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感測器/MEMS  

實現簡單且精確的熱電耦溫度量測方法

上網時間: 2011年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:熱電耦  溫度測量  訊號調節  接合點補償  ADC 

熱電耦是一種廣泛用於溫度測量的簡單元件,並已成為可在一定精確度內實現高成本效益寬溫度範圍測量的工業標準方法。它們應用於高達約+2500℃的各種場合,如鍋爐、熱水器、烤箱和飛機引擎等。

本文簡單概述熱電耦、介紹利用熱電耦進行設計過程中常見的挑戰,並提出兩種訊號調節解決方案。第一種方案整合了參考接合點補償與訊號調節於單一類比IC中,使用更簡便;第二種方案將參考接合點補償和訊號調節分開來,使數位輸出溫度檢測更靈活、更精確。

熱電耦原理

如圖1所示,熱電耦由一端相連的兩根不同金屬線組成,相連端稱為測量(熱)接合點。金屬線不相連的另一端接到訊號調節電路走線,它一般由銅製成。在熱電耦金屬和銅走線之間的這一接合點叫做參考(冷)接合點。

在參考接合點處產生的電壓取決於測量接合點和參考接合點兩處的溫度。由於熱電耦是一種差分元件而非絕對溫度測量元件,因而必須知道接合點的參考溫度以便掌握精確的絕對溫度讀數。

熱電耦具有溫度範圍廣、堅固耐用、快速響應與無自發熱等優點。從低溫到噴氣引擎廢氣,熱電耦適用於大多數實際的溫度範圍,取決於所使用的金屬線,一般約在-200℃至+2500℃之間。熱電耦屬於耐用元件,抗衝擊和抗震動性佳,適於險惡的環境。熱電耦體積小、熱容量低,可在數百毫秒內快速響應溫度變化,尤其在感應接合點裸露時。此外,由於熱電耦不需要激勵電源,因此不易自發熱。


圖1. 熱電耦

然而,熱點耦易受腐蝕、抗噪性差、精度低且訊號調節複雜。將熱電耦電壓轉換成可用的溫度讀數必須進行複雜的訊號調節,耗費大量設計時間,處理不當就會導入誤差,導致精密度降低。

採用熱電耦進行溫度測量時將面臨什麼挑戰?

因此,將熱電耦產生的電壓轉變成精確的溫度讀數並不輕鬆,它面臨著電壓訊號太弱、非線性溫度電壓關係、參考接合點補償,以及熱電耦可能引起接地等種種挑戰。

電壓訊號太弱:最常見的熱電耦類型有J、K和T型。在室溫下,其電壓變化幅度分別為52uV/°C、41uV/°C和41uV/°C;其它類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的訊號在進行類比數位轉換前需要較高的增益級。但更棘手的事情是如何辨識實際訊號和熱電耦引線上的擷取雜訊。熱電耦引線較長,經常穿過電氣雜訊密集環境。引線上的雜訊可能輕鬆就覆蓋掉微弱的熱電耦訊號。

參考接合點補償:要獲得精確的絕對溫度讀數,必須掌握熱電耦參考接合點的溫度。大多數系統使用一種‘參考接合點補償’(又稱為冷接合點補償)的技術。參考接合點溫度使用另一種對溫度敏感的元件(一般為溫度感測器IC、熱敏電阻、遠程熱二極體或電阻溫度測量器(RTD))來測量,然後對熱電耦電壓讀數進行補償以反映參考接合點溫度。必須盡可能精確地讀取參考接合點—將精確溫度感測器保持在與參考接合點相同的溫度。任何讀取參考接合點溫度的誤差都會直接反映在最終熱電耦讀數中。

非線性電壓訊號:熱電耦響應曲線的斜率隨溫度而變化。例如,T型熱電耦在0℃時按39 μV/℃變化,但在100℃時斜率變為47 μV/℃。有三種方法可對熱電耦的非線性進行補償。

第一種方法是選擇曲線較平緩的區域並使其斜率近似為線性,這種方法特別適於溫度範圍有限且不需要複雜運算的測量。另一種方法是將查找表儲存在記憶體中,查找表中的熱電耦電壓必須與其對應的溫度相匹配,然後以表中兩個最近點間的線性插值獲得其它溫度值。第三種方法使用高階等式對熱電耦的特性進行建模。


圖2. 熱電耦的非線性

絕緣與接地要求:熱電耦製造商在測量接合點上設計了絕緣和接地兩種尖端。處理熱電耦訊號調節時,必須在測量接地熱電耦時避免接地回路,在測量絕緣熱電耦時還必須具有一條放大器輸入偏壓電流路徑。此外,如果熱電耦尖端接地,放大器輸入範圍的設計必須能夠因應熱電耦尖端和測量系統地之間的任何接地差異。


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