【技術(shù)分享】如何提高多路熱電偶測量的通道一致性

多路熱電偶測溫容易遇到通道精度的一致性問題，主要原因是冷端的溫度不一致性。本文分析該問題，并推薦相應(yīng)的電路解決方案。

?熱電偶冷端的實(shí)際位置

熱電偶是一種溫差元件，如下圖1，它的輸出信號是兩個(gè)線端之間的電壓差：a(TA1-TA2)-b(TB1-TB2)。由于熱源處是一個(gè)點(diǎn)，TA1和TB1相等，可記為TH。若室溫處的兩個(gè)線端A2和B2的溫度TA2和TB2也相等，記為TC。則熱電偶兩個(gè)線端之間的電壓差，簡化為(a- b)*(TH-TC)，對于特定的兩種金屬，可以進(jìn)一步簡化為VTC=α(TH-TC)。

圖1

如果熱電偶兩個(gè)線端溫度不相等，則以上簡化不成立，將出現(xiàn)額外的偏差。因此，熱電偶的兩個(gè)線端需要保持在同一溫度，保持等溫。在等溫環(huán)境，兩個(gè)線端與第三種金屬（例如：銅質(zhì)接線端子的螺絲）相連接位置才是實(shí)際冷端的所在位置，而不是接線端子在PCB上的焊盤位置。

?多通道時(shí)冷端溫度的一致性問題

接線端子的螺絲或簧片通常處在PCB表面之外的空氣中，當(dāng)多個(gè)通道時(shí)，由于空氣流動(dòng)和附近熱源的影響，就會(huì)難以保證各個(gè)接線端子的螺絲或簧片處于等溫狀態(tài)，使得各通道的冷端環(huán)境溫度存在差異。常規(guī)的熱電偶測量電路，冷端測溫元件放在單個(gè)通道接線端子附近（如下圖2）會(huì)顧及不到各通道的冷端溫度差異，導(dǎo)致各通道的測量精度出現(xiàn)偏差。

圖2

冷端溫度的一致性是可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善，例如：使用導(dǎo)熱良好的金屬塊與各通道冷端位置靠近，使得各通道的冷端溫度接近于相等；設(shè)計(jì)密封的接線盒，隔開熱源的熱傳導(dǎo)，使得內(nèi)部溫度保持均勻相等。但是這些方式不但增加了結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)及裝配，還增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。

?推薦的測量方案

在不增加結(jié)構(gòu)件的情況下，我們可以通過增加冷端測溫元件的數(shù)量來提高各通道測量精度的一致性。推薦ZLG致遠(yuǎn)電子ZAM6218A八通道熱電偶測溫模塊，內(nèi)部集成24位ADC、信號調(diào)理電路、以及數(shù)據(jù)處理代碼，直接輸出以"℃"為單位的溫度數(shù)據(jù)。其冷端測量采用測溫芯片，提供兩路I2C和冷端芯片通訊，提供兩種冷端芯片可選，最多能讀取八個(gè)冷端芯片的數(shù)據(jù)，如下圖3。ZAM6218A的冷端測溫芯片可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求與熱電偶測溫通道組合配置，例如每個(gè)熱電偶測溫通道可配置一顆冷端測溫芯片，也可兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)、八個(gè)熱電偶測溫通道配置一顆冷端測溫芯片。

圖3

ZAM6218A電路部分測量精度0.02%±0.1℃，搭配可選的冷端芯片，可實(shí)現(xiàn)0.2℃以內(nèi)的測量通道精度一致性。ZAM6218A還提供了評估套件，如下圖4。通過該評估套件，基于ZAM6218A模塊可以快速搭建出高通道精度一致性的熱電偶測量電路。

圖4