引言：由於熱電偶是差分溫度測量元件，在處理熱電偶訊號時以冷結(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，考慮到非攝氏零度冷結(jié)點(diǎn)的電壓，必需對熱電偶輸出電壓進(jìn)行冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。本文比較了幾種冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償元件，並以矽晶溫度感測器檢測IC為例介紹了三種應(yīng)用設(shè)計(jì)方法和測量的結(jié)果。 溫度測量應(yīng)用中有多種類型的感測器，熱電偶是*常用的一種，可廣泛用於汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電調(diào)節(jié)器、溫度檢測積體電路(IC)相較，熱電偶能夠檢測更寬的溫度範(fàn)圍，具有較高的性價比。另外，熱電偶的強(qiáng)韌性、可靠性和快速響應(yīng)時間使其成為各種工作環(huán)境下的首選。當(dāng)然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。除此之外，RTD和溫度感測器IC可以提供更高的靈敏度和精密度，可以很理想地用於精確測量系統(tǒng)。熱電偶訊號電平很低，常常需要放大或高解析度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價位、易使用、寬溫度範(fàn)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量元件，由兩段不同的金屬線構(gòu)成，一段作為正結(jié)點(diǎn)，另一段作為負(fù)結(jié)點(diǎn)。表1列出了四種*常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應(yīng)的溫度測量範(fàn)圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起後形成兩個結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，迴路電壓是兩個結(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)換成熱能的過程，典型應(yīng)用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測結(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VC是由兩個結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。比例因子α對應(yīng)於電壓差與溫差之比，稱為Seebeck係數(shù)。 | | 圖1：a.環(huán)路電壓由熱電偶兩個結(jié)點(diǎn)之間的溫差產(chǎn)生。b.常見的熱電偶配置由兩條金屬線連接在一結(jié)點(diǎn)，每條線的開路結(jié)點(diǎn)與銅恒溫線連接。 | | | 圖2：本地溫度檢測IC(MAX6610)確定冷結(jié)點(diǎn)溫度。熱電偶和冷結(jié)點(diǎn)溫度感測器輸出電壓由16位元ADC(MAX7705)轉(zhuǎn)換。 | | | 圖3：遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)二極體靠近冷結(jié)點(diǎn)安裝檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準(zhǔn)電壓。 | | | 圖4：整合了冷結(jié)點(diǎn)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1：幾種常用的熱電偶類型。 | | | 表3：測量值取自不同烤箱內(nèi)的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度範(fàn)圍：-40℃至+85℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。 | | | 表3：測量值取自不同烤箱內(nèi)的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度範(fàn)圍：-40℃至+85℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。表中的熱結(jié)點(diǎn)測量值經(jīng)過補(bǔ)償。 | | | 表4：測量值取自不同烤箱內(nèi)的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度範(fàn)圍：0℃至+70℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。表中的熱結(jié)點(diǎn)測量值是電路提供的十進(jìn)制數(shù)字。 |
圖1b所示是一種*常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中導(dǎo)入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的結(jié)點(diǎn)。本例中，每個開路結(jié)點(diǎn)與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個額外結(jié)點(diǎn)，只要這兩個結(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仍然是熱結(jié)點(diǎn)與冷結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)，與Seebeck係數(shù)有關(guān)。然而，由於熱電偶測量的是溫度差，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))時是一種*簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結(jié)點(diǎn)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徵數(shù)據(jù)與溫度對應(yīng)關(guān)係的查找表，所有數(shù)據(jù)均基於0℃冷結(jié)點(diǎn)溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，透過查找適當(dāng)表格中的VH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℃，那麼，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。 選擇冷結(jié)點(diǎn)結(jié)溫測量元件 為了實(shí)現(xiàn)冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償，必須確定冷結(jié)點(diǎn)溫度，這可以透過任何類型的溫度檢測元件實(shí)現(xiàn)。在通用的溫度感測器IC、熱電調(diào)節(jié)器和RTD中，不同類型的元件具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。對於精密度要求非常高的應(yīng)用，經(jīng)過校準(zhǔn)的鉑RTD能夠在很寬的溫度範(fàn)圍內(nèi)保持較高精密度，但其成本很高。精密度要求不是很高時，採用熱敏電阻和矽晶溫度感測器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比矽IC具有更寬的測溫範(fàn)圍，而溫度感測器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佔(zhàn)用較多的微控制器資源。溫度感應(yīng)IC具有出色的線性度，但測溫範(fàn)圍很窄。 因此，必須根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇冷結(jié)點(diǎn)溫度測量元件，需???仔細(xì)考慮精密度、溫度範(fàn)圍、成本和線性指標(biāo)，以便得到*佳的性價比。 查找表方法 一旦你設(shè)立了一種冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，補(bǔ)償輸出電壓必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度，一種簡單的方法是採用來自NBS的查找表。用軟體實(shí)現(xiàn)查找表需要記憶體來儲存，但是在需要連續(xù)不斷地進(jìn)行測試時，這些表提供了一種快速和準(zhǔn)確的解決方案。兩種用於將熱偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度的其他方法需要不僅僅是查找表，這兩種方法是：使用多項(xiàng)式係數(shù)的線性近似值和熱電偶輸出訊號的類比線性化。 軟體線性值很流行，這是因?yàn)槌祟A(yù)先定義了的多項(xiàng)式係數(shù)以外，不需要儲存。這種方法的缺點(diǎn)是與多階多項(xiàng)式(multiple-orderpolynomial)相關(guān)的處理時間問題。對於更多階的多項(xiàng)式，處理時間進(jìn)一步增加。對於需要多次多項(xiàng)式的溫度測量應(yīng)用來說，查找表可能比線性近似值方法更有效且更準(zhǔn)確。 在軟體用來實(shí)現(xiàn)測量電壓到溫度(除了手動搜索查找表以外)的轉(zhuǎn)換之前，人們通常採用類比線性化方法。這種基於硬體的方法使用類比電路來修正熱偶響應(yīng)的非線性。其準(zhǔn)確性決定於採用近似修正的級數(shù)。這種方法依然廣泛應(yīng)用在那些接收熱偶訊號的萬用表中。 應(yīng)用電路 下面討論了三種利用矽感測器IC進(jìn)行冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償?shù)牡湫蛻?yīng)用，三個電路均用來解決溫度範(fàn)圍較窄(0℃至+70℃和-40℃至+85℃)的冷結(jié)點(diǎn)溫度補(bǔ)償，精密度在攝氏幾度以內(nèi)。**個電路在鄰近冷節(jié)點(diǎn)的地方採用了一個溫度感應(yīng)IC來確定其溫度；**個電路包含一個遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)二極體溫度檢測器，由連接成二極體的電晶體(直接連接到熱電偶的連接頭)為其提供測試訊號；第三個電路中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)內(nèi)建冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。所有三個電路均採用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。 1.典型應(yīng)用一 圖2所示電路中，16位元ADC將低電平熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成16位元串列數(shù)據(jù)輸出。整合可程式增益放大器有助於改善A/D轉(zhuǎn)換的解析度，這對於處理熱電偶小訊號輸出非常必要。溫度檢測IC靠近熱電偶接頭安裝，用於測量冷結(jié)點(diǎn)附近的溫度。這種方法假設(shè)IC溫度近似等於冷結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度感測器輸出由ADC的通道2進(jìn)行數(shù)位轉(zhuǎn)換。溫度感測器內(nèi)部的2.56V基準(zhǔn)節(jié)省了一個外部電壓基準(zhǔn)IC。 工作在雙載子性模式時，ADC可以轉(zhuǎn)換熱電偶的正訊號和負(fù)訊號，並在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單結(jié)點(diǎn)輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號，提供給微控制器。溫度檢測IC的輸出電壓與冷結(jié)點(diǎn)溫度成正比。為了確定熱結(jié)點(diǎn)溫度，需首先確定冷結(jié)點(diǎn)溫度，然後透過NBS提供的K型熱電偶查找表將冷結(jié)點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的熱電電壓(thermoelectricvoltage)。將此電壓與經(jīng)過PGA增益校準(zhǔn)的熱電偶讀數(shù)相加，*後再透過查找表將求和結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度，所得結(jié)果即為熱結(jié)點(diǎn)溫度。 表2列出了溫度測量結(jié)果，冷結(jié)點(diǎn)溫度變化範(fàn)圍：-40℃至+85℃，熱結(jié)點(diǎn)保持在+100℃。實(shí)際測量結(jié)果的精密度在很大程度上取決於本地溫度檢測IC的精密度和烤箱溫度。 2.典型應(yīng)用二 圖3所示電路中，遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)溫度檢測IC測量電路的冷結(jié)點(diǎn)溫度，與本地溫度檢測IC不同的是IC不需要靠近冷結(jié)點(diǎn)安裝，而是透過外部連接成二極體的電晶體測量冷結(jié)點(diǎn)溫度。電晶體直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測IC將電晶體的測量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)位輸出。ADC的通道1將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)位輸出，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。 表2、3列出了溫度測量結(jié)果，冷結(jié)點(diǎn)溫度變化範(fàn)圍：-40℃至+85℃，熱結(jié)點(diǎn)保持在+100℃。實(shí)際測量結(jié)果精密度在很大程度上取決於遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)二極體溫度檢測IC的精密度和烤箱溫度。 3.典型應(yīng)用三 圖4電路中的12位元ADC具有溫度檢測二極體，溫度檢測二極體將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成電壓量，IC透過處理熱電偶電壓和二極體的檢測電壓，運(yùn)算出補(bǔ)償後的熱結(jié)點(diǎn)溫度。數(shù)位輸出是對熱電偶測試溫度進(jìn)行補(bǔ)償後的結(jié)果，在0℃至+700℃溫度範(fàn)圍內(nèi)，元件溫度誤差保持在±9LSB以內(nèi)。雖然該元件的測溫範(fàn)圍較寬，但它不能測量0℃以下的溫度。 表4是圖4所示電路的測量結(jié)果，冷結(jié)點(diǎn)溫度變化範(fàn)圍：0℃至+70℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。 (責(zé)任編輯：admin) |