熱電偶溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

需要精心設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)電路才能設(shè)計(jì)高精度熱電偶接口。第一步是了解這種廣泛使用的溫度傳感器的基本物理原理。

熱電偶（TC）發(fā)明于1921年，即將迎來百年紀(jì)念日，在許多應(yīng)用中繼續(xù)提供有價(jià)值的溫度測量信息，尤其是那些涉及非常高溫度的應(yīng)用。在眾多工業(yè)和過程關(guān)鍵應(yīng)用中，TC和電阻溫度檢測器（RTD）已成為溫度測量的黃金標(biāo)準(zhǔn)。雖然RTD具有更好的精度和可重復(fù)性，但熱電偶的優(yōu)勢包括：

更大的測量范圍，

更短的響應(yīng)時(shí)間，

成本更低，

更好的耐久性，

自供電（無需激勵(lì)信號），以及

無自熱效應(yīng)。

由于這些原因，熱電偶廣泛用于許多不同的應(yīng)用。然而，使用熱電偶進(jìn)行高精度溫度測量可能很棘手。本應(yīng)用筆記討論了優(yōu)化測量精度的方法。首先，讓我們描述一下熱電偶操作的基本原理。

熱電偶如何工作？

當(dāng)在一塊金屬線上施加電壓源時(shí)，電子從正極端子流向負(fù)極端子，并且一些能量在加熱金屬線時(shí)損失。托馬斯·約翰·西貝克（Thomas Johann Seebeck）于1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)表明了一種相反的現(xiàn)象。當(dāng)在金屬線上施加溫度梯度時(shí)，會產(chǎn)生電勢。這是熱電偶的物理基礎(chǔ)。

哪里？V是電壓的梯度，？T是溫度梯度，S（T）是塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)取決于材料，并且也隨溫度變化。導(dǎo)線上兩個(gè)不同溫度點(diǎn)的電壓等于塞貝克系數(shù)函數(shù)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的積分。

圖1.通過溫度梯度在導(dǎo)電線上產(chǎn)生的電壓。

熱電偶由兩種不同的材料組成，通常是具有不同塞貝克系數(shù)函數(shù)S（T）的金屬線。當(dāng)一種材料的溫差產(chǎn)生電壓差時(shí)，為什么兩種材料是必不可少的？例如，假設(shè)圖 2 中的金屬線由材料 A 制成。給定一個(gè)帶有探頭線的電壓表，也由材料 A 制成，理論上電壓表不會檢測到任何電壓。為什么？當(dāng)探頭連接到導(dǎo)線的末端時(shí)，探頭的作用就像金屬線的延伸。連接到電壓表輸入端的這根長導(dǎo)線的兩端處于相同的溫度（TM).如果導(dǎo)線的兩端處于相同的溫度，則沿導(dǎo)線長度的溫差不會導(dǎo)致電壓差。為了在數(shù)學(xué)上證明這一點(diǎn)，我們計(jì)算了從電壓表的正端到負(fù)端的整個(gè)線環(huán)路上累積的電壓。

并且，當(dāng)積分極限的下限和上限相同時(shí)，積分的結(jié)果為 V = 0。

圖2.電壓測量連接。探頭和電線由相同的材料制成。

如果探頭材料由材料B制成，如圖3所示。

上式顯示測量電壓等于兩種材料類型塞貝克系數(shù)函數(shù)之差的積分。這就是為什么熱電偶由兩種不同類型的金屬制成的原因。

圖3.電壓測量連接。探頭和電線由不同的材料制成。

從圖3和公式6（公式6）所示的電路來看，假設(shè)S一個(gè)（T）， SB（T），并且電壓表測量的電壓是已知的，除非知道TC結(jié)（冷結(jié)）的溫度，否則我們?nèi)匀粺o法計(jì)算TH結(jié)（熱結(jié)）的溫度。在熱電偶的早期，使用對應(yīng)于0°C的冰浴作為參考溫度（因此稱為冷端），因?yàn)檫@種方法成本低，非常容易獲得，并且溫度自調(diào)節(jié)。等效電路如圖4所示。

圖4.圖3為冷端置于冰浴內(nèi)的等效電路。

雖然我們知道圖3中電路的參考溫度，但求解熱結(jié)溫度（TH） 是不切實(shí)際的。標(biāo)準(zhǔn)參考表可用于所有常見類型的熱電偶，因此用戶可以查找溫度以獲取相應(yīng)的電壓輸出。但請記住，所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考表均以0°C參考溫度列出。

現(xiàn)代熱電偶系統(tǒng)

如圖5所示，現(xiàn)代熱電偶由兩根連接在一端的不同金屬線組成。電壓在線對的開口端測量。等效電路如圖5所示。V外與我們之前在圖 3 中推導(dǎo)的等式完全相同。

圖5.現(xiàn)代熱電偶配置。

冷端補(bǔ)償

冷端（TC）溫度可以通過冰浴設(shè)置為0°C，但實(shí)際上沒有人會在任何現(xiàn)代電氣系統(tǒng)中使用一桶冰水。冷端補(bǔ)償方法可用于計(jì)算熱端溫度，而無需0°C冷端溫度，實(shí)際上冷端溫度甚至不必恒定。該方法僅使用單獨(dú)的溫度傳感器來測量冷端的溫度（TC).求熱結(jié)溫度（TH） 變?yōu)榭赡?，?dāng) TC是已知的。這對某些人來說可能聽起來很荒謬。如果我們有一個(gè)溫度傳感器來測量冷端溫度，為什么我們不能用這個(gè)溫度傳感器直接測量熱端的溫度呢？答案很簡單。冷端溫度范圍比熱端溫度窄得多，因此溫度傳感器不需要像熱電偶那樣維持極端溫度。

使用冷端補(bǔ)償計(jì)算熱端溫度

如上所述，所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考表都是在冷端保持在0°C的情況下生成的。 那么，在這種情況下，我們?nèi)绾问褂眠@些表格來找到熱結(jié)溫度呢？

想象一下，如果上述熱電偶的開口端如圖6所示得到擴(kuò)展。并且，假想端連接到溫度為0°C的結(jié)點(diǎn)。如果我們能計(jì)算出V的值0，我們可以使用參考表輕松找到相應(yīng)的熱結(jié)溫度。

圖6.具有假想擴(kuò)展的熱電偶，連接到0°C結(jié)。

讓我們確定 V0:

等式10（等式10）的第一項(xiàng)與圖5推導(dǎo)的等式7（等式7）完全相同。因此，等效電壓輸出為 VC，這是一個(gè)已知值，因?yàn)槔涠说碾妷菏怯呻妷罕頊y量的。第二項(xiàng)相當(dāng)于熱結(jié)溫度等于T的熱電偶的電壓輸出C冷端溫度等于0°C。 自 TC也正在通過單獨(dú)的溫度傳感器進(jìn)行測量，我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)參考表找到相應(yīng)的塞貝克電壓（V我） 表示等式 10 的第二項(xiàng)（方程 10）。

現(xiàn)在我們知道了 V 的值0，對應(yīng)的熱結(jié)溫度（TH） 可以用標(biāo)準(zhǔn)參考表確定。

以下步驟總結(jié)了使用冷端補(bǔ)償找到熱端溫度的過程。

測量冷端溫度（TC） 帶溫度傳感器。

測量冷端的電壓。

轉(zhuǎn)換 TC至電壓 （V我） 使用標(biāo)準(zhǔn)參考表。

計(jì)算 V0=V我+VC.

轉(zhuǎn)換 V0至熱結(jié)溫度（TH） 使用標(biāo)準(zhǔn)參考表。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考表可在NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站 http://srdata.nist.gov/its90/menu/menu.html（由美國商務(wù)部，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）上找到。如果由于內(nèi)存不足或任何其他原因而不希望在微控制器中實(shí)現(xiàn)查找表，NIST ITS-90網(wǎng)站還為每種熱電偶類型提供了一組公式，用于將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，反之亦然。

優(yōu)化熱電偶測量精度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖7.基本熱電偶系統(tǒng)框圖

到目前為止，該討論僅考慮了熱電偶理論;但是，為了優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)中的精度，應(yīng)考慮一些項(xiàng)目。圖7顯示了熱電偶信號鏈的基本模塊。每個(gè)器件都會影響轉(zhuǎn)換的精度，必須仔細(xì)選擇以盡量減少誤差。

從圖的左側(cè)開始，熱電偶連接到系統(tǒng)主板連接器。雖然熱電偶是傳感器本身，但它也可能是誤差源。長熱電偶很容易拾取周圍的電磁噪聲。屏蔽導(dǎo)線可以有效降低噪音。

下一個(gè)組件是放大器。選擇具有高輸入阻抗的放大器很重要，因?yàn)榉糯笃鞯妮斎胱杩购蜔犭娕茧娮钑a(chǎn)生分壓器效應(yīng)，如公式13（公式13）所示。輸入阻抗越高，誤差越少。

此外，放大器還提升熱電偶輸出，通常在毫伏范圍內(nèi)。雖然高閉環(huán)增益會放大信號和噪聲，但在ADC輸入端增加一個(gè)低通濾波器可消除大部分噪聲。低通濾波器非常有效，因?yàn)闇囟葴y量應(yīng)用的ADC轉(zhuǎn)換速率通常非常慢，可能每秒幾個(gè)樣本，因?yàn)闇囟茸兓皇呛芸臁?/p>

最后，板載溫度傳感器需要非?？拷涠诉B接器（理想情況下接觸熱電偶引線的末端，但在許多情況下是不可能的），以獲得冷端溫度的最佳測量值。冷端測量中的任何誤差都會反映在熱端溫度計(jì)算中。

熱電偶示例電路

更詳細(xì)的圖像。
圖8.通用輸入?yún)⒖荚O(shè)計(jì)，可使用 RTD 或熱電偶測量電壓、電流和電壓。

MAXREFDES67#通用輸入?yún)⒖荚O(shè)計(jì)（圖8）包含實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度測量系統(tǒng)所需的所有元件。預(yù)加載的固件使用 NIST ITS-90 網(wǎng)站上的公式將 K 型熱電偶輸出轉(zhuǎn)換為溫度。測量溫度范圍為 -40°C 至 +150°C。 此外，該系統(tǒng)還能夠高精度地測量電壓、電流、溫度和RTD。

圖9.MAXREFDES67# 誤差與溫度的關(guān)系，使用 Omnitec EC3TC，K 型熱電偶，在 20°C 下校準(zhǔn)。

圖9顯示了MAXREFDES67#熱電偶輸入端測得的溫度誤差與三個(gè)不同參考溫度計(jì)（Omega HH41溫度計(jì)、ETI參考溫度計(jì)和Fluke 724溫度校準(zhǔn)器）的溫度。將 MAXREFDES67# 連接的 K 型熱電偶探頭放置在福祿克 7341 校準(zhǔn)槽中，并在 20°C 下進(jìn)行校準(zhǔn)。 藍(lán)色數(shù)據(jù)使用歐米茄HH41溫度計(jì)作為參考。綠色數(shù)據(jù)使用ETI參考溫度計(jì)作為參考。紅色數(shù)據(jù)使用福祿克 724 溫度校準(zhǔn)器作為參考。該設(shè)計(jì)顯示世界一流的熱電偶溫度測量值。

結(jié)論

將熱電偶用于工業(yè)溫度測量應(yīng)用具有許多好處，包括溫度范圍、響應(yīng)時(shí)間、成本和耐用性。通過此處概述的設(shè)計(jì)建議可以實(shí)現(xiàn)高精度測量系統(tǒng)。MAXREFDES67#是一個(gè)很好的例子，可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以前所未有的速度開發(fā)高精度熱電偶溫度測量。

審核編輯：郭婷