兩種簡單精確靈活的熱電偶溫度測量方法精修訂

1、兩種簡單精確靈活的熱電偶溫度測量方法GEGROUPsystemofficeroomGEIHUA16H-GEIHUAGEIHUA8Q8-兩種簡單、精確、靈活的熱電偶溫度測量方法簡介熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的簡單元件.本文簡單概述了熱電偶,介紹了利用熱電偶進行設(shè)計的過程中常見的挑戰(zhàn),并提出兩種信號調(diào)理解決方案.第一種方案將參考接合點補償和信號調(diào)理集成在一個模擬IC內(nèi),使用更簡便；第二種方案將參考接合點補償和信號調(diào)理獨立開來,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,相連端稱為測量“熱接合點.金屬線不相連的另一頭接到信號調(diào)理電路走線,它一般由

2、銅制成.在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個接合點叫做參考“冷接合點.THERMOCOUPLEWIRINGTOSIGNALCONOIT1ONINOCIRCUITRYMEASUREMENTREFERENCEJUNCTIONJUNCTION圖L熱電偶*我們使用術(shù)語“測量接合點和參考接合點而不是更傳統(tǒng)的“熱接合點和“冷接合點傳統(tǒng)命名體系可能會令人產(chǎn)生困惑,由于在許多應(yīng)用中,測量接合點可能比參考接合點溫度更低.在參考接合點處產(chǎn)生的電壓取決于測量接合點和參考接合點兩處的溫度.由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件,必須知道參考接合點溫度以獲得精確的絕對溫度讀數(shù).這一過程被稱為參考接合點溫度補償冷接

3、合點補償.熱電偶己成為在合理精度內(nèi)高性價比測量寬溫度范圍的工業(yè)標準方法.它們應(yīng)用于高達約+250TC的各種場合,如鍋爐、熱水器、烤箱和風機引擎等.K型是最受歡送的熱電偶,包括Chromel®和Alumel®特點是分別含銘、鋁、鎂和硅的銀合金,測量范圍是一200至+1250.為什么使用熱電偶？優(yōu)點 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)實際的溫度范圍.熱電偶測量溫度范圍在-20rc至+250rc之間,具體取決于所使用的金屬線. 鞏固耐用：熱電偶屬于耐用器件,抗沖擊振動性好,適合于危險惡劣的環(huán)境. 響應(yīng)快：由于它們體積小,熱容量低,熱電偶對溫度變化響應(yīng)快,尤其在感

4、應(yīng)接合點裸露時.它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對溫度變化作出響應(yīng). 無自發(fā)熱：由于熱電偶不需要鼓勵電源,因此不易自發(fā)熱,其本身是平安的.缺點 信號調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必需進行大量的信號調(diào)理.一直以來,信號調(diào)理消耗大量設(shè)計時間,處理不當就會引入誤差,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,熱電偶測量精度只能到達參考接合點溫度的測量精度,一般在至2.;內(nèi). 易受腐蝕：由于熱電偶由兩種不同的金屬所組成,在一些工況下,隨時間而腐蝕可能會降低精度.因此,它們可能需要保護；且保養(yǎng)維護必不可少. 抗噪性差：當測量毫伏級信號變化時,雜散電場和磁場產(chǎn)生的噪聲可能會引起問

5、題.絞合的熱電偶線對可能大幅降低磁場耦合.使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護可降低電場耦合.測量器件應(yīng)當提供硬件或軟件方式的信號過濾,有力抑制工頻頻率(50Hz/60Hz)及其諧波.熱電偶測量的難點將熱電偶產(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：電壓信號太弱,溫度電壓關(guān)系呈非線性,需要參考接合點補償,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52四/.2、41laVrC和41四/.2.其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小.這種微弱的信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級.表1比擬了各種熱電

6、偶類型的靈敏度.表1.25時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)由于電壓信號微弱,信號調(diào)理電路一般需要約100左右的增益,這是相當簡單的信號調(diào)理.更棘手的事情是如何識別實際信號和熱電偶引線上的拾取噪聲.熱電偶引線較長,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.一般結(jié)合兩種方案來從噪聲中提取信號.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.由于大多數(shù)噪聲同時出現(xiàn)在兩根線上共模,差分測量可將其消除.第二種方案是低通濾波,消除帶外噪聲.低通濾波器應(yīng)同時消除可能引起放大器整流的射頻干擾1MHz以上和50Hz/60Hz電源的工頻干擾.在放大器前而放置一個射頻干

7、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)緊要一它可以與RFI濾波器組合放在放大器和ADC之間,作為£-ADC濾波器的一局部,或可作為均值濾波器在軟件內(nèi)編程.參考接合點補償：要獲得精確的絕對溫度讀數(shù),必須知道熱電偶參考接合點的溫度.當?shù)谝淮问褂脽犭娕紩r,這一步驟通過將參考接合點放在冰池內(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,因此幾乎所有的熱電偶表都使用TC作為參考溫度.圖2.根本的鐵康銅熱電偶電路UJHnJLgUJo.茁UJJL但對于大多數(shù)測量系統(tǒng)而言,將熱電偶的參考接合點保持在冰

8、池內(nèi)不切實際.大多數(shù)系統(tǒng)改用一種稱為參考接合點補償又稱為冷接合點補償?shù)募夹g(shù).參考接合點溫度使用另一種溫度敏感器件來測量一一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD電阻溫度測量器.然后對熱電偶電壓讀數(shù)進行補償以反映參考接合點溫度.必須盡可能精確地讀取參考接合點一將精確溫度傳感器保持在與參考接合點相同的溫度.任何讀取參考接合點溫度的誤差都會直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中.可使用各種傳感器來測量參考接合點溫度：1 .熱敏電阻：響應(yīng)快、封裝??；但要求線性,精度有限,尤其在寬溫度范圍內(nèi).要求鼓勵電流,會產(chǎn)生自發(fā)熱,引起漂移.結(jié)合信號調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差.2 .電阻溫度測量器RTD：RTD更精確、穩(wěn)定且呈合理

9、線性,但封裝尺寸和本錢限制其應(yīng)用于過程限制應(yīng)用.3 .遠程熱二極管：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)溫度的獨立IC,應(yīng)小心地靠近參考接合點安裝,并可組合參考接合點補償和信號調(diào)理.可獲得遠低于PC的精度.電壓信號非線性：熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度而變化.例如,在TC時,T型熱電偶輸出按39口VAC變化,但在10CTC時斜率增加至47|jV/oC.有三種常見的方法來對熱電偶的非線性進行補償.選擇曲線相對較平緩的一局部并在此區(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)

10、測量的方案,這種方案不需要復(fù)雜的計算.K和J型熱電偶比擬受歡送的諸多原因之一是它們同時在較大的溫度范圍內(nèi)靈敏度的遞增斜率塞貝克系數(shù)保持相當恒定參見圖1oTEMPERATUREfC)圖3.熱電偶靈敏度隨溫度而變化注意,從TC至1000.3,K型塞貝克系數(shù)大致恒定在約41MV/另一個方案是將查找表存儲在內(nèi)存中,查找表中每一組熱電偶電壓與其對應(yīng)的溫度相匹配.然后,使用表中兩個最近點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熱電偶的特性進行建模.這種方法雖然最精確,但計算量也最大.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補償.另一組將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度.熱電偶表

11、和更高階熱電偶等式可從:/srdata.nist.aov/its90/main/獲得.這些表格和等式全部基于TC參考接合點溫度.在參考集合點處于任何其它溫度時,必須使用參考接合點補償.接地要求：熱電偶制造商在測量接合點上設(shè)計了絕緣和接地兩種尖端圖4INSULATEDGROUNDEDEXPOSED圖4.熱電偶測量接合點類型設(shè)計熱電偶信號調(diào)理時應(yīng)在測量接地熱電偶時防止接地回路,還要在測量絕緣熱電偶時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)計應(yīng)能夠應(yīng)對熱電偶尖端和測量系統(tǒng)地之間的任何接地差異圖5.WHENUStNGISOLATEDTHERMOCOUPLETIPSW

12、HENUSINGEXPOSEDORGROUNDEDTHERMOCOUPLETIPS=t>ELECTRICALCONNECTIONOCCURSATTIP.VOLTAGEMUSTSTAYINCOMMON-MODEINPUTRANGEOFAMPLIFIERWHENTHERMOCOUPLETIPTYPEISUNKNOWN圖5.使用不同尖端類型時的接地方式對于非隔離系統(tǒng),雙電源信號調(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).由于其寬共模輸入范圍,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量地電壓以下的某些水平,那么單電

13、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筒單或整體測量系統(tǒng)隔離的情況.但是,不建議設(shè)計非隔離系統(tǒng)來測量接地或裸露熱電偶.實用熱電偶解決方案：熱電偶信號調(diào)理比其它溫度測量系統(tǒng)的信號調(diào)理更復(fù)雜.信號調(diào)理設(shè)計和調(diào)試所需的時間可能會延長產(chǎn)品的上市時間.信號調(diào)理局部產(chǎn)生的誤差可能會降低精度,尤其在參考接合點補償段.以下兩種解決方案可以解決這些問題.第一種方案詳細介紹了一種簡單的模擬集成硬件解決方案,它使用一個IC將直接熱電偶測量和參考接合點補償結(jié)合在一起.第二種方案詳細介紹了一種基于軟件的參考接合點補償方案

14、,熱電偶測量精度更高,可更靈活地使用多種類型熱電偶.測量方案1:為簡單而優(yōu)化圖6所示為K型熱電偶測量示意圖.它使用了AD8495熱電偶放大器,該放大器專門設(shè)計用于測量K型熱電偶.這種模擬解決方案為縮短設(shè)計時間而優(yōu)化：它的信號鏈比擬簡潔,不需要任何軟件編碼.MEASUREMENTJUNCTIONPCBTRACESTHERMOCOUPLETHERMOCOUPLERFIV1nFFILTER1Qk01rF:7-VW1'REFERENCEGROUNDCOMMONMODEREFERENCEJUMCTIOMCONNECTION.216kHzJUNCTION駢FEREMAI_8MPa$AT1°

15、;Nfc=1.3kHz圖6.測量解決方案1：為簡單而優(yōu)化這種簡單的信號鏈是如何解決K型熱電偶的信號調(diào)理要求的呢？增益和輸出比例系數(shù)：微弱的熱電偶信號被AD8495放大122的增益,形成5-mVrC的輸出信號靈敏度20rC/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剩余噪聲.參考接合點補償：由于包括一個溫度傳感器來補償環(huán)境溫度變化,AD8495必須放在參考接合點附近以保持相同的溫度,從而獲得精確的參考接合點補償.非線性校正：通過校準,AD8495在K型熱電偶曲線的線性局部獲得5mV/輸出,在-252至+400OC

16、溫度范圍內(nèi)的線性誤差小于20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所示為一個接地1MC電阻,它適用于所有熱電偶尖端類型.AD8495專門設(shè)計以在如下圖搭配單電源時測量地電壓以下數(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Al、A2和A3及所示電阻一道形成一個儀表放大器,它使用恰好產(chǎn)生5mVrC輸出電壓的一個增益來對K型熱電偶輸出進行放大.在標記“Refjunctioncompensation參考接合點補

17、償?shù)目騼?nèi)是一個環(huán)境溫度傳感器.在測量接合點溫度保持穩(wěn)定的條件下,如果參考接合點溫度由于任何原因而上升,來自熱電偶的差分電壓就會降低.如果微型封裝的3.2mmx3.2mmx1.2mmAD8495接近參考接合點的熱區(qū)域,參考接合點補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,從而對參考溫度變化進行補償.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:表2.解決方案1圖6性能概述熱電偶類型測量接合點范圍參考接合點溫度范圍25時精度功耗K-25至+4000至50±3A級特性±1C級特性1.25mW測量解決方案2：為精度和靈活性而優(yōu)化圖8顯示高

18、精度測量J、K或T型熱電偶的示意圖.此電路包括一個小信號熱電偶電壓測量用的高精度ADC,和一個參考接合點溫度測量用的高精度溫度傳感器.兩個器件都由一個外部微處理器使用SPI接口進行限制.ADCREFERENCEJUNCTIONTHERMOCOUPLEMEASUREMENTJUNCTIONFILTERING1TAIN1*VDDAD7793AIN1-GNODECOUPUNGVDDTMICROCONTROLLERTEMPERATURESENSORSP1_CLKOspiJmiso<QSPLMOSI<SPLSEL-A<ADT7320SCLKVDDDOUTGNDDINEPCSINTCTD

19、OUTDINSCLKCSDECOUPLINGT"JVDDTSPI_SEL_AO圖8.測量解決方案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種高精度、低功耗模擬前端來測量熱電偶電壓.熱電偶輸出經(jīng)過外部濾波后連接到一組差分輸入AIN1(+)和AINl(-)o信號然后依次經(jīng)過一個多路復(fù)用器、一個緩沖器和一個儀表放大器(放大熱電偶小信號)發(fā)送到一個ADC,它將該信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.AIN1HAIN1HAIN2HIOUT1IQUT2BANDGAPREFERENCE2.9JQalwgaNa84UHUJ1N二saws圖

20、9.AD7793功能框圖SPIINTERFACEINTERNALREFERENCE參考接合點溫度補償：ADT7320詳見圖10在充分靠近參考接合點放置時在TrC至+85.：溫度范圍內(nèi)參考接合點溫度測量精度可達到±0.2.片上溫度傳感器產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓,該電壓與內(nèi)部基準電壓相比擬并輸入至精密數(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16位溫度值存放器.然后通過SPI接口從微處理器回讀溫度值存放器,并結(jié)合ADC的溫度讀數(shù)一起實現(xiàn)補償.SCLKOUTDINCS圖10.ADT7320功能框圖校正非線性度：ADT7320在整個額定溫度范圍-40.2至+125.0內(nèi)呈現(xiàn)出色的線性

21、度,不需要用戶校正或校準.因而其數(shù)字輸出可視為參考接合點狀態(tài)的精確表示.為了確定實際熱電偶溫度,必須使用美國國家標準技術(shù)研究院NIST所提供的公式將此參考溫度測量值轉(zhuǎn)換成等效熱電電壓.此電壓與AD7793測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.處理絕緣和接地熱電偶：圖8所示為具有裸露尖端的熱電偶.此提供最正確響應(yīng)時間,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測量解決方案的性能：表3.解決方案2圖8性能概述熱電偶類型測量接合點溫度范圍參考接合點溫度范圍精度功耗J,K,T整個范圍-i(rc至+85-20至+105±0.2±0.253mW3mW結(jié)論熱電偶在相當寬的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的溫度測量,但由于需要在設(shè)計時間和精度之間進行折衷,它們往往不是溫度測量的首選.本文提出解決這些問題的高性價比方式.