熱電偶冷端補(bǔ)償

摘要：溫度測(cè)量應(yīng)用中，熱電偶因其堅(jiān)固性、可靠性以及較快的響應(yīng)速度得到了普遍應(yīng)用。本應(yīng)用筆記討論了熱電偶的基本工作原理，包括參考端(冷端)的定義和功能。本文還給出了按照具體應(yīng)用選擇冷端溫度測(cè)量器件的注意事項(xiàng)，并給出了三個(gè)設(shè)計(jì)范例。

概述

溫度測(cè)量應(yīng)用中有多種類型的變送器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用于汽車、家庭等領(lǐng)域。與RTD、電熱調(diào)節(jié)器、溫度檢測(cè)集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測(cè)更寬的溫度范圍，具有較高的性價(jià)比。另外，熱電偶的牢固、可靠性和快速響應(yīng)時(shí)間使其成為各種工作環(huán)境下的首要選擇。

當(dāng)然，熱電偶在溫度測(cè)量中也存在一些缺陷，例如，線性特性較差。雖然它們與RTD、溫度傳感器IC相比可以測(cè)量更寬的溫度范圍，但線性度卻大打折扣。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可理想用于精確測(cè)量系統(tǒng)。熱電偶信號(hào)電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。

如果排除上述問(wèn)題，熱電偶的低價(jià)位、易使用、寬溫度范圍使其得到廣泛使用。

熱電偶基礎(chǔ)

熱電偶是差分溫度測(cè)量器件，由兩段不同的金屬/合金線構(gòu)成，一段用作正端，另一段用作負(fù)端。表1列出了四種最常用的熱電偶類型、所用金屬以及對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量范圍。每種熱電偶在其規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有獨(dú)特的熱電特性。

表1. 常用的熱電偶類型

類型	正端金屬/合金	負(fù)端金屬/合金	溫度范圍(°C)
T	銅	鎳銅合金	-200至+350
J	鐵	鎳銅合金	0至+750
K	鎳鉻合金	鎳基熱電偶合金	-200至+1250
E	鎳鉻合金	鎳銅合金	-200至+900

兩種不同類型的金屬接(焊接)在一起后形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，環(huán)路電壓是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)。這種現(xiàn)象稱為Seebeck效應(yīng)，用于解釋熱能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。Seebeck效應(yīng)相對(duì)于Peltier效應(yīng)，Peltier效應(yīng)用于解釋電能轉(zhuǎn)換成熱能的過(guò)程，典型應(yīng)用有電熱致冷器。圖1a所示，測(cè)量電壓VOUT是檢測(cè)端(熱端)結(jié)電壓與參考端(冷端)結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。定標(biāo)因數(shù)，α，對(duì)應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。


圖1a. 環(huán)路電壓由熱電偶兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫差產(chǎn)生，是Seebeck效應(yīng)的結(jié)果。


圖1b. 常見(jiàn)的熱電偶配置由兩條線連接在一端，每條線的開(kāi)路端與銅恒溫線連接。

圖1b所示是一種最常見(jiàn)的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的節(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開(kāi)路端與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外節(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會(huì)影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒(méi)有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱端與冷端溫度之差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測(cè)量的是溫度差，為了確定熱端的實(shí)際溫度，冷端溫度必須是已知的。

冷端溫度為0°C (冰點(diǎn))時(shí)是一種最簡(jiǎn)單的情況，如果TC = 0°C，則VOUT = VH。這種情況下，熱端測(cè)量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的查找表。所有數(shù)據(jù)均基于0°C冷端溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過(guò)查找適當(dāng)表格中的VH可以確定熱端溫度。

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(gè)冰點(diǎn)參考溫度不太現(xiàn)實(shí)。如果冷端溫度不是0°C，那么，為了確定實(shí)際熱端溫度必須已知冷端溫度?？紤]到非零冷端溫度的電壓，必需對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，既所謂的冷端補(bǔ)償。

選擇冷端溫度測(cè)量器件

如上所述，為了實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償，必須確定冷端溫度，這可以通過(guò)任何類型的溫度檢測(cè)器件實(shí)現(xiàn)。在通用的溫度傳感器IC、電熱調(diào)節(jié)器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)，需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。

對(duì)于精度要求非常高的器件，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)保持較高精度，但其成本很高。

精度要求不是很高時(shí)，熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價(jià)比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測(cè)溫范圍，而傳感器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(huì)占用較多的微控制器資源。溫度傳感器IC具有出色的線性度，但測(cè)溫范圍很窄。

總之，必需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇冷端溫度測(cè)量器件，需要仔細(xì)考慮精度、溫度范圍、成本和線性指標(biāo)，以便得到最佳的性價(jià)比。

考慮因素

一旦建立了冷端補(bǔ)償方法，補(bǔ)償輸出電壓必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度。一種簡(jiǎn)單的方法既是使用NBS提供的查找表，用軟件實(shí)現(xiàn)查找表需要存儲(chǔ)器，但查找表對(duì)于連續(xù)的重復(fù)查詢提供了一種快速、精確的測(cè)量方案。將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度值的另外兩種方案比查找表復(fù)雜一些，這兩種方法是：1) 利用多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行線性逼近，2) 對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行模擬線性化處理。

軟件線性逼近只是需要預(yù)先確定多項(xiàng)式系數(shù)，不需要存儲(chǔ)，因而是一種更通用的方案。缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)時(shí)間解多階多項(xiàng)式，多項(xiàng)式階數(shù)越高，處理時(shí)間越長(zhǎng)，特別是在溫度范圍較寬的情況下。多項(xiàng)式階數(shù)較高時(shí)，查找表相對(duì)提供了一種精度更高、更有效溫度測(cè)量方案。

出現(xiàn)軟件測(cè)試方案之前，模擬線性化常被用來(lái)將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成溫度值(除了人工查找表檢索外)。這種基于硬件的方法利用模擬電路修正熱電偶響應(yīng)的非線性。其精度取決于修正逼近多項(xiàng)式的階數(shù)，在目前能夠測(cè)試熱電偶信號(hào)的萬(wàn)用表中仍采用這種方法。

應(yīng)用電路

下面討論了三種利用硅傳感器IC進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)牡湫蛻?yīng)用，三個(gè)電路均用來(lái)解決溫度范圍較窄(0°C至+70°C和-40°C至+85°C)的冷端溫度補(bǔ)償，精度在幾個(gè)攝氏度以內(nèi)。第二個(gè)電路包含一個(gè)遠(yuǎn)端二極管溫度檢測(cè)器，由連接成二極管的晶體管為其提供測(cè)試信號(hào)。第三個(gè)電路中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)內(nèi)置冷端補(bǔ)償。所有三個(gè)電路均采用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(cè)量。

示例#1
圖2所示電路中，16位Σ-Δ ADC將低電平熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)據(jù)輸出。集成可編程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，這對(duì)于處理熱電偶小信號(hào)輸出非常必要。溫度檢測(cè)IC靠近熱電偶安裝，用于測(cè)量冷端附近的溫度。這種方法假設(shè)IC溫度近似等于冷端溫度。冷端溫度傳感器輸出由ADC的通道2進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。溫度傳感器內(nèi)部的2.56V基準(zhǔn)節(jié)省了一個(gè)外部電壓基準(zhǔn)IC。


圖2. 本地溫度檢測(cè)IC (MAX6610)確定冷端溫度。溫度檢測(cè)IC靠近熱電偶接點(diǎn)(冷端)放置，熱電偶和冷端溫度傳感器輸出電壓由16位ADC (MX7705)轉(zhuǎn)換。

工作在雙極性模式時(shí)，ADC可以轉(zhuǎn)換熱電偶的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)，并在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單端輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，提供給微控制器。溫度檢測(cè)IC的輸出電壓與冷端溫度成正比。

為了確定熱端溫度，需首先確定冷端溫度。然后通過(guò)NBS提供的K型熱電偶查找表將冷端溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的熱電電壓。將此電壓與經(jīng)過(guò)PGA增益校準(zhǔn)的熱電偶讀數(shù)相加，最后再通過(guò)查找表將求和結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度，所得結(jié)果即為熱端溫度。表2列出了溫度測(cè)量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：-40°C至+85°C，熱端保持在+100°C。實(shí)際測(cè)量結(jié)果在很大程度上取決于本地溫度檢測(cè)IC的精度和烤箱溫度。

表2. 圖2電路在不同烤箱的冷端和熱端測(cè)量溫度

?	冷端 溫度 (°C)	熱端測(cè)量 溫度* (°C)
測(cè)量值#1??	-39.9	+101.4
測(cè)量值#2??	0.0	+101.5
測(cè)量值#3??	+25.2	+100.2
測(cè)量值#4??	+85.0	+99.0

* “熱端測(cè)量溫度”是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，由電路測(cè)量得到。

示例#2
圖3所示電路中，遠(yuǎn)端溫度檢測(cè)IC測(cè)量電路的冷端溫度，與本地溫度檢測(cè)IC不同的是IC不需要靠近冷端安裝，而是通過(guò)外部連接成二極管的晶體管測(cè)量冷端溫度。晶體管直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測(cè)IC將晶體管的測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。

ADC的通道1將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，通道2沒(méi)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。


圖3. 遠(yuǎn)端二極管溫度檢測(cè)IC不必靠近冷端，因?yàn)樗褂昧艘粋€(gè)外部二極管檢測(cè)溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準(zhǔn)電壓。

表3列出了溫度測(cè)量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：-40°C至+85°C，熱端保持在+100°C。實(shí)際測(cè)量結(jié)果在很大程度上取決于遠(yuǎn)端二極管溫度檢測(cè)IC的精度和烤箱溫度。

表3. 圖3電路在不同烤箱的冷端和熱端測(cè)量溫度

?	冷端 溫度 (°C)	熱端測(cè)量 溫度* (°C)
測(cè)量值#1??	-39.8	+99.1
測(cè)量值#2??	-0.3	+98.4
測(cè)量值#3??	+25.0	+99.7
測(cè)量值#4??	+85.1	+101.5

* “熱端測(cè)量溫度”是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，由電路測(cè)量得到。

示例#3
圖4電路中的12位ADC帶有溫度檢測(cè)二極管，溫度檢測(cè)二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成電壓量，IC通過(guò)處理熱電偶電壓和二極管的檢測(cè)電壓，計(jì)算出補(bǔ)償后的熱端溫度。數(shù)字輸出是對(duì)熱電偶測(cè)試溫度進(jìn)行補(bǔ)償后的結(jié)果，在0°C至+700°C溫度范圍內(nèi)，器件溫度誤差保持在±9 LSB以內(nèi)。雖然該器件的測(cè)溫范圍較寬，但它不能測(cè)量0°C以下的溫度。


圖4. 集成了冷端補(bǔ)償?shù)腁DC，將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度，無(wú)需外部元件。

表4是4所示電路的測(cè)量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：0°C至+70°C，熱端溫度保持在+100°C。

表4. 圖4電路在不同烤箱的冷端和熱端測(cè)量溫度

?	冷端 溫度 (°C)	熱端測(cè)量 溫度* (°C)
測(cè)量值#1??	0.0	+100.25
測(cè)量值#2??	+25.2	+100.25
測(cè)量值#3??	+50.1	+101.0
測(cè)量值#4??	+70.0	+101.25

* “熱端測(cè)量溫度”是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，由電路測(cè)量得到。

結(jié)論

由于熱電偶是差分溫度測(cè)量器件，在處理熱電偶信號(hào)時(shí)必須建立一個(gè)參考點(diǎn)。熱電偶所提供的電壓體現(xiàn)了熱端與冷端的溫度差。如果已知冷端溫度和相對(duì)于冷端的熱端溫度，即可確定出熱端的實(shí)際溫度值。

冷端補(bǔ)償器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)與精度、成本、線性度、溫度范圍等因素有關(guān)，鉑RTD精度最高，但成本也最高。電熱調(diào)節(jié)器價(jià)格低、可工作在較寬的溫度范圍，但其線性度較差。硅溫度傳感器檢測(cè)IC工作溫度范圍較窄，但具有合理的精度和線性度，成本也比較低，能夠滿足多數(shù)熱電偶應(yīng)用的需求。