熱電偶冷端補(bǔ)償
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概述
溫度測量應(yīng)用中有多種類型的變送器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用于汽車、家庭等領(lǐng)域。與RTD、電熱調(diào)節(jié)器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍，具有較高的性價(jià)比。另外，熱電偶的牢固、可靠性和快速響應(yīng)時(shí)間使其成為各種工作環(huán)境下的首要選擇。當(dāng)然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如，線性特性較差。雖然它們與RTD、溫度傳感器IC相比可以測量更寬的溫度范圍，但線性度卻大打折扣。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，可理想用于精確測量系統(tǒng)。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。
如果排除上述問題，熱電偶的低價(jià)位、易使用、寬溫度范圍使其得到廣泛使用。
熱電偶基礎(chǔ)
熱電偶是差分溫度測量器件，由兩段不同的金屬/合金線構(gòu)成，一段用作正端，另一段用作負(fù)端。表1列出了四種最常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應(yīng)的溫度測量范圍。每種熱電偶在其規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有獨(dú)特的熱電特性。表1. 常用的熱電偶類型
| 類型 | 正端金屬/合金 | 負(fù)端金屬/合金 | 溫度范圍(°C) |
| T | 銅 | 鎳銅合金 | -200至+350 |
| J | 鐵 | 鎳銅合金 | 0至+750 |
| K | 鎳鉻合金 | 鎳基熱電偶合金 | -200至+1250 |
| E | 鎳鉻合金 | 鎳銅合金 | -200至+900 |
兩種不同類型的金屬接(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)。這種現(xiàn)象稱為Seebeck效應(yīng)，用于解釋熱能轉(zhuǎn)換為電能的過程。Seebeck效應(yīng)相對于Peltier效應(yīng)，Peltier效應(yīng)用于解釋電能轉(zhuǎn)換成熱能的過程，典型應(yīng)用有電熱致冷器。圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測端(熱端)結(jié)電壓與參考端(冷端)結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。定標(biāo)因數(shù)，α，對應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。
圖1a. 環(huán)路電壓由熱電偶兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫差產(chǎn)生，是Seebeck效應(yīng)的結(jié)果。
圖1b. 常見的熱電偶配置由兩條線連接在一端，每條線的開路端與銅恒溫線連接。
圖1b所示是一種最常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的節(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開路端與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外節(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱端與冷端溫度之差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱端的實(shí)際溫度，冷端溫度必須是已知的。
冷端溫度為0°C (冰點(diǎn))時(shí)是一種最簡單的情況，如果TC = 0°C，則VOUT = VH。這種情況下，熱端測量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對應(yīng)關(guān)系的查找表。所有數(shù)據(jù)均基于0°C冷端溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過查找適當(dāng)表格中的VH可以確定熱端溫度。
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)。如果冷端溫度不是0°C，那么，為了確定實(shí)際熱端溫度必須已知冷端溫度?？紤]到非零冷端溫度的電壓，必需對熱電偶輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，既所謂的冷端補(bǔ)償。
選擇冷端溫度測量器件
如上所述，為了實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償，必須確定冷端溫度，這可以通過任何類型的溫度檢測器件實(shí)現(xiàn)。在通用的溫度傳感器IC、電熱調(diào)節(jié)器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)，需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。對于精度要求非常高的器件，經(jīng)過校準(zhǔn)的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)保持較高精度，但其成本很高。
精度要求不是很高時(shí)，熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價(jià)比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，而傳感器IC具有更高的線性度，因而性能指標(biāo)更好一些。修正熱敏電阻的非線性會占用較多的微控制器資源。溫度傳感器IC具有出色的線性度，但測溫范圍很窄。
總之，必需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇冷端溫度測量器件，需要仔細(xì)考慮精度、溫度范圍、成本和線性指標(biāo)，以便得到最佳的性價(jià)比。
考慮因素
一旦建立了冷端補(bǔ)償方法，補(bǔ)償輸出電壓必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度。一種簡單的方法既是使用NBS提供的查找表，用軟件實(shí)現(xiàn)查找表需要存儲器，但查找表對于連續(xù)的重復(fù)查詢提供了一種快速、精確的測量方案。將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度值的另外兩種方案比查找表復(fù)雜一些，這兩種方法是：1) 利用多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行線性逼近，2) 對熱電偶輸出信號進(jìn)行模擬線性化處理。軟件線性逼近只是需要預(yù)先確定多項(xiàng)式系數(shù)，不需要存儲，因而是一種更通用的方案。缺點(diǎn)是需要較長時(shí)間解多階多項(xiàng)式，多項(xiàng)式階數(shù)越高，處理時(shí)間越長，特別是在溫度范圍較寬的情況下。多項(xiàng)式階數(shù)較高時(shí)，查找表相對提供了一種精度更高、更有效溫度測量方案。
出現(xiàn)軟件測試方案之前，模擬線性化常被用來將測量電壓轉(zhuǎn)換成溫度值(除了人工查找表檢索外)。這種基于硬件的方法利用模擬電路修正熱電偶響應(yīng)的非線性。其精度取決于修正逼近多項(xiàng)式的階數(shù)，在目前能夠測試熱電偶信號的萬用表中仍采用這種方法。
應(yīng)用電路
下面討論了三種利用硅傳感器IC進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)牡湫蛻?yīng)用，三個(gè)電路均用來解決溫度范圍較窄(0°C至+70°C和-40°C至+85°C)的冷端溫度補(bǔ)償，精度在幾個(gè)攝氏度以內(nèi)。第二個(gè)電路包含一個(gè)遠(yuǎn)端二極管溫度檢測器，由連接成二極管的晶體管為其提供測試信號。第三個(gè)電路中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)內(nèi)置冷端補(bǔ)償。所有三個(gè)電路均采用K型熱電偶(由鎳鉻合金和鎳基熱電偶合金組成)進(jìn)行溫度測量。示例#1
圖2所示電路中，16位Σ-Δ ADC將低電平熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)據(jù)輸出。集成可編程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，這對于處理熱電偶小信號輸出非常必要。溫度檢測IC靠近熱電偶安裝，用于測量冷端附近的溫度。這種方法假設(shè)IC溫度近似等于冷端溫度。冷端溫度傳感器輸出由ADC的通道2進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。溫度傳感器內(nèi)部的2.56V基準(zhǔn)節(jié)省了一個(gè)外部電壓基準(zhǔn)IC。
圖2. 本地溫度檢測IC (MAX6610)確定冷端溫度。溫度檢測IC靠近熱電偶接點(diǎn)(冷端)放置，熱電偶和冷端溫度傳感器輸出電壓由16位ADC (MX7705)轉(zhuǎn)換。
工作在雙極性模式時(shí)，ADC可以轉(zhuǎn)換熱電偶的正信號和負(fù)信號，并在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單端輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提供給微控制器。溫度檢測IC的輸出電壓與冷端溫度成正比。
為了確定熱端溫度，需首先確定冷端溫度。然后通過NBS提供的K型熱電偶查找表將冷端溫度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的熱電電壓。將此電壓與經(jīng)過PGA增益校準(zhǔn)的熱電偶讀數(shù)相加，最后再通過查找表將求和結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度，所得結(jié)果即為熱端溫度。表2列出了溫度測量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：-40°C至+85°C，熱端保持在+100°C。實(shí)際測量結(jié)果在很大程度上取決于本地溫度檢測IC的精度和烤箱溫度。
表2. 圖2電路在不同烤箱的冷端和熱端測量溫度
| 冷端 溫度 (°C) | 熱端測量 溫度* (°C) | |
| 測量值#1 | -39.9 | +101.4 |
| 測量值#2 | 0.0 | +101.5 |
| 測量值#3 | +25.2 | +100.2 |
| 測量值#4 | +85.0 | +99.0 |
示例#2
圖3所示電路中，遠(yuǎn)端溫度檢測IC測量電路的冷端溫度，與本地溫度檢測IC不同的是IC不需要靠近冷端安裝，而是通過外部連接成二極管的晶體管測量冷端溫度。晶體管直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測IC將晶體管的測量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。
ADC的通道1將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，通道2沒有使用，輸入直接接地。外部2.5V基準(zhǔn)IC為ADC提供基準(zhǔn)電壓。
圖3. 遠(yuǎn)端二極管溫度檢測IC不必靠近冷端，因?yàn)樗褂昧艘粋€(gè)外部二極管檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準(zhǔn)電壓。
表3列出了溫度測量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：-40°C至+85°C，熱端保持在+100°C。實(shí)際測量結(jié)果在很大程度上取決于遠(yuǎn)端二極管溫度檢測IC的精度和烤箱溫度。
表3. 圖3電路在不同烤箱的冷端和熱端測量溫度
| 冷端 溫度 (°C) | 熱端測量 溫度* (°C) | |
| 測量值#1 | -39.8 | +99.1 |
| 測量值#2 | -0.3 | +98.4 |
| 測量值#3 | +25.0 | +99.7 |
| 測量值#4 | +85.1 | +101.5 |
示例#3
圖4電路中的12位ADC帶有溫度檢測二極管，溫度檢測二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成電壓量，IC通過處理熱電偶電壓和二極管的檢測電壓，計(jì)算出補(bǔ)償后的熱端溫度。數(shù)字輸出是對熱電偶測試溫度進(jìn)行補(bǔ)償后的結(jié)果，在0°C至+700°C溫度范圍內(nèi)，器件溫度誤差保持在±9 LSB以內(nèi)。雖然該器件的測溫范圍較寬，但它不能測量0°C以下的溫度。
圖4. 集成了冷端補(bǔ)償?shù)腁DC，將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度，無需外部元件。
表4是4所示電路的測量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：0°C至+70°C，熱端溫度保持在+100°C。
表4. 圖4電路在不同烤箱的冷端和熱端測量溫度
| 冷端 溫度 (°C) | 熱端測量 溫度* (°C) | |
| 測量值#1 | 0.0 | +100.25 |
| 測量值#2 | +25.2 | +100.25 |
| 測量值#3 | +50.1 | +101.0 |
| 測量值#4 | +70.0 | +101.25 |
結(jié)論
由于熱電偶是差分溫度測量器件，在處理熱電偶信號時(shí)必須建立一個(gè)參考點(diǎn)。熱電偶所提供的電壓體現(xiàn)了熱端與冷端的溫度差。如果已知冷端溫度和相對于冷端的熱端溫度，即可確定出熱端的實(shí)際溫度值。冷端補(bǔ)償器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)與精度、成本、線性度、溫度范圍等因素有關(guān)，鉑RTD精度最高，但成本也最高。電熱調(diào)節(jié)器價(jià)格低、可工作在較寬的溫度范圍，但其線性度較差。硅溫度傳感器檢測IC工作溫度范圍較窄，但具有合理的精度和線性度，成本也比較低，能夠滿足多數(shù)熱電偶應(yīng)用的需求。
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