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感測器/MEMS  

熱電偶應用中冷結點補償的實現

上網時間: 2006年01月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Cold Junction Compensation  Thermocouple  熱電偶  冷結點補償  電阻式溫度檢測器 

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?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

為了實現冷結點補償,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所示電路的測量結果,冷結點溫度變化範圍:0℃至+70℃,熱結點溫度保持在+100℃。

作者:Michelle Youn

Maxim公司




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