利用熱電偶和ADC實現(xiàn)高精度溫度測量

熱電偶廣泛用于各種溫度檢測。熱電偶設(shè)計的最新進展，以及新標(biāo)準(zhǔn)和算法的出現(xiàn)，大大擴展了工作溫度范圍和精度。目前，溫度檢測可以在-270°C至+1750°C寬范圍內(nèi)達到±0.1°C的精度。為充分發(fā)揮新型熱電偶能力，需要高分辨率熱電偶溫度測量系統(tǒng)。能夠分辨極小電壓的低噪聲、24位、Σ-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)非常適合這項任務(wù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)采用24位ADC評估(EV)板，熱電偶能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度測量。熱電偶、鉑電阻溫度檢測器(PRTD)和ADC相結(jié)合，可構(gòu)成高性能溫度測量系統(tǒng)。采用低成本、低功耗ADC的DAS系統(tǒng)，可理想滿足便攜式檢測的應(yīng)用需求。

熱電偶入門

托馬斯•塞貝克在1822年發(fā)現(xiàn)了熱電偶原理。熱電偶是一種簡單的溫度測量裝置，由兩種不同金屬(金屬1和金屬2)組成(圖1)。塞貝克發(fā)現(xiàn)不同的金屬將產(chǎn)生不同的、與溫度梯度有關(guān)的電勢。如果這些金屬焊接在一起構(gòu)成溫度傳感器結(jié)(TJUNC，也稱為溫度結(jié))，另一端未連接的差分結(jié)(TCOLD，作為恒溫參考端)上將呈現(xiàn)出電壓，VOUT，該電壓與焊接結(jié)的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓/電荷，無需任何電壓或電流激勵。


圖1. 熱電偶簡化電路

VOUT溫差(TJUNC - TCOLD)是金屬1及金屬2的金屬類型的函數(shù)。該函數(shù)在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫[1]中嚴(yán)格定義，覆蓋了絕大多數(shù)實用金屬1和金屬2組合。利用該數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)VOUT測量值計算相對溫度TJUNC。然而，由于熱電偶以差分方式測量TJUNC，為了確定溫度結(jié)的實測溫度，就必須知道冷端絕對溫度(單位為°C、°F或K)。所有現(xiàn)代熱電偶系統(tǒng)都利用另一絕對溫度傳感器(PRTD、硅傳感器等)精密測量冷端溫度，并進行數(shù)學(xué)補償。

圖1所示熱電偶簡化電路的溫度公式為：

Tabs = TJUNC + TCOLD

(式1)

式中：
Tabs為溫度結(jié)的絕對溫度；
TJUNC為溫度結(jié)與基準(zhǔn)冷端的相對溫度；
TCOLD為冷端參考端的絕對溫度。

熱電偶的類型各種各樣，但是針對具體的工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境可以選擇最適合的異金屬對兒。這些金屬和/或合金組合被NIST及國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)化，簡寫為E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC為常見的熱電偶類型提供了熱電偶參考表[1]。

NIST和IEC還為每種熱電偶類型開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。這些冪級數(shù)模型采用獨特的系數(shù)組合，每種熱電偶類型及不同溫度范圍的系數(shù)都不同[1]。

表1所示為部分常見熱電偶類型(J、K、E和S)的例子。

表1. 常見的熱電偶類型

Thermocouple Type	Positive Conductor	Negative Conductor	Temperature Range (°C)	Seebeck Coefficient at +20°C
J	Chromel	Constantan	0 to 760	51µV/°C
K	Chromel	Alumel	-200 to +1370	41µV/°C
E	Chromel	Constantan	-100 to +1000	62µV/°C
S	Platinum (10% Rhodium)	Rhodium	0 to 1750	7µV/°C

J型熱電偶具有相對較高的塞貝克系數(shù)、高精度和低成本，應(yīng)用廣泛。這些熱電偶使用相對簡單的線性化算法，即可達到±0.1°C的測量精度。

K型熱電偶覆蓋的溫度范圍寬，在工業(yè)測量領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克系數(shù)、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達±0.1°C。

E型熱電偶的應(yīng)用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克系數(shù)最高。E型熱電偶所需的測量分辨率低于其它類型。E型熱電偶的測量精度可達到±0.5°C，需要的線性化計算方法相對復(fù)雜。

S型熱電偶由鉑和銠組成，這對組合能夠在非常高的氧化環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定、可復(fù)現(xiàn)的測量。S型熱電偶的塞貝克系數(shù)較低，成本相對較高。S型熱電偶的測量精度可達到±1°C，需要的線性化算法相對復(fù)雜。