熱電偶電路的應(yīng)用

WRA4815CS-1W
WRA4815P-1W

SIP
DIP

說(shuō)明：

1）IAxxxxx-1W為定電壓高隔離穩(wěn)壓正負(fù)輸出系列產(chǎn)品；
2）WRAxxxxx-1W為寬電壓隔離穩(wěn)壓正負(fù)輸出系列產(chǎn)品；
3）對(duì)于要求更高隔離的場(chǎng)合，可選擇3000VDC或6000VDC的產(chǎn)品（E、IE、G及WRE等系列）。

• 以上電路是以ISO100放大器的工作電壓為±15V作出的，如工作電壓為±5、±12等，只要選擇相應(yīng)輸出電壓的模塊即可，如果要求功耗較大，可選擇3W、5W、及10W的產(chǎn)品；
• 對(duì)于DC/DC電源模塊的詳細(xì)應(yīng)用及注意事項(xiàng)可參考相關(guān)產(chǎn)品的詳細(xì)技術(shù)資料；

引言：由于熱電偶是差分溫度測(cè)量器件，在處理熱電偶信號(hào)時(shí)以冷結(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，考慮到非零攝氏度冷結(jié)點(diǎn)的電壓，必須對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。本文比較了幾種冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償器件，并以硅溫度傳感器檢測(cè)IC為例介紹了三種應(yīng)用設(shè)計(jì)方法和測(cè)量的結(jié)果。

溫度測(cè)量應(yīng)用中有多種類(lèi)型的傳感器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用于汽車(chē)、家庭等。與電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)、熱電調(diào)節(jié)器、溫度檢測(cè)集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測(cè)更寬的溫度范圍，具有較高的性?xún)r(jià)比。另外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應(yīng)時(shí)間使其成為各種工作環(huán)境下的首選。當(dāng)然，熱電偶在溫度測(cè)量中也存在一些缺陷，例如線(xiàn)性特性較差。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可以很理想地用于精確測(cè)量系統(tǒng)。熱電偶信號(hào)電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。如果排除上述問(wèn)題，熱電偶的低價(jià)位、易使用、寬溫度范圍可以使其得到廣泛使用。

熱電偶與冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償

熱電偶是差分溫度測(cè)量器件，由兩段不同的金屬線(xiàn)構(gòu)成，一段用作正結(jié)點(diǎn)，另一段用作負(fù)結(jié)點(diǎn)。表1列出了四種最常用的熱電偶類(lèi)型、所用金屬以及對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量范圍。熱電偶的兩種不同金屬線(xiàn)焊接在一起后形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，環(huán)路電壓是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)。這利用了Seebeck效應(yīng)，通常描述為熱能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。Seebeck效應(yīng)與Peltier效應(yīng)相反，Peltier效應(yīng)為電能轉(zhuǎn)換成熱能的過(guò)程，典型應(yīng)用有熱電致冷器。如圖1a所示，測(cè)量電壓V_OUT是檢測(cè)結(jié)點(diǎn)(熱結(jié)點(diǎn))結(jié)電壓與參考結(jié)點(diǎn)(冷結(jié)點(diǎn))結(jié)電壓之差。因?yàn)閂_H和V_C是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，V_OUT也是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對(duì)應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱(chēng)為Seebeck系數(shù)。

圖1b所示是一種最常見(jiàn)的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的結(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開(kāi)路結(jié)點(diǎn)與銅線(xiàn)電氣連接，這些連線(xiàn)為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外結(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會(huì)影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒(méi)有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。V_OUT仍然是熱結(jié)點(diǎn)與冷結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測(cè)量的是溫度差，為了確定熱結(jié)點(diǎn)的實(shí)際溫度，冷結(jié)點(diǎn)溫度必須是已知的。冷結(jié)點(diǎn)溫度為0℃(冰點(diǎn))時(shí)是一種最簡(jiǎn)單的情況，如果T_C=0℃，則V_OUT=V_H。這種情況下，熱結(jié)點(diǎn)測(cè)量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)提供了各種類(lèi)型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的查找表，所有數(shù)據(jù)均基于0℃冷結(jié)點(diǎn)溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過(guò)查找適當(dāng)表格中的V_H可以確定熱結(jié)點(diǎn)溫度。

在熱電偶應(yīng)用初期，冰點(diǎn)被當(dāng)作熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)，但在大多數(shù)應(yīng)用中獲得一個(gè)冰點(diǎn)參考溫度不太現(xiàn)實(shí)。如果冷結(jié)點(diǎn)溫度不是0℃，那么，為了確定實(shí)際熱結(jié)點(diǎn)溫度必須已知冷結(jié)點(diǎn)溫度?？紤]到非零冷結(jié)點(diǎn)溫度的電壓，必須對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，即所謂的冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。