通過(guò)熱電偶和調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)寬量程溫度檢測(cè)

作者 / Robin Yang Microchip Technology Inc 混合及線性信號(hào)產(chǎn)品部 資深應(yīng)用工程師

摘要：如何在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的溫度測(cè)量已經(jīng)在工業(yè)熱工控制、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)等工程應(yīng)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(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確性，我們需要同時(shí)對(duì)溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行精確的調(diào)整與配置。本文將對(duì)基于熱電偶的溫度測(cè)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(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案以保證熱電偶的測(cè)溫效果。

1 不同類(lèi)型溫度測(cè)量器件的比較

　　為了將溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以供溫度監(jiān)控系統(tǒng)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(jì)(RTD)和集成電路(IC)溫度計(jì)。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(cè)量范圍、精度、線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(shù)情況下，我們需要在上述因素中做出權(quán)衡，通過(guò)評(píng)估每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求來(lái)選擇最合適的溫度測(cè)量器件。熱電偶是最常用的溫度測(cè)量器件之一，因?yàn)樗軌驕y(cè)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(duì)有限的溫度帶內(nèi)提供了較高的分辨率，而IC溫度計(jì)雖然可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度和線性度，但其測(cè)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(dǎo)體構(gòu)成，這兩種導(dǎo)體在與測(cè)量對(duì)象接觸的感應(yīng)結(jié)點(diǎn)(通常稱為“熱結(jié)”)處連接在一起。在賽貝克效應(yīng)的作用下，當(dāng)冷結(jié)與熱結(jié)之間存在溫度差時(shí)，就會(huì)在冷結(jié)的兩種金屬導(dǎo)體之間產(chǎn)生相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)(EMF，通常為μV級(jí))。電動(dòng)勢(shì)的大小取決于冷結(jié)與熱結(jié)之間的溫度差。通過(guò)對(duì)不同賽貝克系數(shù)的金屬或合金進(jìn)行組合，熱電偶可標(biāo)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(xiàn)出各異的靈敏度與線性度特征。

2 熱電偶的優(yōu)點(diǎn)與不足

　　需要測(cè)量150℃以下的溫度時(shí)，IC溫度計(jì)和熱敏電阻都是行之有效的選擇。電阻溫度計(jì)則可以測(cè)量高達(dá)500℃的溫度。而需要測(cè)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(yīng)對(duì)溫度高達(dá)2500℃的極端測(cè)量條件。另外，熱電偶甚至簡(jiǎn)單的金屬結(jié)架構(gòu)也允許它直接接觸測(cè)量對(duì)象，因此熱電偶是惡劣環(huán)境中進(jìn)行溫度測(cè)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(lì)，也不會(huì)自身產(chǎn)生熱量干擾溫度測(cè)量。最后一點(diǎn)，熱電偶對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是一種低成本的解決方案。

　　當(dāng)然，熱電偶的應(yīng)用也存在一些技術(shù)限制。首先，對(duì)于任何一類(lèi)熱電偶而言，塞貝克系數(shù)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都不會(huì)是恒定的。這意味著熱電偶的輸出電壓并不能完全線性地反映溫度。因此，需要用精確的校正算法來(lái)提高溫度和電動(dòng)勢(shì)之間轉(zhuǎn)換的線性度。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(shù)從8μV/℃至60μV/℃都有分布。假設(shè)熱結(jié)與冷結(jié)之間的溫度差為500℃，那么產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小應(yīng)在4mV至30mV之間。 因此，低失調(diào)、低噪聲的放大器是將電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入端的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(yuǎn)端熱電偶的長(zhǎng)導(dǎo)線產(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(cè)量精度。

3 應(yīng)用熱電偶的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案

　　熱電偶測(cè)量溫度的原理是通過(guò)冷結(jié)金屬極間的電動(dòng)勢(shì)推斷得知冷結(jié)與熱結(jié)間的溫度差異。冷結(jié)補(bǔ)償?shù)乃惴ㄖ傅氖峭ㄟ^(guò)累加熱電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo)出的溫度差值與冷結(jié)溫度，來(lái)計(jì)算熱結(jié)處的溫度。因此，為了計(jì)算熱結(jié)測(cè)試點(diǎn)的溫度，需要首先精確測(cè)量冷結(jié)處的溫度。這意味著高精度的環(huán)境溫度傳感器也應(yīng)該集成在熱電偶的信號(hào)調(diào)理鏈路內(nèi)。從電路板布局的角度考慮，環(huán)境溫度傳感器應(yīng)盡量靠近熱電偶的冷結(jié)處，以盡量減小冷結(jié)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性。為了減少熱電偶在溫度到電動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)化中的非線性對(duì)其精度的影響，我們通常建議將線性校正算法整合到ADC系統(tǒng)中。對(duì)于不同類(lèi)型的熱電偶，由于賽貝克系數(shù)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(shì)和溫度之間的非線性關(guān)系。

　　一種可能的解決方案是在內(nèi)存中裝載查找表，通過(guò)一一對(duì)應(yīng)的溫度和電動(dòng)勢(shì)的配對(duì)，查詢某一電動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度差值。相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的溫度可以通過(guò)線性插值的方法來(lái)推導(dǎo)出。溫度和電動(dòng)勢(shì)的配對(duì)是通過(guò)對(duì)每種熱電偶分別進(jìn)行測(cè)試，從而取得的測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)然，為了使配對(duì)更為精確，查找表中的相鄰溫度點(diǎn)和相鄰電動(dòng)勢(shì)總是需要盡可能接近，這也意味著更大的數(shù)據(jù)量和更高的內(nèi)存需求。

　　電動(dòng)勢(shì)到溫度轉(zhuǎn)化的非線性度補(bǔ)償?shù)牧硪环N方法是使用建模方法。通過(guò)對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)到的熱電動(dòng)勢(shì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)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(xiàng)式傳遞函數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從熱電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo)熱結(jié)和冷結(jié)之間的溫度差值。這種校正的計(jì)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(shù)是從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)標(biāo)號(hào)ITS-90的熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出，可以保障所有類(lèi)型的熱電偶的最優(yōu)轉(zhuǎn)換精度。

　　在許多工業(yè)應(yīng)用中，需要依次使用不同類(lèi)型的熱電偶來(lái)測(cè)量溫度。因此，信號(hào)調(diào)理電路需要對(duì)不同類(lèi)型的熱電偶保持同等的轉(zhuǎn)換精度。否則的話，會(huì)大大提高信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

　　設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確、普適性好并且低成本的熱電偶信號(hào)調(diào)理電路需要大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并且可能非常耗時(shí)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，降低設(shè)計(jì)工作量并縮短上市時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以考慮使用集成的熱電偶信號(hào)調(diào)理IC。許多該類(lèi)型的芯片現(xiàn)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(cè)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(zhuǎn)化生成的輸出數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)I2C總線輸出至后端處理器。它集成了一個(gè)18位的Σ-ΔADC，可以通過(guò)不同的設(shè)置選擇更高的分辨率或更快的轉(zhuǎn)換時(shí)間。根據(jù)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(quán)衡的是，較低的分辨率將允許實(shí)現(xiàn)更短的轉(zhuǎn)換時(shí)間，反之亦然。用戶也可以自主選擇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(shì)匹配ADC輸入級(jí)的電壓范圍，需要使用低噪聲放大器放大電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。MCP9600在輸入端使用了開(kāi)關(guān)電容放大器，以保證輸入信號(hào)在18位分辨率模式下最高可以達(dá)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(shù)，以確保在完整的溫度測(cè)量范圍內(nèi)，熱結(jié)溫度的測(cè)量誤差小于±1.5℃。

　　對(duì)于電池供電或低功耗的應(yīng)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(cè)準(zhǔn)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還配有用戶可訪問(wèn)的寄存器。用戶可以通過(guò)寄存器選擇熱電偶類(lèi)型、工作模式，設(shè)置多達(dá)四個(gè)警報(bào)限制以及設(shè)置ADC參數(shù)。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(cè)量應(yīng)用。

5 結(jié)論

　　在擴(kuò)展溫度范圍的溫度測(cè)量應(yīng)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(cè)量環(huán)境下熱電偶的最優(yōu)測(cè)量性能，我們需要在熱電偶的信號(hào)調(diào)制電路中集成多種校正算法。這些算法對(duì)溫度測(cè)量的線性度，低噪聲放大和冷端補(bǔ)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(shè)計(jì)人員所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。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(shù)據(jù)處理單元的獨(dú)立芯片中，為廣域的溫度監(jiān)控提供了準(zhǔn)確而經(jīng)濟(jì)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。