通過(guò)熱電偶和調制電路實(shí)現寬量程溫度檢測

作者 / Robin Yang Microchip Technology Inc 混合及線(xiàn)性信號產(chǎn)品部 資深應用工程師

摘要：如何在擴展的溫度范圍內實(shí)現精確的溫度測量已經(jīng)在工業(yè)熱工控制、危險環(huán)境監測等工程應用中引起了廣泛的關(guān)注。通常來(lái)講，為了保證在完整的溫度范圍內的測量準確性，我們需要同時(shí)對溫度傳感器和信號調理電路進(jìn)行精確的調整與配置。本文將對基于熱電偶的溫度測量器件進(jìn)行分析，找出影響其精度的關(guān)鍵因素，并提出準確、經(jīng)濟的技術(shù)方案以保證熱電偶的測溫效果。

1 不同類(lèi)型溫度測量器件的比較

　　為了將溫度轉化為電信號以供溫度監控系統進(jìn)行量化分析，我們通?？紤]以下四類(lèi)溫度傳感器：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度計(RTD)和集成電路(IC)溫度計。上述類(lèi)型的傳感器中，沒(méi)有任何一類(lèi)溫度傳感器可以在測量范圍、精度、線(xiàn)性度以及成本等多方面同時(shí)提供最優(yōu)的解決方案。絕大多數情況下，我們需要在上述因素中做出權衡，通過(guò)評估每個(gè)應用場(chǎng)景的具體需求來(lái)選擇最合適的溫度測量器件。熱電偶是最常用的溫度測量器件之一，因為它能夠測量的溫度范圍(-200℃至2500℃)較寬，并且能夠抵御惡劣的工作環(huán)境。相比之下，熱敏電阻在相對有限的溫度帶內提供了較高的分辨率，而IC溫度計雖然可以實(shí)現更高的測量精度和線(xiàn)性度，但其測量溫度范圍更為有限。因此，本文將重點(diǎn)介紹基于熱電偶的溫度傳感器件。

　　如圖1所示，熱電偶由兩種不同材料的金屬導體構成，這兩種導體在與測量對象接觸的感應結點(diǎn)(通常稱(chēng)為“熱結”)處連接在一起。在賽貝克效應的作用下，當冷結與熱結之間存在溫度差時(shí)，就會(huì )在冷結的兩種金屬導體之間產(chǎn)生相應的熱電動(dòng)勢(EMF，通常為μV級)。電動(dòng)勢的大小取決于冷結與熱結之間的溫度差。通過(guò)對不同賽貝克系數的金屬或合金進(jìn)行組合，熱電偶可標注為不同類(lèi)型，例如E型、J型和K型等。不同類(lèi)型的熱電偶隨溫度變化展現出各異的靈敏度與線(xiàn)性度特征。

2 熱電偶的優(yōu)點(diǎn)與不足

　　需要測量150℃以下的溫度時(shí)，IC溫度計和熱敏電阻都是行之有效的選擇。電阻溫度計則可以測量高達500℃的溫度。而需要測量500℃以上的溫度時(shí)，熱電偶是唯一可行的解決方案，部分類(lèi)型的熱電偶可以應對溫度高達2500℃的極端測量條件。另外，熱電偶甚至簡(jiǎn)單的金屬結架構也允許它直接接觸測量對象，因此熱電偶是惡劣環(huán)境中進(jìn)行溫度測量的首要選擇。此外，熱電偶是無(wú)源器件，不需要任何電流或電壓激勵，也不會(huì )自身產(chǎn)生熱量干擾溫度測量。最后一點(diǎn)，熱電偶對于許多應用來(lái)說(shuō)也是一種低成本的解決方案。

　　當然，熱電偶的應用也存在一些技術(shù)限制。首先，對于任何一類(lèi)熱電偶而言，塞貝克系數在整個(gè)溫度范圍內都不會(huì )是恒定的。這意味著(zhù)熱電偶的輸出電壓并不能完全線(xiàn)性地反映溫度。因此，需要用精確的校正算法來(lái)提高溫度和電動(dòng)勢之間轉換的線(xiàn)性度。熱電偶的另一個(gè)局限在于其靈敏度。在不同的熱電偶類(lèi)型中，賽貝克系數從8μV/℃至60μV/℃都有分布。假設熱結與冷結之間的溫度差為500℃，那么產(chǎn)生的電動(dòng)勢的大小應在4mV至30mV之間。 因此，低失調、低噪聲的放大器是將電動(dòng)勢信號放大至模數轉換器(ADC)輸入端的關(guān)鍵環(huán)節。需要重視的另外一點(diǎn)是可以采用差分放大器消除連接遠端熱電偶的長(cháng)導線(xiàn)產(chǎn)生的共模噪聲?？乖胄阅茌^差的放大器可能會(huì )影響熱電偶的測量精度。

3 應用熱電偶的技術(shù)挑戰及解決方案

　　熱電偶測量溫度的原理是通過(guò)冷結金屬極間的電動(dòng)勢推斷得知冷結與熱結間的溫度差異。冷結補償的算法指的是通過(guò)累加熱電動(dòng)勢推導出的溫度差值與冷結溫度，來(lái)計算熱結處的溫度。因此，為了計算熱結測試點(diǎn)的溫度，需要首先精確測量冷結處的溫度。這意味著(zhù)高精度的環(huán)境溫度傳感器也應該集成在熱電偶的信號調理鏈路內。從電路板布局的角度考慮，環(huán)境溫度傳感器應盡量靠近熱電偶的冷結處，以盡量減小冷結溫度的誤差。

　　前文已經(jīng)提到，熱電偶的缺陷之一在于它的非線(xiàn)性。為了減少熱電偶在溫度到電動(dòng)勢的轉化中的非線(xiàn)性對其精度的影響，我們通常建議將線(xiàn)性校正算法整合到ADC系統中。對于不同類(lèi)型的熱電偶，由于賽貝克系數隨溫度變化并非恒定值，可以采用不同的方法來(lái)校正電動(dòng)勢和溫度之間的非線(xiàn)性關(guān)系。

　　一種可能的解決方案是在內存中裝載查找表，通過(guò)一一對應的溫度和電動(dòng)勢的配對，查詢(xún)某一電動(dòng)勢所對應的溫度差值。相鄰數據點(diǎn)之間的溫度可以通過(guò)線(xiàn)性插值的方法來(lái)推導出。溫度和電動(dòng)勢的配對是通過(guò)對每種熱電偶分別進(jìn)行測試，從而取得的測試數據。當然，為了使配對更為精確，查找表中的相鄰溫度點(diǎn)和相鄰電動(dòng)勢總是需要盡可能接近，這也意味著(zhù)更大的數據量和更高的內存需求。

　　電動(dòng)勢到溫度轉化的非線(xiàn)性度補償的另一種方法是使用建模方法。通過(guò)對每個(gè)溫度點(diǎn)測到的熱電動(dòng)勢的數據進(jìn)行數學(xué)擬合，可以為不同類(lèi)型的熱電偶建立各自的高階多項式傳遞函數，進(jìn)而實(shí)現從熱電動(dòng)勢推導熱結和冷結之間的溫度差值。這種校正的計算過(guò)程可以通過(guò)微處理器或微控制器來(lái)完成。下文所舉的例子中，校正系數是從美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)標號ITS-90的熱電偶數據庫導出，可以保障所有類(lèi)型的熱電偶的最優(yōu)轉換精度。

　　在許多工業(yè)應用中，需要依次使用不同類(lèi)型的熱電偶來(lái)測量溫度。因此，信號調理電路需要對不同類(lèi)型的熱電偶保持同等的轉換精度。否則的話(huà)，會(huì )大大提高信號調理電路的設計復雜度。

　　設計一個(gè)準確、普適性好并且低成本的熱電偶信號調理電路需要大量的專(zhuān)業(yè)知識，并且可能非常耗時(shí)。為了簡(jiǎn)化設計流程，降低設計工作量并縮短上市時(shí)間，設計人員可以考慮使用集成的熱電偶信號調理IC。許多該類(lèi)型的芯片現在已經(jīng)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，這里我們以Microchip的MCP9600為例進(jìn)行說(shuō)明。

4 MCP9600的產(chǎn)品特征

　　Microchip的MCP9600提供了功能集成一體化的熱電偶溫度測量方案。MCP9600的功能框圖如圖2所示。從圖中可以看出，MCP9600是一種高度集成的單芯片解決方案，轉化生成的輸出數據可以直接通過(guò)I2C總線(xiàn)輸出至后端處理器。它集成了一個(gè)18位的Σ-ΔADC，可以通過(guò)不同的設置選擇更高的分辨率或更快的轉換時(shí)間。根據所使用的熱電偶類(lèi)型和所需的分辨率，ADC可以配置為12位、14位、16位和18位分辨率模式。需要權衡的是，較低的分辨率將允許實(shí)現更短的轉換時(shí)間，反之亦然。用戶(hù)也可以自主選擇0.0625℃/LSB(最小比特位)或0.25℃/LSB的溫度分辨率。

　　如前文所述，為了使熱電動(dòng)勢匹配ADC輸入級的電壓范圍，需要使用低噪聲放大器放大電動(dòng)勢信號。MCP9600在輸入端使用了開(kāi)關(guān)電容放大器，以保證輸入信號在18位分辨率模式下最高可以達到2μV/LSB的分辨率。MCP9600還為八種熱電偶(K、J、T、N、E、B、S和R)集成了各自的校正系數，以確保在完整的溫度測量范圍內，熱結溫度的測量誤差小于±1.5℃。

　　對于電池供電或低功耗的應用，MCP9600集成了兩種低功耗工作模式：關(guān)斷模式和突發(fā)模式。這兩種模式都有助于在包括溫度檢測準確度、功耗和自發(fā)熱控制等因素中尋找最優(yōu)的折中方案。MCP9600還配有用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)的寄存器。用戶(hù)可以通過(guò)寄存器選擇熱電偶類(lèi)型、工作模式，設置多達四個(gè)警報限制以及設置ADC參數。該功能特征可以允許靈活配置各種類(lèi)型的主流熱電偶器件，以適用于不同的溫度測量應用。

5 結論

　　在擴展溫度范圍的溫度測量應用中，熱電偶已成為工程學(xué)界的首要選擇。為了保證不同測量環(huán)境下熱電偶的最優(yōu)測量性能，我們需要在熱電偶的信號調制電路中集成多種校正算法。這些算法對溫度測量的線(xiàn)性度，低噪聲放大和冷端補償都有重要的影響。單片集成的熱電偶接口器件旨在簡(jiǎn)化設計人員所面臨的技術(shù)挑戰。Microchip的MCP9600將上述功能模塊集成到包括開(kāi)關(guān)電容放大器，18位ADC和數據處理單元的獨立芯片中，為廣域的溫度監控提供了準確而經(jīng)濟高效的解決方案。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。