英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
使用热电偶测温的两种方法具有简单性、准确性和灵活性
Matthew Duff and Joseph Towey
介绍
热电偶是一种用于测量温度的简单的、广泛使用的组件。本文提供了热电偶的基本概述，描述了设计时遇到的常见挑战，并提出了两种信号调理解决方案。第一种解决方案是将参考接点补偿和信号调理结合在一个模拟集成电路中，以方便使用；第二种解决方案是将参考接点补偿与信号调理分开，以提供更大的灵活性和准确度的数字输出温度传感。
热电偶理论
如图1所示，热电偶由一端连接在一起的两根异种金属构成，称为测量（“热”）结。电线未连接的另一端连接到通常由铜制成的信号调节电路迹线。热电偶金属和铜线之间的连接点，称为参考（“冷”）结。
图1 热电偶
参考接点产生的电压取决于测量连接点和参考点处的温度结。由于热电偶是一个差动装置，而不是一个绝对温度测量设备，必须知道参考结点温度才能获得一个准确的绝对值温度读数。这个过程被称为参考连接补偿（冷端补偿）。
热电偶已成为行业标准的方法，可以用合理的精度经济高效地测量各种温度。它们被用于锅炉，热水器，烤箱和飞机发动机等约 2500°C的各种应用中-仅举几例。最受欢迎的热电偶是K型，由Chromel和Alumel（分别含有铬和铝，锰和硅的商标镍合金）组成，测量范围为-200℃至 1250℃。
为什么使用热电偶？
优点
- 温度范围：最实用的温度范围从低温到喷气发动机排气，都可以使用热电偶供电。根据使用的金属丝，热电偶能够测量-200°C至 2500°C范围内的温度。
- 坚固耐用：热电偶是坚固耐用的设备，不受冲击和振动影响，适用于危险环境。
- 快速响应：由于它们体积小，热容量低，热电偶对温度变化作出快速响应，特别是如果感测结露出来的话，他们可以在几百毫秒内响应迅速变化的温度。
- 无自热：由于热电偶不需要激励功率，因此不易发生自热，并且本质安全。
缺点
- 复杂的信号调理：大量的信号调节对于将热电偶电压转换为可用的温度读数是必要的。传统上，信号调节在设计时间上需要大量投资，以避免引入降低精度的误差。
- 准确度：除了由于其冶金性质导致的热电偶固有的不准确之外，热电偶测量结果的准确度与参比端温度的测量结果一致，传统上在1°C至2°C之间。
- 腐蚀敏感性：由于热电偶由两种不同的金属组成，在某些环境中，随着时间的推移，腐蚀可能会导致精度下降。因此，他们可能需要保护；护理和维护至关重要。
- 噪声敏感度：在测量微伏级信号变化时，杂散电场和磁场产生的噪声可能会成为问题。扭动热电偶线对可以大大减少磁场拾取，在金属导管和护罩中使用屏蔽电缆或运行导线可以减少电场拾取。测量设备应提供信号过滤，无论是硬件还是软件，强烈拒绝电源频率（50 Hz / 60 Hz）及其谐波。
用热电偶测量困难
出于多种原因，将热电偶产生的电压转换为准确的温度读数并不容易：电压信号较小，温度-电压关系非线性，需要参考点补偿，热电偶可能会造成接地问题，让我们逐一考虑这些问题。
电压信号较小：最常见的热电偶类型为J、K和T。在室温下，它们的电压分别为52mu;V/°C、41mu;V/°C和41mu;V/°C。其他不常见类型的电压随温度变化更小。这个小信号在模数转换之前需要一个高增益阶段，表1比较了各种热电偶类型的灵敏度。
表1 25°C下各种热电偶类型的电压变化与温度升高（Seebeck系数）的关系
|
热电偶类型 |
塞贝克系数（mu;V/°C） |
|
E |
61 |
|
J |
52 |
|
K |
41 |
|
N |
27 |
|
R |
9 |
|
S |
6 |
|
T |
41 |
由于电压信号很小，信号调理电路通常需要大约100左右的增益-相当简单的信号调理。更难的是将实际信号与热电偶引线上拾取的噪声区分开来。热电偶引线很长并且经常在电噪声环境中运行。拾取引线上的噪声可轻易抹去微小的热电偶信号。
通常将两种方法组合以从噪声中提取信号。首先是使用差分输入放大器，例如仪表放大器来放大信号。由于大部分噪声出现在两条线上（共模），测量有差异地消除它。第二个是低通滤波，它消除了带外噪声。低通滤波器应消除可能导致放大器整流和50 Hz / 60 Hz（电源）嗡嗡声的射频干扰（1MHz以上）。在放大器之前放置射频干扰滤波器（或者使用带有滤波输入的放大器）非常重要。50 Hz / 60 Hz滤波器的位置通常并不重要，它可以与位于放大器和ADC之间的RFI滤波器结合使用，作为Sigma;-Delta;型ADC的一部分，也可以用软件编程作为平均滤波器。
参比端补偿：必须知道热电偶参比端的温度才能获得精确的绝对温度读数。首次使用热电偶时，将参比接点保持在冰浴中。图2描述了一个热电偶电路，其一端处于未知温度，另一端处于冰浴（0℃）中。此方法用于详尽描述各种热电偶类型，因此几乎所有的热电偶表都使用0℃作为参考温度。
图2 基本的铁-康铜热电偶电路
但是，将热电偶的参比接点保持在冰浴中对于大多数测量系统来说是不实际的。相反，大多数系统使用称为参考结点补偿的技术（也称为冷结补偿）。使用另一个温度敏感器件（通常是IC，热敏电阻，二极管或RTD（电阻式温度检测器）测量参比端温度。然后补偿热电偶电压读数以反映参比端温度。尽可能准确地读取参比端很重要，因为准确的温度传感器保持与参比端温度相同。读取参比端温度时出现的任何错误都将直接显示在最终的热电偶读数中。
各种传感器可用于测量参考温度：
- 热敏电阻：它们具有快速响应和小封装；但它们需要线性化并且精度有限，特别是在很宽的温度范围内。他们还需要激励电流，这会产生自发热，导致漂移。整体系统精度与信号调理相结合可能很差。
- 电阻式温度检测器（RTD）：RTD准确，稳定且线性合理，但封装尺寸和成本限制了它们在过程控制应用中的使用。
- 远程热敏二极管：使用二极管来检测热电偶连接器附近的温度。调节芯片将与温度成比例的二极管电压转换为模拟或数字输出。其精度限制在plusmn;1°C左右。
- 集成温度传感器：集成温度传感器是一种可以在本地检测温度的独立IC，应仔细安装在参考接点附近，并且可以结合参比接点补偿和信号调节。精度可以达到1°C的小部分。
电压信号是非线性的：热电偶响应曲线的斜率随温度而变化。例如，在0°C时，T型热电偶输出在39mu;V/°C变化，但在100°C时，斜率增加到47mu;V/°C。
有三种常见的方法来补偿热电偶的非线性。
选择相对平坦的曲线部分，并在该区域内近似为线性斜率-这种方法对于在有限的温度范围内进行测量非常有效。不需要复杂的计算。K型和J型热电偶普遍存在的原因之一是它们都具有较大的温度范围，灵敏度的增量斜率（塞贝克系数）保持相当恒定（见图3）。
图3 热电偶灵敏度随温度的变化。请注意，K型塞贝克系数在0°C至1000°C之间大致保持在41mu;V/°C左右
另一种方法是在存储器中存储一个查找表，将每组热电偶电压与其各自的温度相匹配。然后使用表格中两个最近点之间的线性插值来获取其他温度值。
第三种方法是使用模拟热电偶行为的高阶方程。虽然这种方法是最准确的，但它也是计算最密集的。每个热电偶有两组等式。一组将温度转换为热电偶电压（用于参考接点补偿）。另一套将热电偶电压转换为温度。热电偶表格和高阶热电偶方程可在http://srdata.nist.gov/its90/main/找到。这些表格和公式均基于0°C的参比端温度。如果参比端温度处于任何其他温度，则必须使用参比接点补偿。
接地要求：热电偶制造商为测量连接点制作带有绝缘和接地端的热电偶（图4）。
图4 热电偶测量结点类型
热电偶信号调理的设计应避免测量接地热电偶时出现接地回路，而且在测量绝缘热电偶时也要考虑放大器输入偏置电流的路径。另外，如果热电偶尖端接地，放大器输入范围应设计为处理热电偶尖端和测量系统接地之间的地电位差异（图5）。
图5 使用不同提示类型时的接地选项
对于非隔离系统，双电源信号调理系统通常对于接地端和暴露端类型更具鲁棒性。由于其宽共模输入范围，双电源放大器可处理PCB（印刷电路板）地与热电偶尖端地之间的大电压差。如果放大器的共模范围具有在单电源配置下测量低于地电平的能力，那么单电源系统可以在所有三种尖端情况下令人满意地工作。要处理某些单电源系统中的共模限制，将热电偶偏置到中间电压是有用的。这适用于绝缘热电偶尖端，或者整个测量系统是否隔离。但是，不建议用于测量接地或暴露热电偶的非隔离系统。
实用的热电偶解决方案：热电偶信号调理比其他温度测量系统更加复杂。信号调理设计和调试所需的时间可以增加产品的上市时间。信号调理中的误差，特别是参考接点补偿部分中的误差可能导致精度较低。以下两个解决方案解决了这些问题。
第一个细节是一个简单的模拟集成硬件解决方案，它将直接热电偶测量与使用单个IC的参考接点补偿相结合。第二种解决方案详细介绍了一种基于软件的参考接点补偿方案，该方案可提高热电偶测量的准确度，并可灵活使用多种类型的热电偶。
测量解决方案1：针对简单性进行了优化
图6显示了测量K型热电偶的示意图。它基于使用专门设计用于测量K型热电偶的AD8495热电偶放大器。该模拟解决方案针对最短设计时间进行了优化：它具有简单直接的信号链，无需软件编码。
图6 测量解决方案1：为简化进行了优化
这个简单的信号链如何处理K型热电偶的信号调理要求？
增益和输出比例因子：小型热电偶信号由AD8495的增益122放大，产生5 mV /°C的输出信号灵敏度（200°C / V）。
降噪：外部RFI滤波器可消除高频共模噪声和差分噪声。AD8495的仪表放大器会拒绝低频共模噪声。任何剩余的噪声都由外部后置滤波器解决。
参考接点补偿：AD8495必须放置在参考接点附近，以保持温度相同，以便进行精确的参考接点补偿。该AD8495包含用于补偿环境温度变化的温度传感器。
非线性校正：AD8495经校准可在K型热电偶曲线的线性部分提供5 mV /°C输出，在-25°C至 400°C温度范围内的线性误差小于2°C。如果需要超出此范围的温度，ADI应用笔记AN-1087描述了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩展温度范围。
处理绝缘，接地和暴露的热电偶：图5显示了一个接地的1MOmega;电阻，允许使用所有热电偶尖端类型。如图所示，AD8495专门设计用于在单电源下使用时测量几百毫伏的电压。如果预计有较大的接地差分，AD8495也可以使用双电源供电。
有关AD8495的更多信息：图7显示了AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1、A2和A3以及所示的电阻组成了一个仪表放大器，它可以放大K型热电偶的输出，其增益适合产生5 mV /°C的输出电压。标有“Ref junction compensation”的框内是一个环境温度传感器，在测量结温保持不变的情况下，如果基准结温度由于某种原因而升高，则热电偶的差分电压将降低。如果微小的（3.2 mmtimes;3.2 mmtimes;1.2 mm）AD8495与参比端热接近，参考端补偿电路将向放大器注入额外电压，以便输出电压保持恒定，从而补偿参考电压温度变化。
图7 AD8495功能框图。
表2总结了使用AD8495的集成硬件解决方案的性能：
表2 解决方案1（图6）性能总结
|
热电偶类型 |
测量结温范围 |
参考结温范围 |
精度在25°C |
能量消耗 |
|
K |
-25°C至 400°C |
0°C至50°C |
plusmn;3°C（A级） plusmn;1°C（C级） |
1.25毫瓦 |
测量解决方案2：针对精度和灵活性进行了优化
图8显示了高精度测量J型，K型或T型热电偶的示意图。该电路包括一个用于测量小信号热电偶电压的高精度ADC和一个用于测量参考结温的高精度温度传感器。这两款器件均使用外部微控制器的SPI接口进行控制。
图8 测量解决方案2：针对准确性和灵活性进行了优化
这个配置如何解决前面提到的信号调理要求？
消除噪声并放大电压：图9中详细显示的AD7793--一款高精度，低功耗模拟前端 - 用于测量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波并连接到一组差分输入AIN1（ ）和AIN1（ - ）。然后信号通过一个多路复用器，一个缓冲器和一个仪表放大器（用于放大小型热电偶信号）以及一个将信号转换为数字信号的ADC。
图9 AD7793功能框图。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[24149]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
