兩種簡(jiǎn)單、精確、靈活的熱電偶溫度測(cè)量方法

在參考接合點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓取決于測(cè)量接合點(diǎn)和參考接合點(diǎn)兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對(duì)式溫度測(cè)量器件，必須知道參考接合點(diǎn)溫度以獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)。這一過(guò)程被稱為參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償（冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）。

熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價(jià)比測(cè)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(chǎng)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(diǎn)是分別含鉻、鋁、鎂和硅的鎳合金），測(cè)量范圍是–200°C 至+1250°C。

*我們使用術(shù)語(yǔ)“測(cè)量接合點(diǎn)“和“參考接合點(diǎn)”而不是更傳統(tǒng)的“熱接合點(diǎn)”和“冷接合點(diǎn)”。傳統(tǒng)命名體系可能會(huì)令人產(chǎn)生困惑，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，測(cè)量接合點(diǎn)可能比參考接合點(diǎn)溫度更低。

為什么使用熱電偶？

優(yōu)點(diǎn)

? 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(shí)際的溫度范圍。熱電偶測(cè)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(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。

? 響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小，熱容量低，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng)。

? 無(wú)自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。

缺點(diǎn)

? 信號(hào)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(hào)調(diào)理。一直以來(lái)，信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會(huì)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(cè)量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測(cè)量精度，一般在 1°C 至 2°C 內(nèi)。

? 易受腐蝕：因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時(shí)間而腐蝕可能會(huì)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(cè)量毫伏級(jí)信號(hào)變化時(shí)，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)引起問(wèn)題。絞合的熱電偶線對(duì)可能大幅降低磁場(chǎng)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(chǎng)耦合。測(cè)量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號(hào)過(guò)濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

熱電偶測(cè)量的難點(diǎn)

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(hào)太弱，溫度電壓關(guān)系呈非線性，需要參考接合點(diǎn)補(bǔ)償，且熱電偶可能引起接地問(wèn)題。讓我們逐一分析這些問(wèn)題。

電壓信號(hào)太弱：最常見(jiàn)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(jiàn)的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級(jí)。表 1 比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

1. 25°C 時(shí)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?yàn)殡妷盒盘?hào)微弱，信號(hào)調(diào)理電路一般需要約 100 左右的增益，這是相當(dāng)簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)理。更棘手的事情是如何識(shí)別實(shí)際信號(hào)和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長(zhǎng)，經(jīng)常穿過(guò)電氣噪聲密集環(huán)境。引線上的噪聲可輕松淹沒(méi)微小的熱電偶信號(hào)。

一般結(jié)合兩種方案來(lái)從噪聲中提取信號(hào)。第一種方案使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來(lái)放大信號(hào)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)噪聲同時(shí)出現(xiàn)在兩根線上（共模），差分測(cè)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(shí)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(gè)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(wú)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(diǎn)補(bǔ)償：要獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)，必須知道熱電偶參考接合點(diǎn)的溫度。當(dāng)?shù)谝淮问褂脽犭娕紩r(shí)，這一步驟通過(guò)將參考接合點(diǎn)放在冰池內(nèi)來(lái)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(lái)詳盡描述各種熱電偶類型的特點(diǎn)，因此幾乎所有的熱電偶表都使用 0°C 作為參考溫度。

但對(duì)于大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)而言，將熱電偶的參考接合點(diǎn)保持在冰池內(nèi)不切實(shí)際。大多數(shù)系統(tǒng)改用一種稱為參考接合點(diǎn)補(bǔ)償（又稱為冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）的技術(shù)。參考接合點(diǎn)溫度使用另一種溫度敏感器件來(lái)測(cè)量—一般為 IC、熱敏電阻、二極管或 RTD（電阻溫度測(cè)量器）。然后對(duì)熱電偶電壓讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償以反映參考接合點(diǎn)溫度。必須盡可能精確地讀取參考接合點(diǎn)—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點(diǎn)相同的溫度。任何讀取參考接合點(diǎn)溫度的誤差都會(huì)直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中。

可使用各種傳感器來(lái)測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度：

1. 熱敏電阻：響應(yīng)快、封裝?。坏缶€性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內(nèi)。要求激勵(lì)電流，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熱，引起漂移。結(jié)合信號(hào)調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差。
2. 電阻溫度測(cè)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(guò)程控制應(yīng)用。
3. 遠(yuǎn)程熱二極管：二極管用來(lái)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(dú)立 IC，應(yīng)小心地靠近參考接合點(diǎn)安裝，并可組合參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理。可獲得遠(yuǎn)低于 1°C 的精度。電壓信號(hào)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(shí)，T 型熱電偶輸出按 39 μV/°C 變化，但在 100°C 時(shí)斜率增加至 47 μV/°C。

有三種常見(jiàn)的方法來(lái)對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。選擇曲線相對(duì)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(cè)量的方案，這種方案不需要復(fù)雜的計(jì)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(shí)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(jiàn)圖 3）。

另一個(gè)方案是將查找表存儲(chǔ)在內(nèi)存中，查找表中每一組熱電偶電壓與其對(duì)應(yīng)的溫度相匹配。然后，使用表中兩個(gè)最近點(diǎn)間的線性插值來(lái)獲得其它溫度值。

第三種方案使用高階等式來(lái)對(duì)熱電偶的特性進(jìn)行建模。這種方法雖然最精確，但計(jì)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(diǎn)補(bǔ)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(diǎn)溫度。在參考集合點(diǎn)處于任何其它溫度時(shí)，必須使用參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

接地要求：熱電偶制造商在測(cè)量接合點(diǎn)上設(shè)計(jì)了絕緣和接地兩種尖端（圖 4）。

設(shè)計(jì)熱電偶信號(hào)調(diào)理時(shí)應(yīng)在測(cè)量接地?zé)犭娕紩r(shí)避免接地回路，還要在測(cè)量絕緣熱電偶時(shí)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(jì)應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)熱電偶尖端和測(cè)量系統(tǒng)地之間的任何接地差異（圖 5）。

對(duì)于非隔離系統(tǒng)，雙電源信號(hào)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?yàn)槠鋵捁材］斎敕秶?，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(cè)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(jiǎn)單或整體測(cè)量系統(tǒng)隔離的情況。但是，不建議設(shè)計(jì)非隔離系統(tǒng)來(lái)測(cè)量接地或裸露熱電偶。

實(shí)用熱電偶解決方案：熱電偶信號(hào)調(diào)理比其它溫度測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理更復(fù)雜。信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)和調(diào)試所需的時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的上市時(shí)間。信號(hào)調(diào)理部分產(chǎn)生的誤差可能會(huì)降低精度，尤其在參考接合點(diǎn)補(bǔ)償段。下列兩種解決方案可以解決這些問(wèn)題。第一種方案詳細(xì)介紹了一種簡(jiǎn)單的模擬集成硬件解決方案，它使用一個(gè) IC 將直接熱電偶測(cè)量和參考接合點(diǎn)補(bǔ)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(diǎn)補(bǔ)償方案，熱電偶測(cè)量精度更高，可更靈活地使用多種類型熱電偶。

測(cè)量方案 1：為簡(jiǎn)單而優(yōu)化

圖 6 所示為 K 型熱電偶測(cè)量示意圖。它使用了 AD8495 熱電偶放大器，該放大器專門設(shè)計(jì)用于測(cè)量 K 型熱電偶。這種模擬解決方案為縮短設(shè)計(jì)時(shí)間而優(yōu)化：它的信號(hào)鏈比較簡(jiǎn)潔，不需要任何軟件編碼。

這種簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈?zhǔn)侨绾谓鉀Q K 型熱電偶的信號(hào)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(hào)被 AD8495 放大 122 的增益，形成 5-mV/°C 的輸出信號(hào)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(lái)抑制。再由外部后置濾波器解決任何殘余噪聲。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：由于包括一個(gè)溫度傳感器來(lái)補(bǔ)償環(huán)境溫度變化，AD8495 必須放在參考接合點(diǎn)附近以保持相同的溫度，從而獲得精確的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

非線性校正：通過(guò)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(lái)擴(kuò)大溫度范圍。

表 2.解決方案 1（圖 6）性能概述

絕緣、接地和裸露熱電偶的處理：圖 5 所示為一個(gè)接地 1M? 電阻，它適用于所有熱電偶尖端類型。AD8495 專門設(shè)計(jì)以在如圖所示搭配單電源時(shí)測(cè)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(gè)儀表放大器，它使用恰好產(chǎn)生 5 mV/°C 輸出電壓的一個(gè)增益來(lái)對(duì) K 型熱電偶輸出進(jìn)行放大。在標(biāo)記“Ref junction compensation”（參考接合點(diǎn)補(bǔ)償）的框內(nèi)是一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。在測(cè)量接合點(diǎn)溫度保持穩(wěn)定的條件下，如果參考接合點(diǎn)溫度由于任何原因而上升，來(lái)自熱電偶的差分電壓就會(huì)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(diǎn)的熱區(qū)域，參考接合點(diǎn)補(bǔ)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(duì)參考溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

表 2 概述了使用 AD8495 的集成硬件解決方案的性能：

測(cè)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(cè)量 J、K 或 T 型熱電偶的示意圖。此電路包括一個(gè)小信號(hào)熱電偶電壓測(cè)量用的高精度 ADC，和一個(gè)參考接合點(diǎn)溫度測(cè)量用的高精度溫度傳感器。兩個(gè)器件都由一個(gè)外部微處理器使用 SPI 接口進(jìn)行控制。

這種配置如何滿足前述信號(hào)調(diào)理要求的呢？

消除噪聲并放大電壓：如圖 9 所示，使用 AD7793 一種高精度、低功耗模擬前端來(lái)測(cè)量熱電偶電壓。熱電偶輸出經(jīng)過(guò)外部濾波后連接到一組差分輸入 AIN1(+)和 AIN1(–)。信號(hào)然后依次經(jīng)過(guò)一個(gè)多路復(fù)用器、一個(gè)緩沖器和一個(gè)儀表放大器（放大熱電偶小信號(hào)）發(fā)送到一個(gè) ADC，它將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

表 3.解決方案 2（圖 8）性能概述

參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償：ADT7320（詳見(jiàn)圖 10）在充分靠近參考接合點(diǎn)放置時(shí)在–10°C 至+85°C 溫度范圍內(nèi)參考接合點(diǎn)溫度測(cè)量精度可達(dá)到±0.2°C。片上溫度傳感器產(chǎn)生與絕對(duì)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(gè) 16 位溫度值寄存器。然后通過(guò) 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(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

校正非線性度：ADT7320 在整個(gè)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(diǎn)狀態(tài)的精確表示。

為了確定實(shí)際熱電偶溫度，必須使用美國(guó)國(guó)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(cè)量值轉(zhuǎn)換成等效熱電電壓。此電壓與 AD7793 測(cè)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)犭娕迹簣D 8 所示為具有裸露尖端的熱電偶。此提供最佳響應(yīng)時(shí)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(diǎn)測(cè)量解決方案的性能：

圖 10. ADT7320 功能框圖。

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(diǎn)補(bǔ)償基于以下關(guān)系：

其中：

ΔV = 熱電偶輸出電壓
V @ J1 = 在熱電偶接合點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓
V @ J2 = 在參考接合點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓

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

在測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度后，必須將其轉(zhuǎn)換成等效的熱電電壓，它在接合點(diǎn)處于測(cè)量溫度下時(shí)產(chǎn)生。一種方法是使用冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式。熱電電壓計(jì)算如下：

其中：

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

NIST 發(fā)布每一種熱電偶的多項(xiàng)式系數(shù)表。這些表包括系數(shù)列表、階數(shù)（多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)）、每個(gè)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(gè)系數(shù)表以涵蓋整個(gè)溫度操作范圍。冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式表在正文中列出。

關(guān)于作者

Matthew Duff[matthew.duff@analog.com]于2005 年加入 ADI 公司，任集成放大器產(chǎn)品部應(yīng)用工程師。此前，他供職于 NationalInstruments，從事儀器儀表和汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理工作。他擁有德州農(nóng)工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和佐治亞理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位。

Joseph Towey [joe.towey@analog.com] 于2002 年加入 ADI 公司，任熱傳感部的高級(jí)測(cè)試研發(fā)工程師。他目前是熱傳感和交換機(jī)/多路復(fù)用器部的應(yīng)用經(jīng)理。此前，Joe 就職于Tellabs 和 Motorola，均擔(dān)任測(cè)試研發(fā)和項(xiàng)目管理職務(wù)。他擁有計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)位（榮譽(yù)）和電子工程學(xué)位。

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