ADI熱電偶測(cè)量方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 ADI熱電偶測(cè)量方案 熱電偶、熱電效應(yīng)和熱電效應(yīng)原理熱電偶（thermocouple）是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來(lái)，利用熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的傳感器。 1821年，德國(guó)科學(xué)家托馬斯約翰塞貝克發(fā)現(xiàn)了電流熱效應(yīng)的逆效應(yīng)：即當(dāng)給一段金屬絲的兩端施加不同溫度時(shí)，金屬絲兩端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，閉合回路后金屬絲中會(huì)有電流流過(guò)。這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應(yīng)”，也叫“塞貝克效應(yīng)”。 熱電效應(yīng)原理：如圖1，用兩種不同顏色表示兩種不同的金屬材料，A、B 端在常溫環(huán)境中用于測(cè)溫端口，稱為冷端。C點(diǎn)為被測(cè)端，由于熱電效應(yīng)，在 A端和C端以及B端和C端之間溫度不同，所以會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。而因?yàn)閮?/p>

2、種金屬材料的不同，導(dǎo)致這兩個(gè)電勢(shì)差不一樣，Z終A端和B端也有了電勢(shì)差，經(jīng)測(cè)量AB之間的電勢(shì)差，再對(duì)參考金屬特性值和冷端溫度開(kāi)展查表校準(zhǔn)，Z后就可以通過(guò)測(cè)量AB端輸出的電勢(shì)差來(lái)得到對(duì)應(yīng)C端的溫度值了。 圖1熱電偶種類 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、R、B、K、J、T、N、E八種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為中國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶（如圖2）。 圖2S、R、B型熱電偶使用的金屬比較貴重，所以價(jià)格相對(duì)較高；K、T、J、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價(jià)，所以相對(duì)價(jià)格較便宜。下面介紹這幾種熱電偶的測(cè)溫范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)： S、R、B型熱電偶S、R型和B型熱電偶長(zhǎng)期Z高使用溫度分別為130

3、0和1600，短期Z高使用溫度分別為1600和1800。優(yōu)勢(shì)：具有準(zhǔn)確度Z高，穩(wěn)定性Z好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它的物理、化學(xué)性能良好，熱電勢(shì)穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。 S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國(guó)際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，曾長(zhǎng)期作為國(guó)際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器。“ITS-90”雖被規(guī)定今后不再作為國(guó)際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，但國(guó)際溫度咨詢委員會(huì)（CCT）認(rèn)為，S型熱電偶仍可用于近似實(shí)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)。 R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)。B型熱電偶與S和R相似，但不適用于復(fù)原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。但其明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需用補(bǔ)償導(dǎo)線開(kāi)展補(bǔ)償，因?yàn)樵?50范圍內(nèi)熱

4、電勢(shì)小于3V。 T、R、B型熱電偶劣勢(shì)：此類熱電偶的熱電勢(shì)率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)污染非常敏感，貴金屬材料昂貴。 K、N、E、J、T型熱電偶測(cè)溫范圍以及優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)補(bǔ)充 N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩個(gè)重要缺點(diǎn)：K型熱電偶在300500間，由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定；在800左右，由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定。 熱電偶的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： a.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200?C至 2500?C之間，具體取決于所使用的金屬線。 b.牢固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險(xiǎn)

5、惡劣的環(huán)境。 c.響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小，熱容量低，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng)。 d.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，其本身是安全的。 缺點(diǎn)： a.信號(hào)調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必須開(kāi)展大量的信號(hào)調(diào)理。一直以來(lái)，信號(hào)調(diào)理消耗大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致JD降低。 b.JD低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不JQ性外，熱電偶測(cè)量JD只能到達(dá)參考接合點(diǎn)溫度的測(cè)量JD，一般在1C至2C內(nèi)。 c.易受腐蝕：因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時(shí)間而腐蝕可能會(huì)降低JD。因此，它們

6、可能需要保護(hù)；且保養(yǎng)維護(hù)必不可少。 d.抗噪性差：當(dāng)測(cè)量毫伏級(jí)信號(hào)變化時(shí)，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)引起問(wèn)題。絞合的熱電偶線對(duì)可能大幅降低磁場(chǎng)耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護(hù)可降低電場(chǎng)耦合。測(cè)量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號(hào)過(guò)濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。 熱電偶和熱電阻的選擇要素我們可以根據(jù)以下要素來(lái)開(kāi)展熱電偶和熱電阻的選擇。 需要測(cè)量的溫度范圍：500以上一般選擇熱電偶，500以下看應(yīng)用環(huán)境來(lái)選擇。 測(cè)量范圍選擇：熱電偶所測(cè)量的一般指“點(diǎn)”溫，熱電阻通常用于測(cè)量空間溫度。 冷端補(bǔ)償由于熱電效應(yīng)的原理。因此，需要一個(gè)額外的溫度傳感器來(lái)測(cè)量參考點(diǎn)溫度，

7、此參考點(diǎn)也就是我們常說(shuō)的冷端補(bǔ)償點(diǎn)。 常見(jiàn)的幾種冷端補(bǔ)償傳感器分別如下： 1.熱敏電阻：響應(yīng)快、封裝小。但要求線性，JD有限，尤其在寬溫度范圍內(nèi)。要求激勵(lì)電流，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熱，引起漂移。結(jié)合信號(hào)調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)JD差，只適合測(cè)量JD低、低成本的應(yīng)用場(chǎng)合。 2.電阻式溫度測(cè)量器（RTD）：RTD相比熱敏電阻，更佳JQ、穩(wěn)定且特性線性，但封裝尺寸和成本，相對(duì)熱敏電阻高。因?yàn)樾枰己闷ヅ涞募?lì)源和采樣電路，所以設(shè)計(jì)相對(duì)更復(fù)雜，需要的外圍器件更好。用RTD作為冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量系統(tǒng)，通常對(duì)系統(tǒng)級(jí)精細(xì)度要求更高。 3.集成式溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種以半導(dǎo)體工藝制成的集成式測(cè)溫元件。通過(guò)半導(dǎo)體

8、工藝技術(shù)，將測(cè)溫等模擬單元獲得的信息數(shù)字化輸出，高集成度，可獲得遠(yuǎn)低于1?C的系統(tǒng)級(jí)JD。外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可直接和MCU開(kāi)展通訊，同樣針對(duì)高JD熱電偶采集系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償方案，使用和設(shè)計(jì)都Z為簡(jiǎn)單。 集成式溫度傳感器ADT7320技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師David Liu介紹了一款A(yù)DI典型的、用于冷端補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?ADT7320。 ADT7320是一款高JD數(shù)字溫度傳感器，使用16位ADC來(lái)監(jiān)測(cè)和數(shù)字化溫度參數(shù)，其分辨率為0.0078C。默認(rèn)情況下，ADC分辨率設(shè)置為13Bit （0.0625C）。其原理是，內(nèi)部溫度傳感器產(chǎn)生與JD溫度成比例的電壓，這個(gè)電壓與內(nèi)部

9、的參考電壓做比較，然后輸入到精細(xì)數(shù)字調(diào)制器中。 內(nèi)部溫度傳感器在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)具有較高的JD和線性度，無(wú)需用戶開(kāi)展校正或校準(zhǔn)。 另外，它擁有過(guò)溫報(bào)警功能，對(duì)功能安全性帶來(lái)保障。外輸出端口、INT和CT，使其可以在超高溫或低溫的情況下，通過(guò)一個(gè)10K的上拉電阻，直接向后端MCU發(fā)出中斷信號(hào)。 ADI可提供的熱電偶測(cè)量之模擬前端AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測(cè)量信號(hào)調(diào)理前端提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案。針對(duì)熱電偶采樣端，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)中往往還要考慮其共模干擾信號(hào)，以及ESD和過(guò)壓保護(hù)等因素。 AD849x專為測(cè)量和放大J型和K型熱電偶信號(hào)而優(yōu)化，

10、通過(guò)CMOS工藝不僅在其前端集成了ESD和過(guò)壓保護(hù)功能， 其優(yōu)異的抗共模能力使其擁有5mV/C系統(tǒng)級(jí)線性響應(yīng)Vout=（TMJ 5 mV/C）+VREF，其中TMJ表示熱電偶的測(cè)量結(jié)溫。AD849x同系差異化比照如圖5： AD7124AD7124-4/AD7124-8是一款以24bit ADC為HX，內(nèi)部高集成MUX、PGA、REF等，針對(duì)熱電偶熱電阻測(cè)量直接接入型的完整解決方案。可實(shí)現(xiàn)高分辨率、低噪聲性能和低非線性度誤差能力。 片內(nèi)低噪聲PGA，可通過(guò)軟件靈活調(diào)整增益編程范圍（1、2、4、8、16、32、64、128），來(lái)調(diào)整輸入信號(hào)的幅度，到達(dá)ADC的有效采樣范圍。增益級(jí)具有高輸入阻抗，輸

11、入漏電流在全功率模式下不超過(guò)3.3 nA，在低功耗模式下為1 nA（典型值）。 圖6所示電路是針對(duì)典型的熱電偶，用RTD作冷端補(bǔ)償?shù)膮⒖荚O(shè)計(jì)。使用兩個(gè)模擬輸入引腳來(lái)連接熱電偶（AIN2、AIN3），以及三線RTD電路（AIN1、AIN6、AIN7）。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于測(cè)量熱電偶產(chǎn)生的電壓。對(duì)于本電路，如圖6所示，熱電偶是浮空的。要將熱電偶偏置到已知電平，AIN2上使能VBIAS電壓發(fā)生器，使熱電偶偏置到以下值： 熱電偶測(cè)量是JD測(cè)量，因而需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，使用AD7124-4/AD7124-8內(nèi)置2.5 V基準(zhǔn)電壓源。 針對(duì)冷結(jié)補(bǔ)償，一個(gè)激勵(lì)電流源用于激勵(lì)RTD。此

12、電流從AVDD產(chǎn)生，流向AIN1。圖6詳細(xì)顯示了模擬引腳及其配置。 對(duì)于本電路，冷結(jié)電路采用基準(zhǔn)輸入REFIN1。流經(jīng)4線RTD（用于冷結(jié)測(cè)量）的電流也會(huì)流過(guò)精細(xì)基準(zhǔn)電阻，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。 此精細(xì)基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD上的電壓成比例，因此，激勵(lì)電流的波動(dòng)會(huì)被消除。由于基準(zhǔn)電壓緩沖器已使能，務(wù)必滿足正常工作所需的裕量（AVDD 0.1 V和AVSS 0.1 V）。0.125 V （500 A 250 ）的裕量由250 接地電阻提供 LTC298X可直接與接地參考傳感器接口，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換器、負(fù)電源電壓或外部放大器。所有信號(hào)通過(guò)由內(nèi)部 10ppmC（Z大值）基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動(dòng)的三個(gè)高JD、24位 ADC 開(kāi)展緩沖和同步數(shù)字化。 圖7AD7124 or LTC298XJD：LTC298x具有 0.1C 的準(zhǔn)確度，AD7124在測(cè)量在?50至 200的測(cè)量溫度范圍內(nèi)具有1的整體系統(tǒng)JD。 通道：冷端補(bǔ)償以4線RTD為例，LTC298x可以測(cè)量15路熱電偶，AD7124-4可以測(cè)量2路熱電偶，AD7124-8可以測(cè)量6路熱電偶。 相對(duì)成本因素：LTC298