在傳感器近端量化熱電偶輸出

本應用筆記介紹了熱電耦定義，并解釋了它的歷史來(lái)源。本文介紹的電路在靠近溫度傳感器的位置對熱電偶輸出進(jìn)行數字轉換，與在數字化之前使弱信號通過(guò)長(cháng)電纜傳輸的方案相比，該方案能夠將噪聲降至最低。

熱電偶因為其高測量精度、價(jià)格經(jīng)濟、容易獲得以及較寬的溫度測量范圍等特點(diǎn)而在工業(yè)領(lǐng)域得到普遍應用。它由焊接在一起的兩種不同的金屬或金屬合金線(xiàn)(通常稱(chēng)為熱端)組成。熱電偶輸出電壓是兩個(gè)線(xiàn)端(另一端通常稱(chēng)為冷端)的電壓差，冷端必須保持在已知溫度。熱電偶電壓是Seebeck (1921年左右)、Peltier (1834年左右)和Thompson (1851年左右)效應的結合產(chǎn)物。

熱端和冷端這兩個(gè)名詞源于應用歷史。事實(shí)上，根據具體應用，冷端溫度也有可能高于熱端。這種情況下，熱電偶輸出相反極性的電壓。由此可見(jiàn)，熱電偶測量的是熱端與冷端溫度之差，而非冷端的絕對溫度。

不同金屬或合金熱電偶對應的輸出電壓已經(jīng)制作成標準表格1。用大寫(xiě)字母表示標準金屬對，例如，K代表鎳鎘合金熱電偶，表中列出的數據假設冷端溫度為0°C。

為了獲得熱端的絕對溫度，必須測量冷端溫度并相應調整熱電偶輸出。這種技術(shù)稱(chēng)為冷端補償。19世紀中期，當熱電偶剛剛開(kāi)始使用時(shí)，絕對溫度測量需要將冷端保持在冰和蒸餾水混合達到平衡后的溫度，以建立一個(gè)真正的0°C參考點(diǎn)。

熱電偶溫度傳感器需要使用與熱電偶導線(xiàn)相同材料的特殊電纜和連接器。因此，市場(chǎng)上提供的各種封裝、體積和種類(lèi)的商用化熱電偶同時(shí)也給出完整的電纜、連接器和配件選型2,3。

冷端等溫線(xiàn)位于熱電偶信號處理模塊的輸入端，通常安裝在高熱導率材料制成的底板上。銅的熱導率為381W/m°K (無(wú)論攝氏度，還是開(kāi)爾文溫度，每度都具有相同幅度的變化)。輸入連接必須是電氣隔離，但需要與底板保持導熱。理想情況下，整個(gè)信號處理模塊應該保持在同等溫度環(huán)境。

信號處理電路由低壓直流放大器(熱電偶信號范圍為?V/°C)、溫度傳感器、冷端補償電路、內置基準ADC、熱電偶開(kāi)路檢測器、報警指示和數字輸出接口組成。所有這些功能都集成在小尺寸IC內，例如：MAX6*和MAX6675，只需要外部連接熱電偶和電源。串口輸出代表熱電偶檢測點(diǎn)溫度的數據。

MAX6*/MAX6675內部熱電偶數字轉換電路與鎳鎘合金(K型)熱電偶成比例。MAX6*測量范圍為0至+128°C，分辨率為0.125°C;MAX6675測量范圍為0至1024°C，分辨率為0.25°C。兩款I(lǐng)C均通過(guò)SPI?兼容接口與微控制器或類(lèi)似的本地智能電路連接。如果檢測點(diǎn)距離控制器較遠，應在檢測點(diǎn)附近對熱電偶信號進(jìn)行數字化處理。

與其它低壓電路相同，熱電偶信號處理電路對EMI非常敏感。熱電偶引線(xiàn)通常暴露在EMI環(huán)境中(引線(xiàn)拾取的干擾噪聲等級與引線(xiàn)長(cháng)度成正比)。EMI增大了接收信號的不確定性，降低溫度測量的精度。對于這種環(huán)境，使用特殊的熱電偶連接電纜價(jià)格昂貴，如果選用其它電纜則很難確定實(shí)際環(huán)境的測試溫度。

為了使噪聲降至最小，可以在檢測點(diǎn)附近采用一個(gè)控制電路，靠近檢測點(diǎn)增加一個(gè)遠端控制電路以提供本地智能化管理，引入復雜信號的濾波和電纜屏蔽。圖1提供了一個(gè)較好的設計方案，在靠近檢測點(diǎn)的位置對熱電偶輸出進(jìn)行數字化。

圖1. 在3000英尺電纜的遠端提供電源，MAX6*/MAX6675在靠近檢測點(diǎn)的位置量化熱電偶輸出，使EMI降至最小。

通過(guò)本地脈沖時(shí)序發(fā)生器(IC2和IC3)驅動(dòng)MAX6*/MAX6675的SPI接口，IC2、IC3強制MAX6*/MAX6675以4800波特率、每秒鐘四個(gè)字符產(chǎn)生異步串行輸出數據，字符結構為：1位起始位、11位數據和1位停止位(MAX6675采用13位數據位)。對于MAX6*，11位數據包括10位表示溫度數據的直接二進(jìn)制數(MSB在前)、1位熱電偶開(kāi)路報警位，MAX6675提供12位數據和1位報警。