如何提高多路熱電偶測量的通道一致性

多路熱電偶測溫容易遇到通道精度的一致性問題，主要原因是冷端的溫度不一致性。本文分析該問題，并推薦相應的電路解決方案。

熱電偶冷端的實際位置

熱電偶是一種溫差元件，如下圖1，它的輸出信號是兩個線端之間的電壓差：a(TA1-TA2)- b(TB1-TB2)。由于熱源處是一個點，TA1和TB1相等，可記為TH。若室溫處的兩個線端A2和B2 的溫度TA2和TB2也相等，記為TC。則熱電偶兩個線端之間的電壓差，簡化為(a- b)*(TH-TC)，對于特定的兩種金屬，可以進一步簡化為VTC=α(TH-TC)。

圖1

如果熱電偶兩個線端溫度不相等，則以上簡化不成立，將出現額外的偏差。因此，熱電偶的兩個線端需要保持在同一溫度，保持等溫。在等溫環境，兩個線端與第三種金屬（例如：銅質接線端子的螺絲）相連接位置才是實際冷端的所在位置，而不是接線端子在PCB上的焊盤位置。

多通道時冷端溫度的一致性問題

接線端子的螺絲或簧片通常處在PCB表面之外的空氣中，當多個通道時，由于空氣流動和附近熱源的影響，就會難以保證各個接線端子的螺絲或簧片處于等溫狀態，使得各通道的冷端環境溫度存在差異。常規的熱電偶測量電路，冷端測溫元件放在單個通道接線端子附近（如下圖2）會顧及不到各通道的冷端溫度差異，導致各通道的測量精度出現偏差。

圖2

冷端溫度的一致性是可以通過結構設計改善，例如：使用導熱良好的金屬塊與各通道冷端位置靠近，使得各通道的冷端溫度接近于相等；設計密封的接線盒，隔開熱源的熱傳導，使得內部溫度保持均勻相等。但是這些方式不但增加了結構件設計及裝配，還增加設計復雜度和成本。

推薦的測量方案

在不增加結構件的情況下，我們可以通過增加冷端測溫元件的數量來提高各通道測量精度的一致性。推薦ZLG致遠電子ZAM6218A八通道熱電偶測溫模塊，內部集成24位ADC、信號調理電路、以及數據處理代碼，直接輸出以"℃"為單位的溫度數據。其冷端測量采用測溫芯片，提供兩路I2C和冷端芯片通訊，提供兩種冷端芯片可選，最多能讀取八個冷端芯片的數據，如下圖3。ZAM6218A的冷端測溫芯片可根據實際應用需求與熱電偶測溫通道組合配置，例如每個熱電偶測溫通道可配置一顆冷端測溫芯片，也可兩個、四個、六個、八個熱電偶測溫通道配置一顆冷端測溫芯片。

圖3

ZAM6218A電路部分測量精度0.02%±0.1℃，搭配可選的冷端芯片，可實現0.2℃以內的測量通道精度一致性。ZAM6218A還提供了評估套件，如下圖4。通過該評估套件，基于ZAM6218A模塊可以快速搭建出高通道精度一致性的熱電偶測量電路。

圖4