簡(jiǎn)單的熱電偶溫度

1、熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價(jià)比測(cè)量寬溫度范圍的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。它們應(yīng)用于高達(dá)約+2500C的各種場(chǎng)合，如鍋爐、熱水器、烤箱和飛機(jī)引擎等。熱電偶具有下列優(yōu)點(diǎn)：- 溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍。熱電偶測(cè)量溫度范圍在-200C至+2500C之間，具體取決于所使用的金屬線。- 堅(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊和抗振動(dòng)性好，適合危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。- 響應(yīng)快：熱電偶對(duì)溫度響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們體積小，熱容量低，可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化做出響應(yīng)。- 無(wú)自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)電源，因此不易自發(fā)熱。熱電偶類型眾多，其中K型最受歡迎，原因是它具有相對(duì)較大

2、的輸出電壓、可在寬溫度范圍內(nèi)保持線性，并且成本低。熱電偶原理熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成。相連的一頭稱為測(cè)量接合點(diǎn)或熱接合點(diǎn)。金屬線不相連的另一頭接到信號(hào)調(diào)理電路走線，它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個(gè)接合點(diǎn)叫做參考(冷)接合點(diǎn)。在參考接合點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓取決于測(cè)量接合點(diǎn)和參考接合點(diǎn)兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對(duì)溫度測(cè)量器件，必須知道一個(gè)接合點(diǎn)的參考溫度才能從輸出電壓推算出另一個(gè)接合點(diǎn)的溫度。熱電偶的最大缺點(diǎn)是將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必需進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理。一直以來(lái)，這種復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)著大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致精度降低。信號(hào)調(diào)理

3、的要求具體有哪些呢? 圖1. 熱電偶信號(hào)調(diào)理要求放大電壓：熱電偶輸出電壓隨溫度的變化幅度只有每度V。例如，常用的K型變化幅度為41 V/C。這種微弱的信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級(jí)。消除噪聲：噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號(hào)，特別是當(dāng)長(zhǎng)熱電偶線穿過工業(yè)環(huán)境時(shí)。由于大多數(shù)噪聲是兩條引線共有的，因此測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)采用差分輸入。大多數(shù)噪聲都是線路噪聲，可通過能夠抑制50 Hz和60 Hz噪聲的低通濾波器濾除。參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：熱電偶的電壓取決于測(cè)量接合點(diǎn)和參考接合點(diǎn)兩處的溫度。由于我們僅對(duì)測(cè)量接合點(diǎn)的溫度感興趣，因此必須消除參考接合點(diǎn)的影響，即需要進(jìn)行參考接合點(diǎn)補(bǔ)償，也稱為冷接合點(diǎn)補(bǔ)償。參考接合點(diǎn)補(bǔ)償是通

4、過用另一種溫度器件(一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD)測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度來(lái)進(jìn)行的。必須盡可能精確地讀取參考接合點(diǎn)，一方面要使用精確的溫度傳感器，另一方面要確保該傳感器處在與參考接合點(diǎn)相同的溫度下。任何讀取參考接合點(diǎn)溫度的誤差都會(huì)直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中。校正非線性度：熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度而變化。例如，T型熱電偶在0C時(shí)按39 V/C變化，但在100C時(shí)斜率變?yōu)?7 V/C。有三種方法可對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。第一種方法是選擇曲線相對(duì)較平緩的區(qū)域并在此區(qū)域內(nèi)將斜率近似為線性，這種方法特別適合于溫度范圍有限且不需要復(fù)雜計(jì)算的測(cè)量。第二種方法是將一個(gè)查找表存儲(chǔ)在內(nèi)存中，查找表中的熱電偶

5、電壓要與其對(duì)應(yīng)的溫度相匹配，然后使用線性近似法在查找表中的點(diǎn)之間進(jìn)行插值。第三種方法使用高階公式來(lái)對(duì)熱電偶的特性進(jìn)行建模。注意，這些表格和公式全部基于0C參考接合點(diǎn)溫度。對(duì)于其它參考接合點(diǎn)溫度，必須進(jìn)行參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。 圖2. 熱電偶的非線性處理熱電偶的絕緣和接地：熱電偶制造商在測(cè)量接合點(diǎn)上設(shè)計(jì)了絕緣和接地兩種尖端。設(shè)計(jì)熱電偶信號(hào)調(diào)理時(shí)應(yīng)在測(cè)量接地?zé)犭娕紩r(shí)避免接地回路，還要在測(cè)量絕緣熱電偶時(shí)具有一條放大器輸入偏壓電流路徑。此外，如果熱電偶尖端接地，放大器輸入范圍的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)熱電偶尖端和測(cè)量系統(tǒng)地之間的任何接地差異。相對(duì)于其它溫度測(cè)量解決方案，熱電偶的復(fù)雜信號(hào)調(diào)理是一個(gè)缺點(diǎn)。信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)和調(diào)

6、試所需的時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的上市時(shí)間。信號(hào)調(diào)理部分產(chǎn)生的誤差可能會(huì)降低精度，尤其在冷接合點(diǎn)補(bǔ)償段。下列兩種解決方案可以解決這些問題。第一種方案詳細(xì)介紹了一種簡(jiǎn)單的集成硬件解決方案，它將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和熱電偶測(cè)量結(jié)合在一起。第二種方案詳細(xì)介紹了一種基于軟件的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償方案，熱電偶測(cè)量精度更高，可更靈活地使用多種類型熱電偶。測(cè)量解決方案1：為簡(jiǎn)單而優(yōu)化圖3所示為K類型熱電偶測(cè)量示意圖。它使用了AD8495熱電偶放大器，該放大器專門設(shè)計(jì)用于測(cè)量K型熱電偶。這種解決方案為縮短設(shè)計(jì)時(shí)間而優(yōu)化：它的信號(hào)鏈比較簡(jiǎn)潔，不需要任何軟件編碼。這種簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈?zhǔn)侨绾谓鉀Q上述信號(hào)調(diào)理要求的呢?放大電壓：微弱的熱電

7、偶信號(hào)被AD8495放大122倍，形成5mV/C的輸出信號(hào)。消除噪聲：高頻共模和差分噪聲由AD8495前置的RFI濾波器消除。低頻率共模噪聲由AD8495的儀表放大器來(lái)抑制。殘余噪聲則由AD8495后置的濾波器解決。參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：AD8495內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，可內(nèi)部補(bǔ)償環(huán)境溫度變化。必須將AD8495放在參考接合點(diǎn)附近以保持相同的溫度，從而獲得精確的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。校正非線性度：通過校準(zhǔn)，AD8495在K型熱電偶曲線的線性部分獲得5 mV/C輸出，在-25C至+400C溫度范圍內(nèi)的線性誤差小于2C。如果需要此范圍以外的溫度，ADI公司有一篇應(yīng)用筆記介紹了如何在微處理器中使用查找表或公式來(lái)擴(kuò)

8、大溫度范圍。處理熱電偶的絕緣和接地：該方案使用一個(gè)接地1 M?電阻，該電阻同時(shí)適用于接地型和絕緣型熱電偶尖端。圖中顯示AD8495采用5 V單電源工作，它專門設(shè)計(jì)以在搭配單電源時(shí)測(cè)量地電壓以下數(shù)百毫伏。如果希望更大地壓差，AD8495還可采用雙電源工作。 圖3. K型熱電偶測(cè)量示意圖。圖4所示為AD8495熱電偶放大器的框圖。放大器A1、A2、A3及所示電阻一道形成一個(gè)儀表放大器，它放大熱電偶電壓，使輸出電壓為5 mV/C。在標(biāo)記為Ref junction compensation(參考接合點(diǎn)補(bǔ)償)的框內(nèi)是一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。如果參考接合點(diǎn)溫度上升，來(lái)自熱電偶的差分電壓就會(huì)降低。為了進(jìn)行補(bǔ)償，

9、參考接合點(diǎn)補(bǔ)償電路將額外電壓施加到放大器內(nèi)，使輸出電壓保持恒定。 圖4. AD8495功能框圖表1概述了該集成硬件解決方案的性能： 表1： 集成硬件解決方案的性能測(cè)量解決方案2：為精度和靈活性而優(yōu)化圖5顯示高精度測(cè)量J、K或T型熱電偶的示意圖。此電路包括一個(gè)小信號(hào)熱電偶電壓測(cè)量用的高精度ADC，和一個(gè)參考接合點(diǎn)溫度測(cè)量用的高精度溫度傳感器。兩個(gè)器件都由一個(gè)單獨(dú)的微處理器使用SPI接口進(jìn)行控制。將下面的圖5替換為： 圖5. 基于軟件的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償方案這種信號(hào)鏈如何滿足上述信號(hào)調(diào)理要求呢?放大電壓：如圖6所示，使用高精度、低功耗ADC AD7793來(lái)測(cè)量熱電偶電壓。熱電偶線連接到一組差分輸入AI

10、N1(+)和AIN1(-)，然后依次經(jīng)過一個(gè)多路復(fù)用器、一個(gè)緩沖器和一個(gè)儀表放大器(放大熱電偶小信號(hào))。消除噪聲：由于輸入通道具有緩沖功能，因此將濾波器電容置于前端，以便于消除可能出現(xiàn)在熱電偶引線上的拾取噪聲。參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：AD7320在-10C至+85C溫度范圍內(nèi)測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度的精度可達(dá)到0.2C。參見圖7，片上溫度傳感器產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成正比的電壓，該電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓相比較并輸入至精密數(shù)字調(diào)制器。調(diào)制器輸出的數(shù)字化結(jié)果用于刷新一個(gè)16位溫度值寄存器，然后通過SPI接口從微控制器回讀溫度值寄存器。為獲得最佳結(jié)果，溫度傳感器應(yīng)盡可能靠近參考接合點(diǎn)放置。校正非線性度：AD7320在整個(gè)額定

11、溫度范圍(-40C至+125C)內(nèi)呈現(xiàn)出色的線性度，不需要用戶校正或校準(zhǔn)。為了確定實(shí)際熱電偶溫度，必須使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)所提供的公式將參考溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換成等效熱電電壓。此電壓與AD7793測(cè)量的熱電偶電壓相加，然后再次使用NIST公式將兩者之和又轉(zhuǎn)換回?zé)犭娕紲囟?。處理絕緣和接地?zé)犭娕迹簣D5所示為具有裸露尖端的熱電偶。這可提供最佳響應(yīng)時(shí)間。 圖6. AD7793功能框圖 圖7. ADT7320功能框圖下表概述了基于軟件的參考(冷)接合點(diǎn)測(cè)量解決方案的性能： 結(jié)論熱電偶可在極寬的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的溫度測(cè)量，但因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)或者精度較低，它們往往不是溫度測(cè)量的首選。本文針對(duì)每種問題都提供了一種解決方案。第一種解決方案注重降低測(cè)量的復(fù)雜度，采用的是基于硬件的冷接合點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈，不需要任何軟件編程。它依靠AD8495所提供的集成特性產(chǎn)生5mV/C輸出信號(hào)，可饋入到各種微控制器的模擬輸入端。第二種解決方案可提供最高測(cè)量精度，還適用于不同的熱電偶類型。作為一種基于軟件的冷接合點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)，它依賴于高精度AD