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兩種簡單、精確、靈活的熱電偶溫度測量方法

作者：Matthew Duff和Joseph Towey

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(jìn)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。

圖1.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，因為在許多應(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（冷接合點補償）。

熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價比測量寬溫度范圍的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。它們應(yīng)用于高達(dá)約+2500°C的各種場合，如鍋爐、熱水器、烤箱和風(fēng)機(jī)引擎等。K型是最受歡迎的熱電偶，包括Chromel?和Alumel?（特點是分別含鉻、鋁、鎂和硅的鎳合金），測量范圍是–200°C至+1250°C。

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–200°C至+2500°C之間, 具體取決于所使用的金屬線。
• 堅固耐用：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：因為它們體積小，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：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。

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(jìn)行大量的信號調(diào)理。一直以來，信號調(diào)理耗費大量設(shè)計時間，處理不當(dāng)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達(dá)到參考接合點溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內(nèi)。
• 易受腐蝕：因為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(hù)；且保養(yǎng)維護(hù)必不可少。
• 抗噪性差：當(dāng)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(hù)可降低電場耦合。測量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號過濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）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 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。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比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

表1. 25°C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)）

因為電壓信號微弱，信號調(diào)理電路一般需要約100左右的增益，這是相當(dāng)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。因為大多數(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（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（電源）的工頻干擾。在放大器前面放置一個射頻干擾濾波器（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—它可以與RFI濾波器組合放在放大器和ADC之間，作為∑-Δ ADC濾波器的一部分，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(dāng)?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°C）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0°C作為參考溫度。

圖2. 基本的鐵-康銅熱電偶電路

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）的技術(shù)。參考接合點溫度使用另一種溫度敏感器件來測量—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(jìn)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—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、封裝小；但要求線性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內(nèi)。要求激勵電流，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)定且呈合理線性，但封裝尺寸和成本限制其應(yīng)用于過程控制應(yīng)用。
3. 遠(yuǎn)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±1°C。
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?？色@得遠(yuǎn)低于1°C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0°C時，T型熱電偶輸出按39 μV/°C變化，但在100°C時斜率增加至47 μV/°C。

有三種常見的方法來對熱電偶的非線性進(jìn)行補償。

選擇曲線相對較平緩的一部分并在此區(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)測量的方案，這種方案不需要復(fù)雜的計算。K和J型熱電偶比較受歡迎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(dāng)恒定（參見圖1）。

圖3.熱電偶靈敏度隨溫度而變化注意，從0°C至1000°C，K型塞貝克系數(shù)大致恒定在約 41 μV/°C

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(jìn)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。熱電偶表和更高階熱電偶等式可從http://srdata.nist.gov/its90/main/獲得。這些表格和等式全部基于0°C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4）

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?zé)犭娕紩r避免接地回路，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）。

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)。因為其寬共模輸入范圍，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能力，那么單電源系統(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簡單或整體測量系統(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)理部分產(chǎn)生的誤差可能會降低精度，尤其在參考接合點補償段。下列兩種解決方案可以解決這些問題。

第一種方案詳細(xì)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(xì)介紹了一種基于軟件的參考接合點補償方案，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：它的信號鏈比較簡潔，不需要任何軟件編碼。

圖6.測量解決方案1：為簡單而優(yōu)化

這種簡單的信號鏈?zhǔn)侨绾谓鉀QK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-mV/°C的輸出信號靈敏度（200°C/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殘余噪聲。

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(zhǔn)，AD8495在K型熱電偶曲線的線性部分獲得5 mV/°C輸出，在–25°C至+400°C溫度范圍內(nèi)的線性誤差小于2°C。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(kuò)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1M?電阻，它適用于所有熱電偶尖端類型。AD8495專門設(shè)計以在如圖所示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A1、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5 mV/°C輸出電壓的一個增益來對K型熱電偶輸出進(jìn)行放大。在標(biāo)記“Ref junction compensation”（參考接合點補償）的框內(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（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495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(jìn)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：

測量解決方案2：為精度和靈活性而優(yōu)化
圖8顯示高精度測量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(jìn)行控制。

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—一種高精度、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AIN1(–)。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。

圖9. AD7793功能框圖

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–10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)參考接合點溫度測量精度可達(dá)到±0.2°C。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(zhǔn)電壓相比較并輸入至精密數(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位溫度值寄存器。然后通過SPI接口從微處理器回讀溫度值寄存器，并結(jié)合ADC的溫度讀數(shù)一起實現(xiàn)補償。

圖10. ADT7320功能框圖

校正非線性度：ADT7320在整個額定溫度范圍（–40°C至+125°C）內(nèi)呈現(xiàn)出色的線性度，不需要用戶校正或校準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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?zé)犭娕迹?/b>圖8所示為具有裸露尖端的熱電偶。此提供最佳響應(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	–10°C至+85°C –20°C 至 +105°C	±0.2°C ±0.25°C	3 mW 3 mW

結(jié)論
熱電偶在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的溫度測量，但因為需要在設(shè)計時間和精度之間進(jìn)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。

第一種解決方案注重借助基于硬件的模擬參考接合點補償技術(shù)來降低測量的復(fù)雜度。它可以實現(xiàn)簡單的信號鏈，不需要任何軟件編程，依賴于AD8495熱電偶放大器所提供的集成特性，該放大器產(chǎn)生5mV/°C輸出信號，可饋入到各種微處理器的模擬輸入。

第二種解決方案提供最高測量精度，還可使用各種熱電偶類型。作為一種基于軟件的參考接合點補償技術(shù)，它依賴于高精度ADT7320數(shù)字溫度傳感器來提供精度遠(yuǎn)超迄今所實現(xiàn)精度的參考接合點補償測量。ADT7320在–40°C至+125°C溫度范圍完全校準(zhǔn)并指定。完全透明，不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或RTD傳感器測量，它既不需要在電路板裝配后進(jìn)行高成本的校準(zhǔn)步驟，也不會因校準(zhǔn)系數(shù)或線性化程序而消耗處理器或內(nèi)存資源。其功耗只有數(shù)毫瓦，避免了降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問題。

附錄
使用NIST公式將ADT7320溫度轉(zhuǎn)換成電壓

熱電偶參考接合點補償基于以下關(guān)系：

(1)

其中：

ΔV = 熱電偶輸出電壓 V @ J1 = 在熱電偶接合點處產(chǎn)生的電壓 V @ J1 = 在參考接合點處產(chǎn)生的電壓

要使這種補償關(guān)系生效，參考接合點的兩個端子必須維持在相同的溫度。溫度均衡是使用一個等溫端子塊使兩個端子的溫度相同，同時保持電氣隔離。

在測量參考接合點溫度后，必須將其轉(zhuǎn)換成等效的熱電電壓，它在接合點處于測量溫度下時產(chǎn)生。一種方法是使用冪級數(shù)多項式。熱電電壓計算如下：

(2)

其中：

E = 熱電電壓（毫伏） an = 熱電偶類型相關(guān)的多項式系數(shù) T = 溫度（°C） n = 多項式階數(shù)

NIST發(fā)布每一種熱電偶的多項式系數(shù)表。這些表包括系數(shù)列表、階數(shù)（多項式的項數(shù)）、每個系數(shù)列表的有效溫度范圍和誤差范圍。某些類型熱電偶要求多個系數(shù)表以涵蓋整個溫度操作范圍。冪級數(shù)多項式表在正文中列出。

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