集成信號(hào)調(diào)理―高精度溫度測量的關(guān)鍵因素

在測量溫度、壓力、流量和姿態(tài)等真實(shí)世界中的物理參數(shù)時(shí)，往往必須從許多信號(hào)特性差異很大的換能器中提取數(shù)據(jù)。這些換能器所產(chǎn)生的信號(hào)可能包括高壓、低壓、電流、頻率或者脈沖數(shù)據(jù)，而每一種信號(hào)都會(huì)為工程師的測量帶來一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。其中，溫度是迄今為止最常被測量的參數(shù)，熱電偶則是在溫度測量應(yīng)用中最主要的測量設(shè)備。

熱電偶的物理特性對用戶的使用提出了許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。首先，必須將它產(chǎn)生的低電平信號(hào)放大，然后還要濾除其中的高頻分量和噪聲，同時(shí)，還必須小心降低鄰道的干擾。很明顯，要保證熱電偶測量的結(jié)果準(zhǔn)確并可重復(fù)，信號(hào)調(diào)理是十分關(guān)鍵的一環(huán)。

熱電偶換能器在兩片異金屬相互接觸時(shí)產(chǎn)生一個(gè)低電平的電壓，該電壓通常被稱作溫差電動(dòng)勢，信號(hào)強(qiáng)度在毫伏級(jí)。例如，一個(gè)滿幅工作范圍約為60mV的K型熱電偶在1°C下會(huì)產(chǎn)生39uV的電壓。典型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入電壓范圍一般為±10V，因而為了獲得最佳電壓分辨率，就必須將信號(hào)電平放大。

放大級(jí)的作用就是保證將信號(hào)放大到即使十分精細(xì)的溫度變化都能被分辨出來的程度。當(dāng)增益為100時(shí)，一個(gè)K型熱電偶在1200°C時(shí)的測量結(jié)果(48.838 mV)將被放大到4.8838 V。如果沒有經(jīng)過這一必需的放大環(huán)節(jié)，測量結(jié)果的分辨率就會(huì)大大降低，也更容易受噪聲波動(dòng)影響。

圖1：高精度熱電偶和高速電壓測量

模擬濾波

熱電偶輸出的毫伏級(jí)信號(hào)也很容易受60Hz干擾的影響，因此儀器必須提供很好的帶寬限制才能對抗這種干擾。這一點(diǎn)在工業(yè)環(huán)境下尤其重要，因?yàn)樵诠I(yè)環(huán)境下，熱電偶暴露在發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、焊接設(shè)備、照明設(shè)備等干擾源產(chǎn)生的嚴(yán)重電子干擾之下。

諸如基于DMM的系統(tǒng)之類的許多熱電偶測量設(shè)備都能提供一定程度的可編程60Hz濾波能力，但這種帶寬限制是通過設(shè)置ADC的積分速度來實(shí)現(xiàn)的。通過在整數(shù)個(gè)公頻周期(power line cycle, PLC)上積分，能夠改善60Hz濾波的性能，降低60Hz噪聲的影響，但卻會(huì)嚴(yán)重降低通道采樣率。而且由于60Hz濾波設(shè)置是一個(gè)全局設(shè)置，即便只有一個(gè)通道需要60Hz濾波，系統(tǒng)中所有通道都只能按照降低了的速度采樣。

那些顯然是用于降低成本的基于PC的中繼多路設(shè)備(relay multiplexer)通常并不提供任何模擬濾波，而是依靠平均的辦法或者其他軟件技術(shù)來處理數(shù)據(jù)。在測量頻譜內(nèi)需要獲得十分準(zhǔn)確和干凈的數(shù)據(jù)時(shí)，這種處理方式就會(huì)產(chǎn)生問題，這時(shí)若想提高信號(hào)完整性，就必需添加額外的外部濾波電路。

真正領(lǐng)先的儀器設(shè)計(jì)師們并不會(huì)依靠ADC，也不靠軟件過采樣和平均技術(shù)，而是在每個(gè)通道的信號(hào)調(diào)理通路上提供帶寬限制，這樣就能獨(dú)立設(shè)置每個(gè)通道的截止頻率。

有一種靈活的方法(例如在VXI技術(shù)公司的EX1048中采用的方法)，能對不同通道設(shè)置不同的截止頻率范圍，即在4 Hz帶寬和1kHz帶寬之間作出選擇。4 Hz適合大多數(shù)熱電偶和低電壓測量，它對60 Hz的濾波性能最好；1 kHz則適合高精度熱電偶和高速電壓測量(圖1)。

冷端補(bǔ)償(Cold Junction Compensation)

在高精度溫度測量中，濾波抗噪和信號(hào)放大只是其中的一部分。事實(shí)證明，冷端補(bǔ)償(CJC)電路才是高精度熱電偶的核心。即使是熱質(zhì)量很大的隔熱模塊，其溫度也會(huì)緩慢隨周圍環(huán)境同向變化，因此如果過低估計(jì)或者不能正確處理這些效應(yīng)，那么測量誤差就在所難免。

PC卡多路器和基于DMM的系統(tǒng)測量精度通常約為1.0°~1.5°，這個(gè)精度范圍所表達(dá)的不確定性源于多種原因，其中包括隔熱模塊熱質(zhì)量過低， CJC傳感器位置錯(cuò)誤或個(gè)數(shù)不足，終端模塊與相鄰熱源(例如電源)的相對位置不佳，以及顯示的問題。另外，大多數(shù)儀器中測量誤差過大都?xì)w因于CJC傳感器電路設(shè)計(jì)不佳和CJC輸入的熱耦合機(jī)制不良。

象EX1048這樣的精確測溫儀器通常都結(jié)合了多種高精度的CJC機(jī)制，具有較大的熱質(zhì)量，產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度的部件放置位置考究，而且還具備自校準(zhǔn)功能。CJC傳感器通常采用高精度熱敏電阻，這些傳感器往往放在隔熱模塊上的關(guān)鍵位置處。當(dāng)系統(tǒng)中通道個(gè)數(shù)較多時(shí)，帶熱敏電阻的隔熱模塊數(shù)目也會(huì)增多，以消除不同連接點(diǎn)之間的溫度測量造成的誤差(圖2)。注意了這些細(xì)節(jié)之后，儀器的系統(tǒng)級(jí)測量精度就可能達(dá)到0.2°C到0.4°C。

信號(hào)多路化

當(dāng)信號(hào)經(jīng)過了良好的濾波和放大，而且得到的CJC信號(hào)也很精確時(shí)，從信號(hào)調(diào)理的角度來看，ADC仍可能對測量的精確性造成嚴(yán)重影響。由于采樣要求相對較慢，大多數(shù)測溫儀器都不會(huì)在每個(gè)通道上采用一個(gè)單獨(dú)的ADC，而是通過一個(gè)多路器配置使多通道共用同一個(gè)ADC，典型的通道配置數(shù)目有16、32、48和64通道。因此就需要在儀器中添加高速固態(tài)多路器電路。

圖2：當(dāng)系統(tǒng)中通道個(gè)數(shù)較多時(shí)，帶熱敏電阻的隔熱模塊數(shù)目也會(huì)增多，以消除不同連接點(diǎn)之間的溫度測量造成的誤差。

熱電偶信號(hào)的大小只有毫伏級(jí)，當(dāng)硬件設(shè)計(jì)不佳時(shí)，這一性質(zhì)就會(huì)帶來系統(tǒng)級(jí)的問題。如果與熱電偶通道相鄰的通道上產(chǎn)生了高電平或過載條件，那么在熱電偶通道進(jìn)行測量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種情況的原因可能是線路上的寄生電容和電荷，而用戶可能根本無法了解這一情況。如果硬件設(shè)計(jì)無法處理這類典型的問題，就只能要求用戶在一個(gè)通道上多停留一段時(shí)間，先過采樣然后再平均，這樣得到測量結(jié)果。

高質(zhì)量的熱電偶測量儀器則無需依靠過采樣和軟件平均來得到一個(gè)留有裕量的測量結(jié)果。EX1048(圖3*)的設(shè)計(jì)采用了每通道獨(dú)立濾波和放大的方法，將通道與通道的運(yùn)行隔離開來。這樣，送至ADC的信號(hào)和由多路器來的信號(hào)都不會(huì)產(chǎn)生干擾。這類設(shè)計(jì)就能保證不論相鄰?fù)ǖ朗欠窨赡艹霈F(xiàn)過壓或過載情況，ADC轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)對每個(gè)通道都是有效的。

本文小結(jié)

熱電偶測量是一種十分普通也很常見的測量，正因?yàn)槿绱耍S多儀器廠商往往都忽略了基礎(chǔ)信號(hào)調(diào)理的重要性。于是，終端用戶就不得不扛下這一包袱，提供外部信號(hào)調(diào)理和冷端補(bǔ)償設(shè)備，結(jié)果往往造成測量系統(tǒng)成本過高也過于復(fù)雜，而且長期維護(hù)和系統(tǒng)校準(zhǔn)也會(huì)受到影響。

內(nèi)部信號(hào)調(diào)理是精密熱電偶儀器設(shè)計(jì)(例如EX1048)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，它與開放式熱電偶監(jiān)測和自校準(zhǔn)功能等特性緊密相關(guān)。一臺(tái)熱電偶測量儀，如果具備這樣全面的功能，就能簡化設(shè)置和調(diào)試操作，避免出現(xiàn)由外部互連電纜引發(fā)的問題，并按需提供完全的現(xiàn)場校準(zhǔn)。熱電偶測量應(yīng)用有很多種解決方法，但采用一臺(tái)集成好的儀器來完成測量才是能夠降低成本和簡化實(shí)現(xiàn)的方法。