熱電偶應用中冷結點補償的實現

引言：由於熱電偶是差分溫度測量元件，在處理熱電偶訊號時以冷結點作為參考點，考慮到非攝氏零度冷結點的電壓，必需對熱電偶輸出電壓進行冷結點補償。本文比較了幾種冷結點補償元件，並以矽晶溫度感測器檢測IC為例介紹了三種應用設計方法和測量的結果。 溫度測量應用中有多種類型的感測器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用於汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電調節器、溫度檢測積體電路(IC)相較，熱電偶能夠檢測更寬的溫度範圍，具有較高的性價比。另外，熱電偶的強韌性、可靠性和快速響應時間使其成為各種工作環境下的首選。當然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。除此之外，RTD和溫度感測器IC可以提供更高的靈敏度和精密度，可以很理想地用於精確測量系統。熱電偶訊號電平很低，常常需要放大或高解析度數據轉換器進行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價位、易使用、寬溫度範圍可以使其得到廣泛使用。 熱電偶與冷結點補償 熱電偶是差分溫度測量元件，由兩段不同的金屬線構成，一段作為正結點，另一段作為負結點。表1列出了四種最常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應的溫度測量範圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起後形成兩個結點，如圖1a所示，迴路電壓是兩個結點溫差的函數。這利用了Seebeck效應，通常描述為熱能轉換為電能的過程。Seebeck效應與Peltier效應相反，Peltier效應為電能轉換成熱能的過程，典型應用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測結點(熱結點)結電壓與參考結點(冷結點)結電壓之差。因為VH和VC是由兩個結的溫度差產生的，VOUT也是溫差的函數。比例因子α對應於電壓差與溫差之比，稱為Seebeck係數。 圖1：a. 環路電壓由熱電偶兩個結點之間的溫差產生。b. 常見的熱電偶配置由兩條金屬線連接在一結點，每條線的開路結點與銅恒溫線連接。 圖2：本地溫度檢測IC (MAX6610)確定冷結點溫度。熱電偶和冷結點溫度感測器輸出電壓由16位元ADC (MAX7705)轉換。 圖3：遠結點二極體靠近冷結點安裝檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準電壓。 圖4：整合了冷結點補償的ADC，將熱電偶電壓轉換為溫度，無需外部元件。 表1：幾種常用的熱電偶類型。 表3：測量值取自不同烤箱內的冷結點和熱結點溫度。冷結點溫度範圍：-40℃至+85℃，熱結點溫度保持在+100℃。 表3：測量值取自不同烤箱內的冷結點和熱結點溫度。冷結點溫度範圍：-40℃至+85℃，熱結點溫度保持在+100℃。表中的熱結點測量值經過補償。 表4：測量值取自不同烤箱內的冷結點和熱結點溫度。冷結點溫度範圍：0℃至+70℃，熱結點溫度保持在+100℃。表中的熱結點測量值是電路提供的十進制數字。 圖1b所示是一種最常見的熱電偶應用。該配置中導入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的結點。本例中，每個開路結點與銅線電氣連接，這些連線為系統增加了兩個額外結點，只要這兩個結點溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結點的條件下使用。VOUT仍然是熱結點與冷結點溫差的函數，與Seebeck係數有關。然而，由於熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結點的實際溫度，冷結點溫度必須是已知的。冷結點溫度為0℃(冰點)時是一種最簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結點測量電壓是結點溫度的直接轉換值。美國國家標準局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特徵數據與溫度對應關係的查找表，所有數據均基於0℃冷結點溫度。利用冰點作為參考點，透過查找適當表格中的VH可以確定熱結點溫度。 在熱電偶應用初期，冰點被當作熱電偶的標準參考點，但在大多數應用中獲得一個冰點參考溫度不太現實。如果冷結點溫度不是0℃，那麼，為了確定實際熱結點溫度必須已知冷結點溫度。考慮到非零冷結點溫度的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行補償，即所謂的冷結點補償。 選擇冷結點結溫測量元件 为了實現冷結點補償，必須確定冷結點溫度，這可以透過任何類型的溫度檢測元件實現。在通用的溫度感測器IC、熱電調節器和RTD中，不同類型的元件具有不同的優缺點，需要根據具體應用進行選擇。對於精密度要求非常高的應用，經過校準的鉑RTD能夠在很寬的溫度範圍內保持較高精密度，但其成本很高。精密度要求不是很高時，採用熱敏電阻和矽晶溫度感測器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比矽IC具有更寬的測溫範圍，而溫度感測器IC具有更高的線性度，因而性能指標更好一些。修正熱敏電阻的非線性會佔用較多的微控制器資源。溫度感應IC具有出色的線性度，但測溫範圍很窄。 因此，必須根據系統的實際需求選擇冷結點溫度測量元件，需要仔細考慮精密度、溫度範圍、成本和線性指標，以便得到最佳的性價比。 查找表方法 一旦你設立了一種冷結點補償的方法，補償輸出電壓必須轉換成相應的溫度，一種簡單的方法是採用來自NBS的查找表。用軟體實現查找表需要記憶體來儲存，但是在需要連續不斷地進行測試時，這些表提供了一種快速和準確的解決方案。兩種用於將熱偶電壓轉換成溫度的其他方法需要不僅僅是查找表，這兩種方法是：使用多項式係數的線性近似值和熱電偶輸出訊號的類比線性化。 軟體線性值很流行，這是因為除了預先定義了的多項式係數以外，不需要儲存。這種方法的缺點是與多階多項式(multiple-order polynomial)相關的處理時間問題。對於更多階的多項式，處理時間進一步增加。對於需要多次多項式的溫度測量應用來說，查找表可能比線性近似值方法更有效且更準確。 在軟體用來實現測量電壓到溫度(除了手動搜索查找表以外)的轉換之前，人們通常採用類比線性化方法。這種基於硬體的方法使用類比電路來修正熱偶響應的非線性。其準確性決定於採用近似修正的級數。這種方法依然廣泛應用在那些接收熱偶訊號的萬用表中。 應用電路 下面討論了三種利用矽感測器IC進行冷結點補償的典型應用，三個電路均用來解決溫度範圍較窄(0℃至+70℃和-40℃至+85℃)的冷結點溫度補償，精密度在攝氏幾度以內。第一個電路在鄰近冷節點的地方採用了一個溫度感應IC來確定其溫度；第二個電路包含一個遠結點二極體溫度檢測器，由連接成二極體的電晶體(直接連接到熱電偶的連接頭)為其提供測試訊號；第三個電路中的模/數轉換器(ADC)內建冷結點補償。所有三個電路均採用K型熱電偶(由鎳鉻合金和鎳基熱電偶合金組成)進行溫度測量。 1. 典型應用一 圖2所示電路中，16位元ADC將低電平熱電偶電壓轉換成16位元串列數據輸出。整合可程式增益放大器有助於改善A/D轉換的解析度，這對於處理熱電偶小訊號輸出非常必要。溫度檢測IC靠近熱電偶接頭安裝，用於測量冷結點附近的溫度。這種方法假設IC溫度近似等於冷結點溫度。冷結點溫度感測器輸出由ADC的通道2進行數位轉換。溫度感測器內部的2.56V基準節省了一個外部電壓基準IC。 工作在雙載子性模式時，ADC可以轉換熱電偶的正訊號和負訊號，並在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單結點輸出電壓轉換成數位訊號，提供給微控制器。溫度檢測IC的輸出電壓與冷結點溫度成正比。為了確定熱結點溫度，需首先確定冷結點溫度，然後透過NBS提供的K型熱電偶查找表將冷結點溫度轉換成對應的熱電電壓(thermoelectric voltage)。將此電壓與經過PGA增益校準的熱電偶讀數相加，最後再透過查找表將求和結果轉換成溫度，所得結果即為熱結點溫度。 表2列出了溫度測量結果，冷結點溫度變化範圍：-40℃至+85℃，熱結點保持在+100℃。實際測量結果的精密度在很大程度上取決於本地溫度檢測IC的精密度和烤箱溫度。 2. 典型應用二 圖3所示電路中，遠結點溫度檢測IC測量電路的冷結點溫度，與本地溫度檢測IC不同的是IC不需要靠近冷結點安裝，而是透過外部連接成二極體的電晶體測量冷結點溫度。電晶體直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測IC將電晶體的測量溫度轉換成數位輸出。ADC的通道1將熱電偶電壓轉換成數位輸出，通道2沒有使用，輸入直接接地。外部2.5V基準IC為ADC提供基準電壓。 表2、3列出了溫度測量結果，冷結點溫度變化範圍：-40℃至+85℃，熱結點保持在+100℃。實際測量結果精密度在很大程度上取決於遠結點二極體溫度檢測IC的精密度和烤箱溫度。 3. 典型應用三 圖4電路中的12位元ADC具有溫度檢測二極體，溫度檢測二極體將環境溫度轉換成電壓量，IC透過處理熱電偶電壓和二極體的檢測電壓，運算出補償後的熱結點溫度。數位輸出是對熱電偶測試溫度進行補償後的結果，在0℃至+700℃溫度範圍內，元件溫度誤差保持在±9LSB以內。雖然該元件的測溫範圍較寬，但它不能測量0℃以下的溫度。 表4是圖4所示電<