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如何进行热电偶测量 |
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作者：ADI公司 Matthew Duff和Joseph Towey |
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热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准方法。它们应用于高达约+2500°C的各种场合，如锅炉、热水器、烤箱和飞机引擎等。
热电偶具有下列优点：
- 温度范围广：从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实际的温度范围。热电偶测量温度范围在-200°C至+2500°C之间，具体取决于所使用的金属线。
- 坚固耐用：热电偶属于耐用器件，抗冲击和抗振动性好，适合危险恶劣的环境。
- 响应快：热电偶对温度响应快，尤其在感应接合点裸露时。它们体积小，热容量低，可在数百毫秒内对温度变化做出响应。
- 无自发热：由于热电偶不需要激励电源，因此不易自发热。
热电偶类型众多，其中K型最受欢迎，原因是它具有相对较大的输出电压、可在宽温度范围内保持线性，并且成本低。
热电偶原理
热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成。相连的一头称为测量接合点或热接合点。金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线，它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考（"冷"）接合点。
在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。由于热电偶是一种差分器件而不是绝对温度测量器件，必须知道一个接合点的参考温度才能从输出电压推算出另一个接合点的温度。
热电偶的最大缺点是将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行复杂的信号调理。一直以来，这种复杂的信号调理耗费着大量设计时间，处理不当就会引入误差，导致精度降低。信号调理的要求具体有哪些呢？
信号调理要求
放大电压：热电偶输出电压随温度的变化幅度只有每度μV。例如，常用的K型变化幅度为41 μV/°C。这种微弱的信号在模数转换前需要较高的增益级。
消除噪声：噪声可轻松淹没微小的热电偶信号，特别是当长热电偶线穿过工业环境时。由于大多数噪声是两条引线共有的，因此测量系统应采用差分输入。大多数噪声都是线路噪声，可通过能够抑制50 Hz和60 Hz噪声的低通滤波器滤除。
参考接合点补偿：热电偶的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。由于我们仅对测量接合点的温度感兴趣，因此必须消除参考接合点的影响，即需要进行"参考接合点补偿"，也称为"冷接合点补偿"。参考接合点补偿是通过用另一种温度器件（一般为IC、热敏电阻、二极管或RTD）测量参考接合点温度来进行的。必须尽可能精确地读取参考接合点，一方面要使用精确的温度传感器，另一方面要确保该传感器处在与参考接合点相同的温度下。任何读取参考接合点温度的误差都会直接反映在最终热电偶读数中。
校正非线性度：热电偶响应曲线的斜率随温度而变化。例如，T型热电偶在0°C时按39 μV/°C变化，但在100°C时斜率变为47 μV/°C。有三种方法可对热电偶的非线性进行补偿。
第一种方法是选择曲线相对较平缓的区域并在此区域内将斜率近似为线性，这种方法特别适合于温度范围有限且不需要复杂计算的测量。第二种方法是将一个查找表存储在内存中，查找表中的热电偶电压要与其对应的温度相匹配，然后使用线性近似法在查找表中的点之间进行插值。第三种方法使用高阶公式来对热电偶的特性进行建模。注意，这些表格和公式全部基于0°C参考接合点温度。对于其它参考接合点温度，必须进行参考接合点补偿。
图2. 热电偶的非线性
处理热电偶的绝缘和接地：热电偶制造商在测量接合点上设计了绝缘和接地两种尖端。设计热电偶信号调理时应在测量接地热电偶时避免接地回路，还要在测量绝缘热电偶时具有一条放大器输入偏压电流路径。此外，如果热电偶尖端接地，放大器输入范围的设计应能够应对热电偶尖端和测量系统地之间的任何接地差异。
相对于其它温度测量解决方案，热电偶的复杂信号调理是一个缺点。信号调理设计和调试所需的时间可能会延长产品的上市时间。信号调理部分产生的误差可能会降低精度，尤其在冷接合点补偿段。下列两种解决方案可以解决这些问题。
第一种方案详细介绍了一种简单的集成硬件解决方案，它将参考接合点补偿和热电偶测量结合在一起。第二种方案详细介绍了一种基于软件的参考接合点补偿方案，热电偶测量精度更高，可更灵活地使用多种类型热电偶。
测量解决方案1：为简单而优化
图3所示为K类型热电偶测量示意图。它使用了AD8495热电偶放大器，该放大器专门设计用于测量K型热电偶。这种解决方案为缩短设计时间而优化：它的信号链比较简洁，不需要任何软件编码。
图3. K型热电偶测量示意图
这种简单的信号链是如何解决上述信号调理要求的呢？
放大电压：微弱的热电偶信号被AD8495放大122倍，形成5mV/°C的输出信号。
消除噪声：高频共模和差分噪声由AD8495前置的RFI滤波器消除。低频率共模噪声由AD8495的仪表放大器来抑制。残余噪声则由AD8495后置的滤波器解决。
参考接合点补偿：AD8495内置一个温度传感器，可内部补偿环境温度变化。必须将AD8495放在参考接合点附近以保持相同的温度，从而获得精确的参考接合点补偿。
校正非线性度：通过校准，AD8495在K型热电偶曲线的线性部分获得5 mV/°C输出，在-25°C至+400°C温度范围内的线性误差小于2°C。如果需要此范围以外的温度，ADI公司有一篇应用笔记介绍了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩大温度范围。
处理热电偶的绝缘和接地：该方案使用一个接地1 M?电阻，该电阻同时适用于接地型和绝缘型热电偶尖端。图中显示AD8495采用5 V单电源工作，它专门设计以在搭配单电源时测量地电压以下数百毫伏。如果希望更大地压差，AD8495还可采用双电源工作。
图4所示为AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1、A2、A3及所示电阻一道形成一个仪表放大器，它放大热电偶电压，使输出电压为5 mV/°C。在标记为"Ref junction compensation"（参考接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。如果参考接合点温度上升，来自热电偶的差分电压就会降低。为了进行补偿，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大器内，使输出电压保持恒定。
表1概述了该集成硬件解决方案的性能：表1： 集成硬件解决方案的性能
测量解决方案2：为精度和灵活性而优化
图5显示高精度测量J、K或T型热电偶的示意图。此电路包括一个小信号热电偶电压测量用的高精度ADC，和一个参考接合点温度测量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个单独的微处理器使用SPI接口进行控制。
图5. 基于软件的参考接合点补偿方案
这种信号链如何满足上述信号调理要求呢？
放大电压：如图6所示，使用高精度、低功耗ADC AD7793来测量热电偶电压。热电偶线连接到一组差分输入AIN1(+)和AIN1(-)，然后依次经过一个多路复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器（放大热电偶小信号）。
图6. AD7793功能框图
消除噪声：由于输入通道具有缓冲功能，因此将滤波器电容置于前端，以便于消除可能出现在热电偶引线上的拾取噪声。
参考接合点补偿：AD7320在-10°C至+85°C温度范围内测量参考接合点温度的精度可达到±0.2°C。参见图7，片上温度传感器产生与绝对温度成正比的电压，该电压与内部基准电压相比较并输入至精密数字调制器。调制器输出的数字化结果用于刷新一个16位温度值寄存器，然后通过SPI接口从微控制器回读温度值寄存器。为获得最佳结果，温度传感器应尽可能靠近参考接合点放置。
图7. ADT7320功能框图
校正非线性度：AD7320在整个额定温度范围（-40°C至+125°C）内呈现出色的线性度，不需要用户校正或校准。
为了确定实际热电偶温度，必须使用美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式将参考温度测量值转换成等效热电电压。此电压与AD7793测量的热电偶电压相加，然后再次使用NIST公式将两者之和又转换回热电偶温度。
处理绝缘和接地热电偶：图5所示为具有裸露尖端的热电偶。这可提供最佳响应时间。
下表概述了基于软件的参考（冷）接合点测量解决方案的性能：
结论
热电偶可在极宽的温度范围内提供稳定可靠的温度测量，但因为设计时间较长或者精度较低，它们往往不是温度测量的首选。本文针对每种问题都提供了一种解决方案。
第一种解决方案注重降低测量的复杂度，采用的是基于硬件的冷接合点补偿技术。它可以实现简单的信号链，不需要任何软件编程。它依靠AD8495所提供的集成特性产生5mV/°C输出信号，可馈入到各种微控制器的模拟输入端。
第二种解决方案可提供最高测量精度，还适用于不同的热电偶类型。作为一种基于软件的冷接合点补偿技术，它依赖于高精度ADT7320数字温度传感器来提供精度远超过去所实现精度的参考接合点补偿测量。ADT7320在-40°C至+125°C温度范围内完全校准并提供额定性能。不同于传统的热敏电阻或RTD传感器，它既不需要在电路板装配后进行高成本的校准步骤，也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或内存资源。 ADT7320的功耗只有数微瓦，避免了会降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/8/2011) |
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