利用先進(jìn)的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量

熱電偶廣泛用于各種溫度檢測(cè)。熱電偶設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，以及新標(biāo)準(zhǔn)和算法的出現(xiàn)，大大擴(kuò)展了工作溫度范圍和精度。目前，溫度檢測(cè)可以在-270℃至+1750℃寬范圍內(nèi)達(dá)到±0.1℃的精度。為充分發(fā)揮新型熱電偶能力，需要高分辨率熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)。能夠分辨極小電壓的低噪聲、24位、Δ-Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)非常適合這項(xiàng)任務(wù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)采用24位ADC評(píng)估(EV)板，熱電偶能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。熱電偶、鉑電阻溫度檢測(cè)器(PRTD)和ADC相結(jié)合，可構(gòu)成高性能溫度測(cè)量系統(tǒng)。采用低成本、低功耗ADC的DAS系統(tǒng)，可理想滿足便攜式檢測(cè)的應(yīng)用需求。

熱電偶入門

托馬斯?塞貝克在1822年發(fā)現(xiàn)了熱電偶原理。熱電偶是一種簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量裝置，由兩種不同金屬(金屬1和金屬2)組成(圖1)。塞貝克發(fā)現(xiàn)不同的金屬將產(chǎn)生不同的、與溫度梯度有關(guān)的電勢(shì)。如果這些金屬焊接在一起構(gòu)成溫度傳感器結(jié)(TJUNC，也稱為溫度結(jié))，另一端未連接的差分結(jié)(TCOLD，作為恒溫參考端)上將呈現(xiàn)出電壓，VOUT，該電壓與焊接結(jié)的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓/電荷，無需任何電壓或電流激勵(lì)。

VOUT溫差(TJUNC - TCOLD)是金屬1及金屬2的金屬類型的函數(shù)。該函數(shù)在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) ITS-90 熱電偶數(shù)據(jù)庫中嚴(yán)格定義，覆蓋了絕大多數(shù)實(shí)用金屬1和金屬2組合。利用該數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)VOUT測(cè)量值計(jì)算相對(duì)溫度TJUNC。然而，由于熱電偶以差分方式測(cè)量TJUNC，為了確定溫度結(jié)的實(shí)測(cè)溫度，就必須知道冷端絕對(duì)溫度(單位為℃、℃或K)。所有現(xiàn)代熱電偶系統(tǒng)都利用另一絕對(duì)溫度傳感器(PRTD、硅傳感器等)精密測(cè)量冷端溫度，并進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

圖1 熱電偶簡(jiǎn)化電路

圖1所示熱電偶簡(jiǎn)化電路的溫度公式為：

Tabs = TJUNC + TCOLD (式1)

式中：Tabs為溫度結(jié)的絕對(duì)溫度；TJUNC為溫度結(jié)與基準(zhǔn)冷端的相對(duì)溫度；TCOLD為冷端參考端的絕對(duì)溫度。

熱電偶的類型各種各樣，但是針對(duì)具體的工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境可以選擇最適合的異金屬對(duì)兒。這些金屬和/或合金組合被NIST及國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化，簡(jiǎn)寫為E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC為常見的熱電偶類型提供了熱電偶參考表。

NIST和IEC還為每種熱電偶類型開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。這些冪級(jí)數(shù)模型采用獨(dú)特的系數(shù)組合，每種熱電偶類型及不同溫度范圍的系數(shù)都不同。

表1所示為部分常見熱電偶類型(J、K、E和S)的例子。

表1. 常見的熱電偶類

J型熱電偶具有相對(duì)較高的塞貝克系數(shù)、高精度和低成本，應(yīng)用廣泛。這些熱電偶使用相對(duì)簡(jiǎn)單的線性化算法，即可達(dá)到±0.1℃的測(cè)量精度。

K型熱電偶覆蓋的溫度范圍寬，在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克系數(shù)、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達(dá)±0.1℃。

E型熱電偶的應(yīng)用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克系數(shù)最高。E型熱電偶所需的測(cè)量分辨率低于其它類型。E型熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)到±0.5℃，需要的線性化計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜。

S型熱電偶由鉑和銠組成，這對(duì)組合能夠在非常高的氧化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可復(fù)現(xiàn)的測(cè)量。S型熱電偶的塞貝克系數(shù)較低，成本相對(duì)較高。S型熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)到±1℃，需要的線性化算法相對(duì)復(fù)雜。

應(yīng)用示例

熱電偶電路設(shè)計(jì)包括具有差分輸入及能夠分辨微小電壓的高分辨率ADC、穩(wěn)定的低漂移基準(zhǔn)，以及準(zhǔn)確測(cè)量冷端溫度的方法。

圖2所示為簡(jiǎn)化原理圖。MX7705是一款16位、Δ-Σ ADC，內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)，無需外部精密放大器，能夠分辨來自熱電偶的微伏級(jí)電壓。冷端溫度利用MAX6627遠(yuǎn)端二極管傳感器以及位于熱電偶連接器處、連接成二極管的晶體管測(cè)量。MX7705的輸入共模范圍擴(kuò)展至低于地電勢(shì)30mV，可實(shí)現(xiàn)有限的負(fù)溫度范圍。

圖2 熱電偶測(cè)量電路。MX7705測(cè)量熱電偶輸出，MAX6627和外部晶體管測(cè)量冷端溫度。MAX6002為MX7705提供2.5V精密電壓基準(zhǔn)。