PDF《两种简单、精确、灵活的热电偶温》

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1 两种简单、 精确、 灵活的热电偶温 度测量方法 作者:Matthew Duff 和Joseph Towey 简介 热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件.本文简单概述了 热电偶,介绍了利用热电偶进行设计的过程中常见的挑战,并 提出两种信号调理解决方案.第一种方案将参考接合点补偿和 信号调理集成在一个模拟 IC 内,使用更简便;

第二种方案将参 考接合点补偿和信号调理独立开来,使数字输出温度感应更灵 活、更精确. 热电偶原理 如图

1 所示,热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成,相连 端称为测量( 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.* 图1.热电偶. 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式温度测量器 件,必须知道参考接合点温度以获得精确的绝对温度读数.这一 过程被称为参考接合点温度补偿(冷接合点补偿). 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、 烤箱和风机引擎等. K 型是最受欢迎的热电偶, 包括 Chromel? 和Alumel? (特点是分别含铬、铝、镁和硅的镍合金),测量范 围是C200°C 至+1250°C. *我们使用术语 测量接合点 和 参考接合点 而不是更传统的 热 接合点 和 冷接合点 .传统命名体系可能会令人产生困惑,因为 在许多应用中,测量接合点可能比参考接合点温度更低. 为什么使用热电偶? 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C200°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,抗冲击振动性好,适合于 危险恶劣的环境. ? 响应快:因为它们体积小,热容量低,热电偶对温度变化响 应快,尤其在感应接合点裸露时.它们可在数百毫秒内对温 度变化作出响应. ? 无自发热:由于热电偶不需要激励电源,因此不易自发热, 其本身是安全的. 缺点 ? 信号调理复杂: 将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行 大量的信号调理.一直以来,信号调理耗费大量设计时间,处 理不当就会引入误差,导致精度降低. ? 精度低: 除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精确性 外,热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度, 一般在 1°C 至2°C 内. ? 易受腐蚀:因为热电偶由两种不同的金属所组成,在一些工 况下,随时间而腐蚀可能会降低精度.因此,它们可能需要 保护;

且保养维护必不可少. ? 抗噪性差:当测量毫伏级信号变化时,杂散电场和磁场产生 的噪声可能会引起问题. 绞合的热电偶线对可能大幅降低磁 场耦合. 使用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护可降低电 场耦合.测量器件应当提供硬件或软件方式的信号过滤,有 力抑制工频频率(50 Hz/60 Hz)及其谐波. 热电偶测量的难点 将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数并不是件轻松的事 情,原因很多:电压信号太弱,温度电压关系呈非线性,需要参 考接合点补偿,且热电偶可能引起接地问题.让我们逐一分析这 些问题. 电压信号太弱:最常见的热电偶类型有 J、K 和T型.在室温 下,其电压变化幅度分别为

52 ?V/°C、41 ?V/°C 和41 ?V/°C. 其它较少见的类型温度电压变化幅度甚至更小.这种微弱的信 号在模数转换前需要较高的增益级.表1比较了各种热电偶类 型的灵敏度.

2 Analog Dialogue 44-10, October (2010) 表1. 25°C 时各种热电偶类型的电压变化和温度升高关系 (塞贝克系数) 热电偶类型 塞贝克系数 (?V/°C) E

61 J

52 K

41 N

27 R

9 S

6 T

41 因为电压信号微弱,信号调理电路一般需要约

100 左右的增益, 这是相当简单的信号调理. 更棘手的事情是如何识别实际信号和 热电偶引线上的拾取噪声.热电偶引线较长,经常穿过电气噪声 密集环境.引线上的噪声可轻松淹没微小的热电偶信号. 一般结合两种方案来从噪声中提取信号. 第一种方案使用差分输 入放大器(如仪表放大器)来放大信号.因为大多数噪声同时出 现在两根线上(共模),差分测量可将其消除.第二种方案是低 通滤波,消除带外噪声.低通滤波器应同时消除可能引起放大器 整流的射频干扰(1 MHz 以上)和50 Hz/60 Hz(电源)的工频 干扰.在放大器前面放置一个射频干扰滤波器(或使用带滤波输 入的放大器)十分重要.50Hz/60Hz 滤波器的位置无关紧要―它 可以与 RFI 滤波器组合放在放大器和 ADC 之间,作为∑-Δ ADC 滤波器的一部分,或可作为均值滤波器在软件内编程. 参考接合点补偿:要获得精确的绝对温度读数,必须知道热电偶 参考接合点的温度.当第一次使用热电偶时,这一步骤通过将参 考接合点放在冰池内来完成.图2描述一头处于未知温度,另一 头处于冰池(0°C)内的热电偶电路.这种方法用来详尽描述各 种热电偶类型的特点, 因此几乎所有的热电偶表都使用 0°C 作为 参考温度. 图2. 基本的铁-康铜热电偶电路. 但对于大多数测量系统而言, 将热电偶的参考接合点保持在冰池 内不切实际.大多数系统改用一种称为参考接合点补偿(又称为 冷接合点补偿)的技术.参考接合点温度使用另一种温度敏感器 件来测量―一般为 IC、热敏电阻、二极管或 RTD(电阻温度测 量器) . 然后对热电偶电压读数进行补偿以反映参考接合点温度. 必须尽可能精确地读取参考接合点―将精确温度传感器保持在 与参考接合点相同的温度. 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. 可使用各种传感器来测量参考接合点温度: 1. 热敏电阻:响应快、封装小;

但要求线性,精度有限,尤 其在宽温度范围内.要求激励电流,会产生自发热,引起 漂移.结合信号调理功能后的整体系统精度差. 2. 电阻温度测量器(RTD) :RTD 更精确、稳定且呈合理线 性,但封装尺寸和成本限制其应用于过程控制应用. 3. 远程热二极管:二极管用来感应热耦连接器附近的温度. 调节芯片将和温度成正比的二极管电压转换成模拟或数 字输出.其精度限于约±1°C. 4. 集成温度传感器: 集成温度传感器是一种局部感应温度的 独立 IC,应小心地靠近参考接合点安装,并可组合参考 接合点补偿和信号调理.可获得远低于 1°C 的精度. 电压信号非线性:热电偶响应曲线的斜率随温度而变化.例如, 在0°C 时,T 型热电偶输出按

39 ?V/°C 变化,但在 100°C 时斜 率增加至

47 ?V/°C. 有三种常见的方法来对热电偶的非线性进行补偿. 选择曲线相对较平缓的一部分并在此区域内将斜率近似为线性, 这是一种特别适合于有限温度范围内测量的方案, 这种方案不需 要复杂的计算. K 和J型热电偶比较受欢迎的诸多原因之一是它 们同时在较大的温度范围内灵敏度的递增斜率(塞贝克系数)保 持相当恒定(参见图 3). 图3.热电偶灵敏度随温度而变化注意,从0°C 至1000°C, K 型塞贝克系数大致恒定在约

41 ?V/°C. Analog Dialogue 44-10, October (2010)

3 另一个方案是将查找表存储在内存中, 查找表中每一组热电偶电 压与其对应的温度相匹配.然后,使用表中两个最近点间的线性 插值来获得其它温度值. 第三种方案使用高阶等式来对热电偶的特性进行建模. 这种方法 虽然最精确,但计算量也最大.每种热电偶有两组等式.一组将 温度转换为热电偶电压(适用于参考接合点补偿).另一组将热 电偶电压转换成温度.热电偶表和更高阶热电偶等式可从 http://srdata.nist.gov/its90/main/获得.这些表格和等式全部基于 0°C 参考接合点温度.在参考集合点处于任何其它温度时,必须 使用参考接合点补偿. 接地要求: 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(图4). 图4.热电偶测量接合点类型. 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(图5). 图5.使用不同尖端类型时的接地方式. 对于非隔离系统, 双电源信号调理系统一般有助于接地尖端和裸 露尖端类型获得更稳定的表现.因为其宽共模输入范围,双电源 放大器可以处理 PCB(印刷电路板)地和热电偶尖端地之间的 较大压差. 如果放大器的共模范围具有在单电源配置下测量地电 压以下的某些能力, 那么单电源系统可以在所有三种尖端情况下 获得满意的性能.要处理某些单电源系统中的共模限制,将热电 偶偏压至中间量程电压非常有用. 这完全适合于绝缘热电偶简单 或整体测量系统隔离的情况.但是,不建议设计非隔离系统来测 量接地或裸露热电偶. 实用热电偶解决方案: 热电偶信号调理比其它温度测量系统的信 号调理更复杂. 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 参考接合点补偿段.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模拟集成硬件解决方案, 它使 用一个 IC 将直接热电偶测量和参考接合点补偿结合在一起.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. 测量方案 1:为简单而优化 图6所示为 K 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.这种模拟解 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6.测量解决方案 1:为简单而优化. 这种简单的信号链是如何解决 K 型热电偶的信号调理要求的 呢? 增益和输出比例系数: 微弱的热电偶信号被 AD8495 放大

122 的 增益,形成 5-mV/°C 的输出信号灵敏度(200°C/V). 降噪: 高频共模和差分噪声由外部 RFI 滤波器消除. 低频率共模 噪声由 AD8495 的仪表放大器来抑制. 再由外部后置滤波器解决 任何残余噪声. 参考接合点补偿:由于包括一个温度传感器来补偿环境温度变 化,AD8495 必须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. 非线性校正: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C25°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 应用笔记 AN-1087 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.

4 Analog Dialogue 44-10, October (2010) 表2.解决方案 1(图6)性能概述 热电偶类型 测量接合点范围 参考接合点温度范围 25°C 时精度 功耗 K C25°C 至+400°C 0°C 至50°C ±3°C(A 级特性) ±1°C(C 级特性) 1.25 mW 绝缘、接地和裸露热电偶的处理:图5所示为一个接地 1M? 电阻,它适用于所有热电偶尖端类型.AD8495 专门设计以在如图 所示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. AD8495 的更多详情: 图7所示为 AD8495 热电偶放大器的框图. 放大器 A

1、A2 和A3(及所示电阻)一道形成一个仪表放大器, 它使用恰好产生

5 mV/°C 输出电压的一个增益来对 K 型热电偶 输出进行放大.在标记 Ref junction compensation (参考接合点 补偿)的框内是一个环境温度传感器.在测量接合点温度保持稳 定的条件下,如果参考接合点温度由于任何原因而上升,来自热 电偶的差分电压就会降低.如果微型封装的(3.2 mm * 3.2 mm * 1.2 mm)AD8495 接近参考接合点的热区域,参考接合点补偿电 路将额外电压施加到放大器内,这样输出电压保持恒定,从而对 参考温度变化进行补偿. 表2概述了使用 AD8495 的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8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................