热电偶应用中冷结点补偿的实现

2011-05-19 18:34:12来源: 互联网

热电偶应用中冷结点补偿的实现

因为热电偶是差分温度测量器件,在处理热电偶信号时以冷结点作为参考点,考虑到非零摄氏度冷结点的电压,必须对热电偶输出电压进行冷结点补偿。本文比较了几种冷结点补偿器件,并以硅温度传感器检测IC为例介绍了三种应用设计方法和测量的结果。

温度测量应用中有多种类型的传感器,热电偶是最常用的一种,可广泛用于汽车、家庭等。与电阻式温度检测器(RTD)、热电调节器、温度检测集成电路(IC)相比,热电偶能够检测更宽的温度范围,具有较高的性价比。另外,热电偶的鲁棒性、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首选。当然,热电偶在温度测量中也存在一些缺陷,例如线性特性较差。除此之外,RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度,可以很理想地用于精确测量系统。热电偶信号电平很低,常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题,热电偶的低价位、易使用、宽温度范围可以使其得到广泛使用。

热电偶与冷结点补偿

热电偶是差分温度测量器件,由两段不同的金属线构成,一段用作正结点,另一段用作负结点。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点,如图1a所示,环路电压是两个结点温差的函数。这利用了Seebeck效应,通常描述为热能转换为电能的过程。Seebeck效应与Peltier效应相反,Peltier效应为电能转换成热能的过程,典型应用有热电致冷器。如图1a所示,测量电压VOUT是检测结点(热结点)结电压与参考结点(冷结点)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的,VOUT也是温差的函数。比例因数α对应于电压差与温差之比,称为Seebeck系数。

图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的结点。本例中,每个开路结点与铜线电气连接,这些连线为系统增加了两个额外结点,只要这两个结点温度相同,中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热结点与冷结点温差的函数,与Seebeck系数有关。然而,由于热电偶测量的是温度差,为了确定热结点的实际温度,冷结点温度必须是已知的。冷结点温度为0℃(冰点)时是一种最简单的情况,如果TC=0℃,则VOUT=VH。这种情况下,热结点测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表,所有数据均基于0℃冷结点温度。利用冰点作为参考点,通过查找适当表格中的VH可以确定热结点温度。

在热电偶应用初期,冰点被当作热电偶的标准参考点,但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷结点温度不是0℃,那么,为了确定实际热结点温度必须已知冷结点温度。考虑到非零冷结点温度的电压,必须对热电偶输出电压进行补偿,即所谓的冷结点补偿。


图1:a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生。b. 常见的热电偶配置由两条金属线连接在一结点,每条线的开路结点与铜恒温线连接。

图2:本地温度检测IC(MAX6610)确定冷结点温度。热电偶和冷结点温度传感器输出电压由16位ADC(MAX7705)转换。

图3:远结点二极管靠近冷结点安装检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。

图4:集成了冷结点补偿的ADC,将热电偶电压转换为温度,无需外部元件。

表1:几种常用的热电偶类型。

表2:测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围:-40℃至+85℃,热结点温度保持在+100℃。

表3:测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围:-40℃至+85℃,热结点温度保持在+100℃。表中的热结点测量值经过补偿。

表4:测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围:0℃至+70℃,热结点温度保持在+100℃。表中的热结点测量值是电路提供的十进制数字。

选择冷结点结温测量器件

为了实现冷结点补偿,必须确定冷结点温度,这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、热电调节器和RTD中,不同类型的器件具有不同的优缺点,需要根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的应用,经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度,但其成本很高。精度要求不是很高时,采用热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比,热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围,而温度传感器IC具有更高的线性度,因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度感应IC具有出色的线性度,但测温范围很窄。

因此,必须根据系统的实际需求选择冷结点温度测量器件,需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标,以便得到最佳的性价比。

查找表方法

一旦你建立了一种冷结点补偿的方法,补偿输出电压必须转换成相应的温度,一种简单的方法是采用来自NBS的查找表。用软件实现查找表需要存储器来存储,但是在需要连续不断地进行测试时,这些表提供了一种快速和准确的解决方案。两种用于将热偶电压转换成温度的其他方法需要不仅仅是查找表,这两种方法是:使用多项式系数的线性近似值和热电偶输出信号的模拟线性化。

软件线性值很流行,这是因为除了预先定义了的多项式系数以外,不需要存储。这种方法的缺点是与多阶多项式(multiple-order polynomial)相关的处理时间问题。对于更多阶的多项式,处理时间进一步增加。对于需要多次多项式的温度测量应用来说,查找表可能比线性近似值方法更有效且更准确。

在软件用来实现测量电压到温度(除了手动搜索查找表以外)的转换之前,人们通常采用模拟线性化方法。这种基于硬件的方法使用模拟电路来修正热偶响应的非线性。其准确性决定于采用近似修正的阶数。这种方法依然广泛应用在那些接收热偶信号的万用表中。

应用电路

下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷结点补偿的典型应用,三个电路均用来解决温度范围较窄(0℃至+70℃和-40℃至+85℃)的冷结点温度补偿,精度在几个摄氏度以内。第一个电路在邻近冷节点的地方采用了一个温度感应IC来确定其温度;第二个电路包含一个远结点二极管温度检测器,由连接成二极管的晶体管(直接连接到热电偶的连接头)为其提供测试信号;第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷结点补偿。所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。

1. 典型应用一

图2所示电路中,16位ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善A/D转换的分辨率,这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC靠近热电偶接头安装,用于测量冷结点附近的温度。这种方法假设IC温度近似等于冷结点温度。冷结点温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。温度传感器内部的2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。

工作在双极性模式时,ADC可以转换热电偶的正信号和负信号,并在通道1输出。ADC的通道2将MAX6610的单结点输出电压转换成数字信号,提供给微控制器。温度检测IC的输出电压与冷结点温度成正比。为了确定热结点温度,需首先确定冷结点温度,然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷结点温度转换成对应的热电电压(thermoelectric voltage)。将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加,最后再通过查找表将求和结果转换成温度,所得结果即为热结点温度。

表2列出了温度测量结果,冷结点温度变化范围:-40℃至+85℃,热结点保持在+100℃。实际测量结果的精度在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。

2. 典型应用二

图3所示电路中,远结点温度检测IC测量电路的冷结点温度,与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷结点安装,而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷结点温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出,通道2没有使用,输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。

表2、3列出了温度测量结果,冷结点温度变化范围:-40℃至+85℃,热结点保持在+100℃。实际测量结果精度在很大程度上取决于远结点二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。

3. 典型应用三

图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管,温度检测二极管将环境温度转换成电压量,IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压,计算出补偿后的热结点温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果,在0℃至+700℃温度范围内,器件温度误差保持在±9LSB以内。虽然该器件的测温范围较宽,但它不能测量0℃以下的温度。

表4是图4所示电路的测量结果,冷结点温度变化范围:0℃至+70℃,热结点温度保持在+100℃。

关键字:应用  实现

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0519/article_6037.html
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