 °C 的冷结温度为基准。冰浴通常提供 0 °C 的基准温度。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 显示了其中一个结在进行加热同时另一个结维持在 0 °C 的 K 型热电偶； 图 3 （下一页）显示了 K 型热电偶在冷结处于 0 °C 时的热电势与热结温度图形。K 型热电偶的灵 敏度可以在 NIST 表格中找到，当温度> -100 °C，它约为 40 μV/°C。 图 2. 冷结处于 0 °C 的 K 型热电偶 Chromel Junction 1 (Hot) + - V1 V2 = 0 + - Junction 2 (0°C) Alumel Alumel + V =V1 图 3. K 型热电偶的热电势与温度（冷结处于 0 °C） Document Number: 001-84778 Rev. ** Page 5 of 10 ® 热电偶计算器 PSoC Creator™ 器件基本介绍 冷结补偿 通过使用 ADC 测量热电势，我们可以轻易地确定温度。但是存在一个难点；冷结需要维持在 0 °C 以使用 NIST 表格。提供冰浴不切实际，而且在大多数情况下，冷结将处于环境温度中。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。 图 4. 冷结不处于 0 °C Chromel Junction 1 (Hot) + - V1 V2 + - Junction 2 (ambient temperature) Alumel 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，并需要将与此温度对应的热电势添加到热电偶电压中。此程序被称为冷结补 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。 Page 6 of 10 Document Number: 001-84778 Rev. ** ® PSoC Creator™ 器件基本介绍 热电偶计算器 表 1. 热电偶类型 热电偶类型 正导线中的金属含量 70.4% 铂 (Pt) B 负导线中的金属 含量 温度范围 (°C) 25 °C 时的灵 敏度 (µV/°C) 容差 (ASTM) 温度范围 (°C) 标准 特殊 93.9% Pt，6.1% Rh 0 – 1820 0 800 – 1700 0.5% 29.6% 铑 (Rh) 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% J 99.5% 铁 (Fe) 55% Cu，45% Ni -210 – 1200 52 0 – 750 2.2 °C 或 0.75% 1.1 °C 或 0.4% K 90% Ni 95% Ni -270 – 1372 41 -200 – 0 2.2 °C 或 2% 10% Cr 5% 各种元素 0 – 1250 2.2 °C 或 0.75% 84.4% Ni，14.2% Cr 95.5% Ni， 4.4% Si -270 – 1300 -270 – 0 2.2 °C 或 2% 1.4% 硅 0 – 1300 2.2 °C 或 0.75% 1.1 °C 或 0.4% R 87% Pt，13% Rh 100% Pt -50 – 1768 6 0 - 1450 1.5 °C 或 0.25% 0.6 °C 或 0.1% S 90% Pt，10% Rh 100% Pt -50 – 1768 6 0 – 1450 1.5 °C 或 0.25% 0.6 °C 或 0.1% T 100% Cu 55% Cu，45% Ni -270 – 400 41 -200 – 0 1 °C 或 1.5% 0 – 350 1 °C 或 0.75% E N 26 1.1 °C 或 0.4% 0.5 °C 或 0.4% 资源 在固件中完全实现此器件。它不会消耗任何其他 PSoC 资源。 API 内存使用情况 器件内存使用情况显著不同，取决于编译器、设备、使用 API 的数量以及器件配置。下表提供了 给定的器件配置中的所有 API 的内存使用情况。 使用配置成 Release（发布）模式的编译器进行了测量，此编译器使用了 Size（大小）的最佳设 置。有关特定的设计，可分析编译器生成的映射文件以确定内存使用情况。 PSoC 3 (Keil_PK51) 配置 热电偶 B 型 PSoC 5 (GCC) Flash （闪存） SRAM Flash （闪存） SRAM 字节 字节 字节 字节 710 0 336 0 Document Number: 001-84778 Rev. ** Page 7 of 10 ® 热电偶计算器 PSoC Creator™ 器件基本介绍 热电偶 E 型 730 0 344 0 热电偶 J 型 702 0 324 0 热电偶 K 型 730 0 340 0 热电偶 N 型 899 0 436 0 热电偶 R 型 911 0 464 0 热电偶 S 型 895 0 444 0 热电偶 T 型 706 0 324 0 性能 此器件的性能取决于自定义程序中选择的实现方法。使用配置成 Release （发布）模式的编译器 并以 24 MHz 的 CPU 速度收集以下测量。这些数字应视为近似值，并用于确定必要的权衡。 GetTemperature API NIST 多项式 热电偶类型 电压范围 (mV) 温度范围 (°C) 多项式阶次 CPU 周期 (PSoC 3) CPU 周期 (PSoC 5) B 0.033 到 0.291 100 到 250 7 7900 270 0.291 到 2.431 250 到 700 8 8500 270 2.431 到 13.820 700 到 1820 8 8500 270 -9.718 到 -8.825 -250 到 -200 9 9100 310 -8.825 到 0 -200 到 0 8 8500 310 0 到 76.373 0 到 1000 8 8500 310 -8.095 到 0 -210 到 0 8 8500 270 0 到 42.919 0 到 760 7 7900 270 42.919 到 69.553 760 到 1200 5 6700 270 -5.891 到 0 -200 到 0 8 8500 310 0 到 20.644 0 到 500 9 9100 310 20.644 到 54.886 500 到 1372 6 7300 310 -4.313 到 -3.990 -250 到 -200 9 9100 310 E J K N Page 8 of 10 Document Number: 001-84778 Rev. ** ® PSoC Creator™ 器件基本介绍 热电偶计算器 电压范围 (mV) 温度范围 (°C) 多项式阶次 CPU 周期 (PSoC 3) CPU 周期 (PSoC 5) -3.990 到 0 -200 到 0 9 9100 310 0 到 20.613 0 到 600 7 7900 310 20.613 到 47.513 600 到 1300 5 6700 310 -0.226 到 1.923 -50 到 250 10 9700 340 1.923 到 13.228 250 到 1200 9 9100 340 13.228 到 19.739 1200 到 1664.5 5 6700 340 19.739 到 21.103 1664.5 到 1768.1 4 6100 340 -0.235 到 1.874 -50 到 250 9 9100 310 1.874 到 11.950 250 到 1200 9 9100 310 11.950 到 17.536 1200 到 1664.5 5 6700 310 17.536 到 18.693 1664.5 到 1768.1 5 6700 310 -6.180 到 -5.603 -250 到 -200 7 7900 240 -5.603 到 0 -200 到 0 7 7900 240 0 到 20.872 0 到 400 6 7300 240 热电偶类型 R S T 七阶和五阶多项式 多项式阶次 CPU 周期 (PSoC 3) CPU 周期 (PSoC 5) 7 7900 240 5 6700 170 GetVoltage API 热电偶类型 温度范围 (°C) 多项式阶次 CPU 周期 (PSoC 3) CPU 周期 (PSoC 5) B 0 到 100 6 7300 200 E -20 到 100 8 8500 270 J -20 到 100 7 7900 240 K -20 到 100 8 8500 270 Document Number: 001-84778 Rev. ** Page 9 of 10 ® 热电偶计算器 PSoC Creator™ 器件基本介绍 N -20 到 100 8 8500 270 R -20 到 100 7 7900 240 S -20 到 100 7 7900 240 T -20 到 100 8 8500 270 器件更改 本节介绍器件与以前版本相比的主要更改。 版本 1.0 更改说明 更改/影响原因 版本 1.0 是热电偶计算器器件的首次发行版 © 赛普拉斯半导体公司，2012。此处所包含的信息可能会随时更改，恕不另行通知。除赛普拉斯产品的内嵌电路之外，赛普拉斯半导体公司不对任何其他电路的使用承担任何责任。也不根据专利 或其他权利以明示或暗示的方式授予任何许可。除非与赛普拉斯签订明确的书面协议，否则赛普拉斯产品不保证能够用于或适用于医疗、生命支持、救生、关键控制或安全应用领域。此外，对于 可能发生运转异常和故障并对用户造成严重伤害的生命支持系统，赛普拉斯不授权将其产品用作此类系统的关键器件。若将赛普拉斯产品用于生命支持系统中，则表示制造商将承担因此类使用而 招致的所有风险，并确保赛普拉斯免于因此而受到任何指控。 PSoC® 是赛普拉斯半导体公司的注册商标，PSoC® Creator™ 和可编程片上系统™ 是赛普拉斯半导体公司的商标。此处引用的所有其他商标或注册商标归其各自所有者所有。 所有源代码（软件和/或固件）均归赛普拉斯半导体公司（赛普拉斯）所有，并受全球专利法规（美国和美国以外的专利法规）、美国版权法以及国际条约规定的保护和约束。赛普拉斯据此向获许 可者授予适用于个人的、非独占性、不可转让的许可，用以复制、使用、修改、创建赛普拉斯源代码的派生作品、编译赛普拉斯源代码和派生作品，并且其目的只能是创建自定义软件和/或固件， 以支持获许可者仅将其获得的产品依照适用协议规定的方式与赛普拉斯集成电路配合使用。除上述指定的用途之外，未经赛普拉斯的明确书面许可，不得对此类源代码进行任何复制、修改、转换、 编译或演示。 免责声明：赛普拉斯不针对此材料提供任何类型的明示或暗示保证，包括（但不仅限于）针对特定用途的适销性和适用性的暗示保证。赛普拉斯保留在不做出通知的情况下对此处所述材料进行更 改的权利。赛普拉斯不对此处所述之任何产品或电路的应用或使用承担任何责任。对于可能发生运转异常和故障并对用户造成严重伤害的生命支持系统，赛普拉斯不授权将其产品用作此类系统的 关键器件。若将赛普拉斯产品用于生命支持系统中，则表示制造商将承担因此类使用而招致的所有风险，并确保赛普拉斯免于因此而受到任何指控。 产品使用可能受适用的赛普拉斯软件许可协议限制。 Page 10 of 10 Document Number: 001-84778 Rev. **