通過熱電偶和調(diào)制電路實現(xiàn)寬量程溫度檢測

作者 / Robin Yang Microchip Technology Inc 混合及線性信號產(chǎn)品部 資深應(yīng)用工程師

摘要：如何在擴展的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的溫度測量已經(jīng)在工業(yè)熱工控制、危險環(huán)境監(jiān)測等工程應(yīng)用中引起了廣泛的關(guān)注。通常來講，為了保證在完整的溫度范圍內(nèi)的測量準確性，我們需要同時對溫度傳感器和信號調(diào)理電路進行精確的調(diào)整與配置。本文將對基于熱電偶的溫度測量器件進行分析，找出影響其精度的關(guān)鍵因素，并提出準確、經(jīng)濟的技術(shù)方案以保證熱電偶的測溫效果。

1 不同類型溫度測量器件的比較

　　為了將溫度轉(zhuǎn)化為電信號以供溫度監(jiān)控系統(tǒng)進行量化分析，我們通?？紤]以下四類溫度傳感器：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度計(RTD)和集成電路(IC)溫度計。上述類型的傳感器中，沒有任何一類溫度傳感器可以在測量范圍、精度、線性度以及成本等多方面同時提供最優(yōu)的解決方案。絕大多數(shù)情況下，我們需要在上述因素中做出權(quán)衡，通過評估每個應(yīng)用場景的具體需求來選擇最合適的溫度測量器件。熱電偶是最常用的溫度測量器件之一，因為它能夠測量的溫度范圍(-200℃至2500℃)較寬，并且能夠抵御惡劣的工作環(huán)境。相比之下，熱敏電阻在相對有限的溫度帶內(nèi)提供了較高的分辨率，而IC溫度計雖然可以實現(xiàn)更高的測量精度和線性度，但其測量溫度范圍更為有限。因此，本文將重點介紹基于熱電偶的溫度傳感器件。

　　如圖1所示，熱電偶由兩種不同材料的金屬導(dǎo)體構(gòu)成，這兩種導(dǎo)體在與測量對象接觸的感應(yīng)結(jié)點(通常稱為“熱結(jié)”)處連接在一起。在賽貝克效應(yīng)的作用下，當(dāng)冷結(jié)與熱結(jié)之間存在溫度差時，就會在冷結(jié)的兩種金屬導(dǎo)體之間產(chǎn)生相應(yīng)的熱電動勢(EMF，通常為μV級)。電動勢的大小取決于冷結(jié)與熱結(jié)之間的溫度差。通過對不同賽貝克系數(shù)的金屬或合金進行組合，熱電偶可標注為不同類型，例如E型、J型和K型等。不同類型的熱電偶隨溫度變化展現(xiàn)出各異的靈敏度與線性度特征。

2 熱電偶的優(yōu)點與不足

　　需要測量150℃以下的溫度時，IC溫度計和熱敏電阻都是行之有效的選擇。電阻溫度計則可以測量高達500℃的溫度。而需要測量500℃以上的溫度時，熱電偶是唯一可行的解決方案，部分類型的熱電偶可以應(yīng)對溫度高達2500℃的極端測量條件。另外，熱電偶甚至簡單的金屬結(jié)架構(gòu)也允許它直接接觸測量對象，因此熱電偶是惡劣環(huán)境中進行溫度測量的首要選擇。此外，熱電偶是無源器件，不需要任何電流或電壓激勵，也不會自身產(chǎn)生熱量干擾溫度測量。最后一點，熱電偶對于許多應(yīng)用來說也是一種低成本的解決方案。

　　當(dāng)然，熱電偶的應(yīng)用也存在一些技術(shù)限制。首先，對于任何一類熱電偶而言，塞貝克系數(shù)在整個溫度范圍內(nèi)都不會是恒定的。這意味著熱電偶的輸出電壓并不能完全線性地反映溫度。因此，需要用精確的校正算法來提高溫度和電動勢之間轉(zhuǎn)換的線性度。熱電偶的另一個局限在于其靈敏度。在不同的熱電偶類型中，賽貝克系數(shù)從8μV/℃至60μV/℃都有分布。假設(shè)熱結(jié)與冷結(jié)之間的溫度差為500℃，那么產(chǎn)生的電動勢的大小應(yīng)在4mV至30mV之間。 因此，低失調(diào)、低噪聲的放大器是將電動勢信號放大至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入端的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。需要重視的另外一點是可以采用差分放大器消除連接遠端熱電偶的長導(dǎo)線產(chǎn)生的共模噪聲?？乖胄阅茌^差的放大器可能會影響熱電偶的測量精度。

3 應(yīng)用熱電偶的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案

　　熱電偶測量溫度的原理是通過冷結(jié)金屬極間的電動勢推斷得知冷結(jié)與熱結(jié)間的溫度差異。冷結(jié)補償?shù)乃惴ㄖ傅氖峭ㄟ^累加熱電動勢推導(dǎo)出的溫度差值與冷結(jié)溫度，來計算熱結(jié)處的溫度。因此，為了計算熱結(jié)測試點的溫度，需要首先精確測量冷結(jié)處的溫度。這意味著高精度的環(huán)境溫度傳感器也應(yīng)該集成在熱電偶的信號調(diào)理鏈路內(nèi)。從電路板布局的角度考慮，環(huán)境溫度傳感器應(yīng)盡量靠近熱電偶的冷結(jié)處，以盡量減小冷結(jié)溫度的誤差。

　　前文已經(jīng)提到，熱電偶的缺陷之一在于它的非線性。為了減少熱電偶在溫度到電動勢的轉(zhuǎn)化中的非線性對其精度的影響，我們通常建議將線性校正算法整合到ADC系統(tǒng)中。對于不同類型的熱電偶，由于賽貝克系數(shù)隨溫度變化并非恒定值，可以采用不同的方法來校正電動勢和溫度之間的非線性關(guān)系。

　　一種可能的解決方案是在內(nèi)存中裝載查找表，通過一一對應(yīng)的溫度和電動勢的配對，查詢某一電動勢所對應(yīng)的溫度差值。相鄰數(shù)據(jù)點之間的溫度可以通過線性插值的方法來推導(dǎo)出。溫度和電動勢的配對是通過對每種熱電偶分別進行測試，從而取得的測試數(shù)據(jù)。當(dāng)然，為了使配對更為精確，查找表中的相鄰溫度點和相鄰電動勢總是需要盡可能接近，這也意味著更大的數(shù)據(jù)量和更高的內(nèi)存需求。

　　電動勢到溫度轉(zhuǎn)化的非線性度補償?shù)牧硪环N方法是使用建模方法。通過對每個溫度點測到的熱電動勢的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)擬合，可以為不同類型的熱電偶建立各自的高階多項式傳遞函數(shù)，進而實現(xiàn)從熱電動勢推導(dǎo)熱結(jié)和冷結(jié)之間的溫度差值。這種校正的計算過程可以通過微處理器或微控制器來完成。下文所舉的例子中，校正系數(shù)是從美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)標號ITS-90的熱電偶數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出，可以保障所有類型的熱電偶的最優(yōu)轉(zhuǎn)換精度。

　　在許多工業(yè)應(yīng)用中，需要依次使用不同類型的熱電偶來測量溫度。因此，信號調(diào)理電路需要對不同類型的熱電偶保持同等的轉(zhuǎn)換精度。否則的話，會大大提高信號調(diào)理電路的設(shè)計復(fù)雜度。

　　設(shè)計一個準確、普適性好并且低成本的熱電偶信號調(diào)理電路需要大量的專業(yè)知識，并且可能非常耗時。為了簡化設(shè)計流程，降低設(shè)計工作量并縮短上市時間，設(shè)計人員可以考慮使用集成的熱電偶信號調(diào)理IC。許多該類型的芯片現(xiàn)在已經(jīng)在市場上銷售，這里我們以Microchip的MCP9600為例進行說明。

4 MCP9600的產(chǎn)品特征

　　Microchip的MCP9600提供了功能集成一體化的熱電偶溫度測量方案。MCP9600的功能框圖如圖2所示。從圖中可以看出，MCP9600是一種高度集成的單芯片解決方案，轉(zhuǎn)化生成的輸出數(shù)據(jù)可以直接通過I2C總線輸出至后端處理器。它集成了一個18位的Σ-ΔADC，可以通過不同的設(shè)置選擇更高的分辨率或更快的轉(zhuǎn)換時間。根據(jù)所使用的熱電偶類型和所需的分辨率，ADC可以配置為12位、14位、16位和18位分辨率模式。需要權(quán)衡的是，較低的分辨率將允許實現(xiàn)更短的轉(zhuǎn)換時間，反之亦然。用戶也可以自主選擇0.0625℃/LSB(最小比特位)或0.25℃/LSB的溫度分辨率。

　　如前文所述，為了使熱電動勢匹配ADC輸入級的電壓范圍，需要使用低噪聲放大器放大電動勢信號。MCP9600在輸入端使用了開關(guān)電容放大器，以保證輸入信號在18位分辨率模式下最高可以達到2μV/LSB的分辨率。MCP9600還為八種熱電偶(K、J、T、N、E、B、S和R)集成了各自的校正系數(shù)，以確保在完整的溫度測量范圍內(nèi)，熱結(jié)溫度的測量誤差小于±1.5℃。

　　對于電池供電或低功耗的應(yīng)用，MCP9600集成了兩種低功耗工作模式：關(guān)斷模式和突發(fā)模式。這兩種模式都有助于在包括溫度檢測準確度、功耗和自發(fā)熱控制等因素中尋找最優(yōu)的折中方案。MCP9600還配有用戶可訪問的寄存器。用戶可以通過寄存器選擇熱電偶類型、工作模式，設(shè)置多達四個警報限制以及設(shè)置ADC參數(shù)。該功能特征可以允許靈活配置各種類型的主流熱電偶器件，以適用于不同的溫度測量應(yīng)用。

5 結(jié)論

　　在擴展溫度范圍的溫度測量應(yīng)用中，熱電偶已成為工程學(xué)界的首要選擇。為了保證不同測量環(huán)境下熱電偶的最優(yōu)測量性能，我們需要在熱電偶的信號調(diào)制電路中集成多種校正算法。這些算法對溫度測量的線性度，低噪聲放大和冷端補償都有重要的影響。單片集成的熱電偶接口器件旨在簡化設(shè)計人員所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。Microchip的MCP9600將上述功能模塊集成到包括開關(guān)電容放大器，18位ADC和數(shù)據(jù)處理單元的獨立芯片中，為廣域的溫度監(jiān)控提供了準確而經(jīng)濟高效的解決方案。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。