CN101210847A - 一种具有软关断功能的便携式测温装置 - Google Patents

Abstract

一种具有软关断功能的便携式测温装置。本发明属于温度计量领域，主要用于高温熔融金属的快速温度测量。该装置由热电偶测温头、补偿导线、内部带24位模数转换的单片机、滤波电路、热电偶冷端补偿电路、高亮度LED显示、高音量蜂鸣电路等组成。特点是实现了软关断电源保护电路，配合超低噪声、高抗干扰、低功耗电路设计，使得测量精度大幅度提高的同时，功耗大幅度降低。测量精度可以从正负2摄氏度提高到正负0.5摄氏度。充电池的使用寿命大幅度延长，单次充电的测量次数可以提高三倍以上。同时具有高亮度LED显示、大音量蜂鸣提示、大容量测量值自动存储、参数设置修改等功能。

Description

一种具有软关断功能的便携式测温装置

技术领域

本发明属于温度计量领域，主要用于高温熔融金属的温度测量。

背景技术

在冶金行业中，需要对高温熔融金属的温度进行快速精确测量。在这一领域中，虽然一些新型的测温方法和装置，如连续测温、光电测温等不断出现，但这些方法和装置存在使用成本高、测量精度和稳定性有待进一步提高等多种问题，目前仍无法取代传统的方便易用的热电偶测温装置。传统的热电偶测温装置通常由热电偶探头和热电势测量温度显示电路组成测温枪。这一测温枪主要包括带纸管保护且可更换的热电偶、补偿导线、滤波电路、低噪声前置放大电路、高精度模数转换电路、单片机、LED及其驱动电路、电池及其保护电路等组成。更新的产品通常包括用来存储测量值和参数的非易失性存储单元、蜂鸣提示电路等。

测温枪的主要指标是测温精度，比较好的产品的测温精度目前可以达到正负2摄氏度。由于热电偶的热电势只有微伏量级，测量环境又非常苛刻，比如高温、强干扰、高密度带电粉尘等，因此为了提高测量精度，需要精心设计测量电路。在前置放大中需要重点解决零点飘移，主要通过斩波自稳零运算放大器实现，例如ICL7650，但其中的斩波干扰和电阻阻值飘移直接限制了测量精度的提高。经过放大的信号经过模数转换电路转换为数字信号，送入单片机进行数字处理。测量过程复杂，较长的布线，测量电路本身存在输出对输入的干扰，数字信号对模拟信号的干扰，这样的测量电路要想把测量精度提高到2摄氏度以下是非常困难的。

现有技术中，中国专利号ZL01100013.9，公开了一种利用理想的温升曲线进行温度测量的快速预测型温度计。首先，因为在实际的高温熔融金属的温度测量过程中，温升曲线常常会严重偏离理想曲线，因此这方法预测的温度精确度会比较低。其次，其硬件电路采用了公知的，包括高输入阻抗、低噪声、低飘移的放大器，10位模数转换器，单片计算机和数码显示器组成的测量电路。即便采用传统热平衡温度判别法，这一测量电路用于高温熔融金属的温度测量精度将会远大于2摄氏度。元器件多，布线复杂，模数转换器精度低直接影响了其测量精度。

现有电路中的另一个问题是耗电量大，在使用频率高的工作环境下需要频繁对电池充电，给使用带来不便的同时，也减少了电池的使用寿命。耗电量大的主要原因来自于用于电池保护的继电器。继电器的所消耗的电量通常占整个仪器的耗电的绝大部分，同时也产生了严重的电磁干扰问题，影响了测量精度的进一步提高。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种具有软关断功能的便携式测温装置。采用高度集成的模拟数字混合电路作为整个装置的核心，充分利用其内部资源，将测温装置的绝大部分功能都在该集成电路内部实现，因为电路的高度集成化和高效化，大大减少了电路之间的相互干扰，使得测量精度大幅度提高，也大大降低了功耗。通过独特的低功耗电路设计，实现了电池保护的软关断功能，取代了用于电池保护的继电器电路，这不但大大降低了功耗，大幅度提高了电池的使用寿命，同时由于减少了一个重要的干扰源，使得测量精度获得了进一步提高。

本发明的具体解决方案是：

温度测量精度的提高。对于热电势测量电路，提高测量精度的关键首先是要减少飘移，包括零点漂移、放大倍率飘移、基准电压飘移。我们选用斩波自稳零电路抑制零点飘移；采用24位高精度模数转换器直接将热电偶产生的微伏电压信号变换成数字信号，可基本上消除元器件参数变化引起的放大倍率飘移，；采用高精度基准电压源作参考电源，通过温度监控对基准电压源进行温度修正；采用针对50Hz干扰进行抑制的SINC3数字滤波技术抑制50Hz工频干扰。采用二阶无源滤波电路同时对共模和差模干扰进行抑制。所有这些电路信号处理，基本上都在一片模拟数字混合电路内实现，避免了复杂电路布线引起的相互干扰。采用严格的地线处理技术，保证测量回路中没有干扰电流流过。

参数存储单元和测量数据存储。为了降低功耗，保证软关断功能的实现。我们没有外部扩展存储单元，而是在混合模拟数字电路内部的Flash存储单元开辟了8k能够进行擦写的数据存储空间。为了克服内部Flash擦写次数有限的问题，我们采用轮换写入的方法，减少每个Flash单元的擦写次数。将测量数据存储空间大小开辟为6k，这样一次就可以存储3000个数据，也将可擦写的次数增加了3000倍。参数采用多重备份，防止意外丢失。

LED显示驱动电路。采用了常用的动态扫描驱动电路，但是为了保证软关断功能的实现，我们采用了场效应管驱动电路，将关断电流减少至uA以下。

大音量蜂鸣器驱动电路。为了保证在只有5V电源供电的条件下，蜂鸣器发出的声音能够在嘈杂的工厂环境下清楚地被听到，同时又能保证能被软关断，我们采用场效应管驱动蜂鸣器，使问题得到圆满解决。

冷端补偿电路。采用方便易用的DS18B20进行冷端温度测量，对DS18B20进行筛选，同时保证它和补偿导线末端处于同一温度。

软关断电路。测量电路的电源通常采用充电电池。必须防止电池过分放电而造成损坏。为了保证在使用过程中在忘记关断电源开关的情形下损坏电池，电源电路中必须要加入继电器保护电路。其原理是在电源开关接通的短时间内单片机启动，并通过单片机给出继电器自锁信号，使继电器触点处于导通状态，测量电路开始工作，电源开关自动复位。测量完成后可以通过再次扳动电源开关让单片机给出取消自锁信号，从而使电源断开；也可以在延时一定时间后，由单片机自动给出取消自锁信号关断电源，从而避免电池的长时间放电而造成损坏。这一电源保护装置可以有效地保护电池，但也带来了一些较为严重的问题。首先继电器的工作电流通常远远大于测量电路其他部分所消耗的电流，继电器工作电流的典型值为500mA，通常超过测量电路其余部分功耗的十倍以上，也就是说电池的输出功率绝大部分都消耗在这一保护电路上了。其次，继电器在整个测量过程中都处于工作状态，通电线圈产生的电磁干扰对于精密的热电势测量电路的影响是不容忽视的，影响了测量精度的进一步提高。显然，探索用软关断技术取代这种硬关断方案，不但可以大大降低仪器公共，同时也可以有效地提高测量仪器的精度。软关断靠电路进入一个耗电非常小的停止状态来达到保护电池的目的。当这个软关断电流小于电池的自放电电流的时候，其电池的保护效果就会接近硬关断的水平。在单片式测量仪器中，如常用的数字万用表，基本上采用了电池软关断保护，但是在较为复杂的测量电路中，通常无法采用软关断保护，而采用硬关断保护。用于高温熔融金属的便携式测温装置，由于工作环境恶劣，高温、强干扰、高密度带电粉尘等，使得测量电路复杂，功耗大，传统仪器中因此均采用前面所述的硬关断电路进行电池保护。在前面的方案实现中，我们充分注意了软关断功能的实现。核心模数混合电路和冷端补偿电路均采用具有掉电模式的集成的电路，其它电路均能够采用场效应管实现，从而保证了软关断功能的实现。

附图说明

图1是本发明实施例的硬件框图。

图2为本发明实施例的软件流程图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具有软关断功能的便携式测温装置详细说明如下：

图1是本发明实施例的硬件框图，其中1为热电偶，2为补偿导线，3为低通滤波电路，4为MSC1210单片机，5为场效应管驱动的高亮LED显示，6为场效应管驱动的大音量蜂鸣器，7为冷端补偿温度测量。

近几年，随着集成电路技术的发展，出现了一些非常优秀的混合信号集成电路。美国TI公司的MSC12XX系列单片机就是一个突出的例子。MSC12XX系列单片机包括一个增强的51的单片机，数量大小的不一的RAM和FLASH，FLASH既可以做程序存储又可以做数据存储，该单片机集成了高性能的模拟单元，包括前置放大、8路24位高精度模数转换器、高精度参考电压、SINC3数字滤波等，输入噪声可以低至75nV。所有功能模块的电源都可以由单片机内部关断，整个单片机可以自己进入掉电模式，在掉电模式下其消耗的电流小于1uA。如果将便携式测温枪的大部分电路的功能都由MSC12XX单片机的内部资源实现，剩余的非常小量的外围电路选择本身具有电源自关断能的器件或场效应管驱动，则就可以实现电路的软关断，从而达到提高测量精度、大幅度降低功耗的目的。

选用MSC1210为测量装置核心，测量电路的模拟部分除了外围采用无源低通滤波电路，其他均采用MSC1210的内部资源，包括低噪声前置放大电路、多路选择开关、斩波自稳零电路、24位高精度模数转换器、SINC3数字滤波等。参考电压选用MSC1210内部自带的精密电压源。程序存储、数据存储、参数存储均选用MSC1210内部带的FLASH。外围电路有场效应管实现的高亮LED驱动电路、大音量蜂鸣器驱动电路，以及由DS18B20实现的冷端温度测量电路。

图2为本发明实施例的软件流程图。软件模块主要有，热电势测量、冷端测量、温度变换、最大值计算、LED驱动、蜂鸣驱动、自检程序、测量结果查询、参数设置、数据发送等。

本实施例具有功能丰富，具有高亮度LED显示、大音量蜂鸣提示、大容量测量值自动存储、参数设置修改等功能，突出的特点是测量精度高，耗电小。特别是软关断功能的实现，整体上提高了仪器的性能。整个测量电路的自关断电流在uA量级，使用1000毫安时充电电池，单次充电测量次数可以达到3000次，经过标定后，其测量精度完全可以达到小于正负0.5摄氏度。

Claims (4)

1.一种具有软关断功能的便携式测温装置，主要用于高温熔融金属的快速精确温度测量。由热电偶测温头、补偿导线、内部带24位模数转换的单片机、滤波电路、热电偶冷端补偿电路、高亮度LED显示、高音量蜂鸣电路等组成。其特征在于采用高度集成化的电路设计和软关断功能的实现，提高测量精度，降低功耗。

2.如权利要求1所述一种具有软关断功能的便携式测温装置，其特征在于与电源相连接的所有部件全部由具有电源自关断功能的器件和场效应管驱动的电路组成，保证整个装置在保持电源接通的情况下能够进入一个稳定的低耗电状态，且这一低耗电状态的电源输出电流能够和电源的自放电相当，进一步采用软关断电源保护功能取代继电器等电池硬关断保护电路，降低功耗，提高测量精度。

3.如权利要求1所述一种具有软关断功能的便携式测温装置，其特征在于采用高度集成化的电路设计实现丰富功能。全部电路包括一片高度集成的模拟数字混合集成电路，一片数字温度传感器，蜂鸣器驱动电路、LED驱动电路组成、充电电池组成和部分无源器件组成。实现的功能包括高精度热电势温度测量、峰值温度自动判别、高亮度LED显示、大音量蜂鸣提示、大音量数据存储、参数设置、数据传输等。

4.如权利要求1所述一种具有软关断功能的便携式测温装置，其特征在于利用内部FLASH进行循环数据存储，延长使用寿命。

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