集成信號調(diào)理―高精度溫度測量的關(guān)鍵因素

在測量溫度、壓力、流量和姿態(tài)等真實世界中的物理參數(shù)時，往往必須從許多信號特性差異很大的換能器中提取數(shù)據(jù)。這些換能器所產(chǎn)生的信號可能包括高壓、低壓、電流、頻率或者脈沖數(shù)據(jù)，而每一種信號都會為工程師的測量帶來一系列獨特的挑戰(zhàn)。其中，溫度是迄今為止最常被測量的參數(shù)，熱電偶則是在溫度測量應(yīng)用中最主要的測量設(shè)備。

熱電偶的物理特性對用戶的使用提出了許多獨特的挑戰(zhàn)。首先，必須將它產(chǎn)生的低電平信號放大，然后還要濾除其中的高頻分量和噪聲，同時，還必須小心降低鄰道的干擾。很明顯，要保證熱電偶測量的結(jié)果準(zhǔn)確并可重復(fù)，信號調(diào)理是十分關(guān)鍵的一環(huán)。

熱電偶換能器在兩片異金屬相互接觸時產(chǎn)生一個低電平的電壓，該電壓通常被稱作溫差電動勢，信號強(qiáng)度在毫伏級。例如，一個滿幅工作范圍約為60mV的K型熱電偶在1°C下會產(chǎn)生39uV的電壓。典型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入電壓范圍一般為±10V，因而為了獲得最佳電壓分辨率，就必須將信號電平放大。

放大級的作用就是保證將信號放大到即使十分精細(xì)的溫度變化都能被分辨出來的程度。當(dāng)增益為100時，一個K型熱電偶在1200°C時的測量結(jié)果(48.838 mV)將被放大到4.8838 V。如果沒有經(jīng)過這一必需的放大環(huán)節(jié)，測量結(jié)果的分辨率就會大大降低，也更容易受噪聲波動影響。

圖1：高精度熱電偶和高速電壓測量

模擬濾波

熱電偶輸出的毫伏級信號也很容易受60Hz干擾的影響，因此儀器必須提供很好的帶寬限制才能對抗這種干擾。這一點在工業(yè)環(huán)境下尤其重要，因為在工業(yè)環(huán)境下，熱電偶暴露在發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、焊接設(shè)備、照明設(shè)備等干擾源產(chǎn)生的嚴(yán)重電子干擾之下。

諸如基于DMM的系統(tǒng)之類的許多熱電偶測量設(shè)備都能提供一定程度的可編程60Hz濾波能力，但這種帶寬限制是通過設(shè)置ADC的積分速度來實現(xiàn)的。通過在整數(shù)個公頻周期(power line cycle, PLC)上積分，能夠改善60Hz濾波的性能，降低60Hz噪聲的影響，但卻會嚴(yán)重降低通道采樣率。而且由于60Hz濾波設(shè)置是一個全局設(shè)置，即便只有一個通道需要60Hz濾波，系統(tǒng)中所有通道都只能按照降低了的速度采樣。

那些顯然是用于降低成本的基于PC的中繼多路設(shè)備(relay multiplexer)通常并不提供任何模擬濾波，而是依靠平均的辦法或者其他軟件技術(shù)來處理數(shù)據(jù)。在測量頻譜內(nèi)需要獲得十分準(zhǔn)確和干凈的數(shù)據(jù)時，這種處理方式就會產(chǎn)生問題，這時若想提高信號完整性，就必需添加額外的外部濾波電路。

真正領(lǐng)先的儀器設(shè)計師們并不會依靠ADC，也不靠軟件過采樣和平均技術(shù)，而是在每個通道的信號調(diào)理通路上提供帶寬限制，這樣就能獨立設(shè)置每個通道的截止頻率。

有一種靈活的方法(例如在VXI技術(shù)公司的EX1048中采用的方法)，能對不同通道設(shè)置不同的截止頻率范圍，即在4 Hz帶寬和1kHz帶寬之間作出選擇。4 Hz適合大多數(shù)熱電偶和低電壓測量，它對60 Hz的濾波性能最好；1 kHz則適合高精度熱電偶和高速電壓測量(圖1)。

冷端補(bǔ)償(Cold Junction Compensation)

在高精度溫度測量中，濾波抗噪和信號放大只是其中的一部分。事實證明，冷端補(bǔ)償(CJC)電路才是高精度熱電偶的核心。即使是熱質(zhì)量很大的隔熱模塊，其溫度也會緩慢隨周圍環(huán)境同向變化，因此如果過低估計或者不能正確處理這些效應(yīng)，那么測量誤差就在所難免。

PC卡多路器和基于DMM的系統(tǒng)測量精度通常約為1.0°~1.5°，這個精度范圍所表達(dá)的不確定性源于多種原因，其中包括隔熱模塊熱質(zhì)量過低， CJC傳感器位置錯誤或個數(shù)不足，終端模塊與相鄰熱源(例如電源)的相對位置不佳，以及顯示的問題。另外，大多數(shù)儀器中測量誤差過大都?xì)w因于CJC傳感器電路設(shè)計不佳和CJC輸入的熱耦合機(jī)制不良。

象EX1048這樣的精確測溫儀器通常都結(jié)合了多種高精度的CJC機(jī)制，具有較大的熱質(zhì)量，產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度的部件放置位置考究，而且還具備自校準(zhǔn)功能。CJC傳感器通常采用高精度熱敏電阻，這些傳感器往往放在隔熱模塊上的關(guān)鍵位置處。當(dāng)系統(tǒng)中通道個數(shù)較多時，帶熱敏電阻的隔熱模塊數(shù)目也會增多，以消除不同連接點之間的溫度測量造成的誤差(圖2)。注意了這些細(xì)節(jié)之后，儀器的系統(tǒng)級測量精度就可能達(dá)到0.2°C到0.4°C。

信號多路化

當(dāng)信號經(jīng)過了良好的濾波和放大，而且得到的CJC信號也很精確時，從信號調(diào)理的角度來看，ADC仍可能對測量的精確性造成嚴(yán)重影響。由于采樣要求相對較慢，大多數(shù)測溫儀器都不會在每個通道上采用一個單獨的ADC，而是通過一個多路器配置使多通道共用同一個ADC，典型的通道配置數(shù)目有16、32、48和64通道。因此就需要在儀器中添加高速固態(tài)多路器電路。

圖2：當(dāng)系統(tǒng)中通道個數(shù)較多時，帶熱敏電阻的隔熱模塊數(shù)目也會增多，以消除不同連接點之間的溫度測量造成的誤差。

熱電偶信號的大小只有毫伏級，當(dāng)硬件設(shè)計不佳時，這一性質(zhì)就會帶來系統(tǒng)級的問題。如果與熱電偶通道相鄰的通道上產(chǎn)生了高電平或過載條件，那么在熱電偶通道進(jìn)行測量時就會產(chǎn)生錯誤。出現(xiàn)這種情況的原因可能是線路上的寄生電容和電荷，而用戶可能根本無法了解這一情況。如果硬件設(shè)計無法處理這類典型的問題，就只能要求用戶在一個通道上多停留一段時間，先過采樣然后再平均，這樣得到測量結(jié)果。

高質(zhì)量的熱電偶測量儀器則無需依靠過采樣和軟件平均來得到一個留有裕量的測量結(jié)果。EX1048(圖3*)的設(shè)計采用了每通道獨立濾波和放大的方法，將通道與通道的運行隔離開來。這樣，送至ADC的信號和由多路器來的信號都不會產(chǎn)生干擾。這類設(shè)計就能保證不論相鄰?fù)ǖ朗欠窨赡艹霈F(xiàn)過壓或過載情況，ADC轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)對每個通道都是有效的。

本文小結(jié)

熱電偶測量是一種十分普通也很常見的測量，正因為如此，許多儀器廠商往往都忽略了基礎(chǔ)信號調(diào)理的重要性。于是，終端用戶就不得不扛下這一包袱，提供外部信號調(diào)理和冷端補(bǔ)償設(shè)備，結(jié)果往往造成測量系統(tǒng)成本過高也過于復(fù)雜，而且長期維護(hù)和系統(tǒng)校準(zhǔn)也會受到影響。

內(nèi)部信號調(diào)理是精密熱電偶儀器設(shè)計(例如EX1048)中的一個關(guān)鍵問題，它與開放式熱電偶監(jiān)測和自校準(zhǔn)功能等特性緊密相關(guān)。一臺熱電偶測量儀，如果具備這樣全面的功能，就能簡化設(shè)置和調(diào)試操作，避免出現(xiàn)由外部互連電纜引發(fā)的問題，并按需提供完全的現(xiàn)場校準(zhǔn)。熱電偶測量應(yīng)用有很多種解決方法，但采用一臺集成好的儀器來完成測量才是能夠降低成本和簡化實現(xiàn)的方法。