兩種簡(jiǎn)單、精確、靈活的熱電偶溫度測(cè)量方法

熱電偶是一種廣泛用于溫度測(cè)量的簡(jiǎn)單元件。本文簡(jiǎn)單概述了熱電偶，介紹了利用熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中常見的挑戰(zhàn)，并提出 兩種信號(hào)調(diào)理解決方案。第一種方案將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理集成在一個(gè)模擬IC內(nèi)，使用更簡(jiǎn)便；第二種方案將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理獨(dú)立開來，使數(shù)字 輸出溫度感應(yīng)更靈活、更精確。

熱電偶原理
如圖1所示，熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成，相連端稱為測(cè)量（“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)。

圖1.熱電偶

*我們使用術(shù)語(yǔ)“測(cè)量接合點(diǎn)“和“參考接合點(diǎn)”而不是更傳統(tǒng)的“熱接合點(diǎn)”和“冷接合點(diǎn)”。傳統(tǒng)命名體系可能會(huì)令人產(chǎn)生困惑，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，測(cè)量接合點(diǎn)可能比參考接合點(diǎn)溫度更低。

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)式溫度測(cè)量器件，必須知道參考接合點(diǎn)溫度以獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)。這一過程被稱為參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償（冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）。

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+2500°C的各種場(chǎng)合，如鍋爐、熱水器、烤箱和風(fēng)機(jī)引擎等。K型是最受歡迎的熱電偶，包括Chromel®和Alumel®（特點(diǎn)是分別含鉻、鋁、 鎂和硅的鎳合金），測(cè)量范圍是–200°C至+1250°C。

為什么使用熱電偶？
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–200°C至+2500°C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，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。
• 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)。
• 無自發(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)

• 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)必需進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。一直以來，信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)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。
• 精度低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不精確性外，熱電偶測(cè)量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測(cè)量精度，一般在1°C至2°C內(nèi)。
• 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)降低精度。因此，它們可能需要保護(hù)；且保養(yǎng)維護(hù)必不可少。
• 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)過濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

熱電偶測(cè)量的難點(diǎn)
將熱電偶產(chǎn)生的電壓變換成精確的溫度讀數(shù)并不是件輕松的事情，原因很多：電壓信號(hào)太弱，溫度電壓關(guān)系呈非線性，需要參考接合點(diǎn)補(bǔ)償，且熱電偶可能引起接地問題。讓我們逐一分析這些問題。

電壓信號(hào)太弱：最常見的熱電偶類型有J、K和T型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 µV/°C、41 µV/°C和41 µV/°C。其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。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)。表1比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

表1. 25°C時(shí)各種熱電偶類型的電壓變化和溫度升高關(guān)系
（塞貝克系數(shù)）

因?yàn)殡妷盒盘?hào)微弱，信號(hào)調(diào)理電路一般需要約100左右的增益，這是相當(dāng)簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)理。更棘手的事情是如何識(shí)別實(shí)際信號(hào)和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長(zhǎng)，經(jīng)常穿過電氣噪聲密集環(huán)境。引線上的噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號(hào)。

一般結(jié)合兩種方案來從噪聲中提取信號(hào)。第一種方案使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來放大信 號(hào)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)噪聲同時(shí)出現(xiàn)在兩根線上（共模），差分測(cè)量可將其消除。第二種方案是低通濾波，消除帶外噪聲。低通濾波器應(yīng)同時(shí)消除可能引起放大器整流的射 頻干擾（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（電源）的工頻干擾。在放大器前面放置一個(gè)射頻干擾濾波器（或使用帶濾波輸入的放大器）十分重要。50Hz/60Hz濾波器的位置無關(guān)緊要—它可以與 RFI濾波器組合放在放大器和ADC之間，作為∑-Δ ADC濾波器的一部分，或可作為均值濾波器在軟件內(nèi)編程。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：要獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)，必須知道熱電偶參考接合點(diǎn)的溫度。 當(dāng)?shù)谝淮问褂脽犭娕紩r(shí)，這一步驟通過將參考接合點(diǎn)放在冰池內(nèi)來完成。圖2描述一頭處于未知溫度，另一頭處于冰池（0°C）內(nèi)的熱電偶電路。這種方法用來詳 盡描述各種熱電偶類型的特點(diǎn)，因此幾乎所有的熱電偶表都使用0°C作為參考溫度。

圖2. 基本的鐵-康銅熱電偶電路

但對(duì)于大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)而言，將熱電偶的參考接合點(diǎn)保持在冰池內(nèi)不切實(shí)際。大多數(shù)系統(tǒng)改用一種稱 為參考接合點(diǎn)補(bǔ)償（又稱為冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）的技術(shù)。參考接合點(diǎn)溫度使用另一種溫度敏感器件來測(cè)量—一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度測(cè)量 器）。然后對(duì)熱電偶電壓讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償以反映參考接合點(diǎn)溫度。必須盡可能精確地讀取參考接合點(diǎn)—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點(diǎn)相同的溫度。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。

可使用各種傳感器來測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度：

1. 熱敏電阻：響應(yīng)快、封裝小；但要求線性，精度有限，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)精度差。
2. 電阻溫度測(cè)量器（RTD）：RTD更精確、穩(wěn)定且呈合理線性，但封裝尺寸和成本限制其應(yīng)用于過程控制應(yīng)用。
3. 遠(yuǎn)程熱二極管：二極管用來感應(yīng)熱耦連接器附近的溫度。調(diào)節(jié)芯片將和溫度成正比的二極管電壓轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字輸出。其精度限于約±1°C。
4. 集成溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種局部感應(yīng)溫度的獨(dú)立IC，應(yīng)小心地靠近參考接合點(diǎn)安裝，并可組合參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理。可獲得遠(yuǎn)低于1°C的精度。

電壓信號(hào)非線性：熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度而變化。例如，在0°C時(shí)，T型熱電偶輸出按39 µV/°C變化，但在100°C時(shí)斜率增加至47 µV/°C。

有三種常見的方法來對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。

選擇曲線相對(duì)較平緩的一部分并在此區(qū)域內(nèi)將斜率近似為線性，這是一種特別適合于有限溫度范圍內(nèi)測(cè)量的方案，這種方案不需要復(fù)雜的計(jì)算。K和J型熱電偶比較受歡迎的諸多原因之一是它們同時(shí)在較大的溫度范圍內(nèi)靈敏度的遞增斜率（塞貝克系數(shù)）保持相當(dāng)恒定（參見圖1）。

圖3.熱電偶靈敏度隨溫度而變化注意，從0°C至1000°C，K型塞貝克系數(shù)大致恒定在約 41 µV/°C

另一個(gè)方案是將查找表存儲(chǔ)在內(nèi)存中，查找表中每一組熱電偶電壓與其對(duì)應(yīng)的溫度相匹配。然后，使用表中兩個(gè)最近點(diǎn)間的線性插值來獲得其它溫度值。

第三種方案使用高階等式來對(duì)熱電偶的特性進(jìn)行建模。這種方法雖然最精確，但計(jì)算量也最大。每種熱電偶有兩組等式。一組將溫度轉(zhuǎn)換為熱電偶電壓（適用于參考接合點(diǎn)補(bǔ)償）。另一組將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度。熱電偶表和更高階熱電偶等式可從獲得。這些表格和等式全部基于0°C參考接合點(diǎn)溫度。在參考集合點(diǎn)處于任何其它溫度時(shí)，必須使用參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

接地要求：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（圖4）

圖4.熱電偶測(cè)量接合點(diǎn)類型

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（圖5）。

圖5.使用不同尖端類型時(shí)的接地方式

對(duì)于非隔離系統(tǒng)，雙電源信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)一般有助于接地尖端和裸露尖端類型獲得更穩(wěn)定的表現(xiàn)。因?yàn)?其寬共模輸入范圍，雙電源放大器可以處理PCB（印刷電路板）地和熱電偶尖端地之間的較大壓差。如果放大器的共模范圍具有在單電源配置下測(cè)量地電壓以下的 某些能力，那么單電源系統(tǒng)可以在所有三種尖端情況下獲得滿意的性能。要處理某些單電源系統(tǒng)中的共模限制，將熱電偶偏壓至中間量程電壓非常有用。這完全適合 于絕緣熱電偶簡(jiǎn)單或整體測(cè)量系統(tǒng)隔離的情況。但是，不建議設(shè)計(jì)非隔離系統(tǒng)來測(cè)量接地或裸露熱電偶。

實(shí)用熱電偶解決方案：熱電偶信號(hào)調(diào)理比其它溫度測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理更復(fù)雜。信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)和調(diào)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，尤其在參考接合點(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)單的模擬集成硬件解決方案，它使用一個(gè)IC將直接熱電偶測(cè)量和參考接合點(diǎn)補(bǔ)償結(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)量方案1：為簡(jiǎn)單而優(yōu)化
圖6所示為K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。這種模擬解決方案為縮短設(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。

圖6.測(cè)量解決方案1：為簡(jiǎn)單而優(yōu)化

這種簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈?zhǔn)侨绾谓鉀QK型熱電偶的信號(hào)調(diào)理要求的呢？

增益和輸出比例系數(shù)：微弱的熱電偶信號(hào)被AD8495放大122的增益，形成5-mV/°C的輸出信號(hào)靈敏度（200°C/V）。

降噪：高頻共模和差分噪聲由外部RFI濾波器消除。低頻率共模噪聲由AD8495的儀表放大器來抑制。再由外部后置濾波器解決任何殘余噪聲。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：由于包括一個(gè)溫度傳感器來補(bǔ)償環(huán)境溫度變化，AD8495必須放在參考接合點(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。

非線性校正：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–25°C至+400°C溫度范圍內(nèi)的線性誤差小于2°C。如果需要此范圍以外的溫度，ADI應(yīng)用筆記AN-1087介紹了如何在微處理器中使用查找表或公式來擴(kuò)大溫度范圍。

絕緣、接地和裸露熱電偶的處理：圖5所示為一個(gè)接地1M?電阻，它適用于所有熱電偶尖端類型。AD8495專門設(shè)計(jì)以在如圖所示搭配單電源時(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。

AD8495的更多詳情：圖7所示為AD8495熱電偶放大器的框圖。放大器 A1、A2和A3（及所示電阻）一道形成一個(gè)儀表放大器，它使用恰好產(chǎn)生5 mV/°C輸出電壓的一個(gè)增益來對(duì)K型熱電偶輸出進(jìn)行放大。在標(biāo)記“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。在測(cè)量接合點(diǎn)溫度保持穩(wěn)定的條件下，如果參考接合點(diǎn)溫度由于任何原因而上升， 來自熱電偶的差分電壓就會(huì)降低。如果微型封裝的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495接近參考接合點(diǎn)的熱區(qū)域，參考接合點(diǎn)補(bǔ)償電路將額外電壓施加到放大器內(nèi)，這樣輸出電壓保持恒定，從而對(duì)參考溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

圖7. AD8495功能框圖

表2概述了使用AD8495的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8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)外部微處理器使用SPI接口進(jìn)行控制。

圖8.測(cè)量解決方案2：為精度和靈活性而優(yōu)化

這種配置如何滿足前述信號(hào)調(diào)理要求的呢？

消除噪聲并放大電壓：AD7793如 圖9所示，使用AD7793—一種高精度、低功耗模擬前端來測(cè)量熱電偶電壓。熱電偶輸出經(jīng)過外部濾波后連接到一組差分輸入AIN1(+)和 AIN1(–)。信號(hào)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)）發(fā)送到一個(gè)ADC，它將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖9. AD7793功能框圖

參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償：ADT7320（詳見圖10）在充分靠近參考接合點(diǎn)放置時(shí)在–10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)參考接合點(diǎn)溫度測(cè)量精度可達(dá)到±0.2°C。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。該調(diào)制器輸出的數(shù)字化結(jié)果不斷刷新一個(gè)16位溫度值寄存器。然后通過SPI接口從微處 理器回讀溫度值寄存器，并結(jié)合ADC的溫度讀數(shù)一起實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖10. ADT7320功能框圖

校正非線性度：ADT7320在整個(gè)額定溫度范圍（–40°C至+125°C）內(nèi)呈現(xiàn)出色的線性度，不需要用戶校正或校準(zhǔn)。因而其數(shù)字輸出可視為參考接合點(diǎn)狀態(tài)的精確表示。

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)所提供的公式將此參考溫度測(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公式將和轉(zhuǎn)換回成熱電偶溫度。

處理絕緣和接地?zé)犭娕迹簣D8所示為具有裸露尖端的熱電偶。此提供最佳響應(yīng)時(shí)間，但相同的配置還可以搭配絕緣尖端熱電偶一起使用。

表3概述了使用NIST數(shù)據(jù)，基于軟件的參考接合點(diǎn)測(cè)量解決方案的性能：

表3.解決方案2（圖8）性能概述

結(jié)論
熱電偶在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的溫度測(cè)量，但因?yàn)樾枰谠O(shè)計(jì)時(shí)間和精度之間進(jìn)行折衷，它們往往不是溫度測(cè)量的首選。本文提出解決這些問題的高性價(jià)比方式。

第一種解決方案注重借助基于硬件的模擬參考接合點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)來降低測(cè)量的復(fù)雜度。它可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈，不需要任何軟件編程，依賴于AD8495熱電偶放大器所提供的集成特性，該放大器產(chǎn)生5mV/°C輸出信號(hào)，可饋入到各種微處理器的模擬輸入。

第二種解決方案提供最高測(cè)量精度，還可使用各種熱電偶類型。作為一種基于軟件的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償 技術(shù)，它依賴于高精度ADT7320數(shù)字溫度傳感器來提供精度遠(yuǎn)超迄今所實(shí)現(xiàn)精度的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償測(cè)量。ADT7320在–40°C至+125°C溫度范 圍完全校準(zhǔn)并指定。完全透明，不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或RTD傳感器測(cè)量，它既不需要在電路板裝配后進(jìn)行高成本的校準(zhǔn)步驟，也不會(huì)因校準(zhǔn)系數(shù)或線性化程序而 消耗處理器或內(nèi)存資源。其功耗只有數(shù)毫瓦，避免了降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問題。

附錄
使用NIST公式將ADT7320溫度轉(zhuǎn)換成電壓

熱電偶參考接合點(diǎn)補(bǔ)償基于以下關(guān)系：

(1)

其中：

要使這種補(bǔ)償關(guān)系生效，參考接合點(diǎn)的兩個(gè)端子必須維持在相同的溫度。溫度均衡是使用一個(gè)等溫端子塊使兩個(gè)端子的溫度相同，同時(shí)保持電氣隔離。

在測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度后，必須將其轉(zhuǎn)換成等效的熱電電壓，它在接合點(diǎn)處于測(cè)量溫度下時(shí)產(chǎn)生。一種方法是使用冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式。熱電電壓計(jì)算如下：

(2)

其中：

NIST發(fā)布每一種熱電偶的多項(xiàng)式系數(shù)表。這些表包括系數(shù)列表、階數(shù)（多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)）、每個(gè)系數(shù)列表的有效溫度范圍和誤差范圍。某些類型熱電偶要求多個(gè)系數(shù)表以涵蓋整個(gè)溫度操作范圍。冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式表在正文中列出。