熱電偶應用中冷結點補償的應用實例

2020-12-03 電子產品世界

熱電偶應用中冷結點補償的實現

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/161204.htm

因為熱電偶是差分溫度測量器件，在處理熱電偶信號時以冷結點作為參考點，考慮到非零攝氏度冷結點的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行冷結點補償。本文比較了幾種冷結點補償器件，並以矽溫度傳感器檢測IC為例介紹了三種應用設計方法和測量的結果。

溫度測量應用中有多種類型的傳感器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用於汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電調節器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度範圍，具有較高的性價比。另外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應時間使其成為各種工作環境下的首選。當然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可以很理想地用於精確測量系統。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高解析度數據轉換器進行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價位、易使用、寬溫度範圍可以使其得到廣泛使用。

熱電偶與冷結點補償

熱電偶是差分溫度測量器件，由兩段不同的金屬線構成，一段用作正結點，另一段用作負結點。表1列出了四種最常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應的溫度測量範圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起後形成兩個結點，如圖1a所示，環路電壓是兩個結點溫差的函數。這利用了Seebeck效應，通常描述為熱能轉換為電能的過程。Seebeck效應與Peltier效應相反，Peltier效應為電能轉換成熱能的過程，典型應用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測結點(熱結點)結電壓與參考結點(冷結點)結電壓之差。因為VH和VC是由兩個結的溫度差產生的，VOUT也是溫差的函數。比例因數α對應於電壓差與溫差之比，稱為Seebeck係數。

圖1b所示是一種最常見的熱電偶應用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的結點。本例中，每個開路結點與銅線電氣連接，這些連線為系統增加了兩個額外結點，只要這兩個結點溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結點的條件下使用。VOUT仍然是熱結點與冷結點溫差的函數，與Seebeck係數有關。然而，由於熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結點的實際溫度，冷結點溫度必須是已知的。冷結點溫度為0℃(冰點)時是一種最簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結點測量電壓是結點溫度的直接轉換值。美國國家標準局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特徵數據與溫度對應關係的查找表，所有數據均基於0℃冷結點溫度。利用冰點作為參考點，通過查找適當表格中的VH可以確定熱結點溫度。

在熱電偶應用初期，冰點被當作熱電偶的標準參考點，但在大多數應用中獲得一個冰點參考溫度不太現實。如果冷結點溫度不是0℃，那麼，為了確定實際熱結點溫度必須已知冷結點溫度。考慮到非零冷結點溫度的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行補償，即所謂的冷結點補償。


圖1：a. 環路電壓由熱電偶兩個結點之間的溫差產生。b. 常見的熱電偶配置由兩條金屬線連接在一結點，每條線的開路結點與銅恆溫線連接。

圖2：本地溫度檢測IC(MAX6610)確定冷結點溫度。熱電偶和冷結點溫度傳感器輸出電壓由16位ADC(MAX7705)轉換。

圖3：遠結點二極體靠近冷結點安裝檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準電壓。

圖4：集成了冷結點補償的ADC，將熱電偶電壓轉換為溫度，無需外部元件。

表1：幾種常用的熱電偶類型。

表2：測量值取自不同烤箱內的冷結點和熱結點溫度。冷結點溫度範圍：-40℃至+85℃，熱結點溫度保持在+100℃。

表3：測量值取自不同烤箱內的冷結點和熱結點溫度。冷結點溫度範圍：-40℃至+85℃，熱結點溫度保持在+100℃。表中的熱結點測量值經過補償。

表4：測量值取自不同烤箱內的冷結點和熱結點溫度。冷結點溫度範圍：0℃至+70℃，熱結點溫度保持在+100℃。表中的熱結點測量值是電路提供的十進位數字。

選擇冷結點結溫測量器件

為了實現冷結點補償，必須確定冷結點溫度，這可以通過任何類型的溫度檢測器件實現。在通用的溫度傳感器IC、熱電調節器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優缺點，需要根據具體應用進行選擇。對於精度要求非常高的應用，經過校準的鉑RTD能夠在很寬的溫度範圍內保持較高精度，但其成本很高。精度要求不是很高時，採用熱敏電阻和矽溫度傳感器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比矽IC具有更寬的測溫範圍，而溫度傳感器IC具有更高的線性度，因而性能指標更好一些。修正熱敏電阻的非線性會佔用較多的微控制器資源。溫度感應IC具有出色的線性度，但測溫範圍很窄。

因此，必須根據系統的實際需求選擇冷結點溫度測量器件，需要仔細考慮精度、溫度範圍、成本和線性指標，以便得到最佳的性價比。

查找表方法

一旦你建立了一種冷結點補償的方法，補償輸出電壓必須轉換成相應的溫度，一種簡單的方法是採用來自NBS的查找表。用軟體實現查找表需要存儲器來存儲，但是在需要連續不斷地進行測試時，這些表提供了一種快速和準確的解決方案。兩種用於將熱偶電壓轉換成溫度的其他方法需要不僅僅是查找表，這兩種方法是：使用多項式係數的線性近似值和熱電偶輸出信號的模擬線性化。

軟體線性值很流行，這是因為除了預先定義了的多項式係數以外，不需要存儲。這種方法的缺點是與多階多項式(multiple-order polynomial)相關的處理時間問題。對於更多階的多項式，處理時間進一步增加。對於需要多次多項式的溫度測量應用來說，查找表可能比線性近似值方法更有效且更準確。

在軟體用來實現測量電壓到溫度(除了手動搜索查找表以外)的轉換之前，人們通常採用模擬線性化方法。這種基於硬體的方法使用模擬電路來修正熱偶響應的非線性。其準確性決定於採用近似修正的階數。這種方法依然廣泛應用在那些接收熱偶信號的萬用表中。

應用電路

下面討論了三種利用矽傳感器IC進行冷結點補償的典型應用，三個電路均用來解決溫度範圍較窄(0℃至+70℃和-40℃至+85℃)的冷結點溫度補償，精度在幾個攝氏度以內。第一個電路在鄰近冷節點的地方採用了一個溫度感應IC來確定其溫度；第二個電路包含一個遠結點二極體溫度檢測器，由連接成二極體的電晶體(直接連接到熱電偶的連接頭)為其提供測試信號；第三個電路中的模/數轉換器(ADC)內置冷結點補償。所有三個電路均採用K型熱電偶(由鎳鉻合金和鎳基熱電偶合金組成)進行溫度測量。

1. 典型應用一

圖2所示電路中，16位ADC將低電平熱電偶電壓轉換成16位串行數據輸出。集成可編程增益放大器有助於改善A/D轉換的解析度，這對於處理熱電偶小信號輸出非常必要。溫度檢測IC靠近熱電偶接頭安裝，用於測量冷結點附近的溫度。這種方法假設IC溫度近似等於冷結點溫度。冷結點溫度傳感器輸出由ADC的通道2進行數字轉換。溫度傳感器內部的2.56V基準節省了一個外部電壓基準IC。

工作在雙極性模式時，ADC可以轉換熱電偶的正信號和負信號，並在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單結點輸出電壓轉換成數位訊號，提供給微控制器。溫度檢測IC的輸出電壓與冷結點溫度成正比。為了確定熱結點溫度，需首先確定冷結點溫度，然後通過NBS提供的K型熱電偶查找表將冷結點溫度轉換成對應的熱電電壓(thermoelectric voltage)。將此電壓與經過PGA增益校準的熱電偶讀數相加，最後再通過查找表將求和結果轉換成溫度，所得結果即為熱結點溫度。

表2列出了溫度測量結果，冷結點溫度變化範圍：-40℃至+85℃，熱結點保持在+100℃。實際測量結果的精度在很大程度上取決於本地溫度檢測IC的精度和烤箱溫度。

2. 典型應用二

圖3所示電路中，遠結點溫度檢測IC測量電路的冷結點溫度，與本地溫度檢測IC不同的是IC不需要靠近冷結點安裝，而是通過外部連接成二極體的電晶體測量冷結點溫度。電晶體直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測IC將電晶體的測量溫度轉換成數字輸出。ADC的通道1將熱電偶電壓轉換成數字輸出，通道2沒有使用，輸入直接接地。外部2.5V基準IC為ADC提供基準電壓。

表2、3列出了溫度測量結果，冷結點溫度變化範圍：-40℃至+85℃，熱結點保持在+100℃。實際測量結果精度在很大程度上取決於遠結點二極體溫度檢測IC的精度和烤箱溫度。

3. 典型應用三

圖4電路中的12位ADC帶有溫度檢測二極體，溫度檢測二極體將環境溫度轉換成電壓量，IC通過處理熱電偶電壓和二極體的檢測電壓，計算出補償後的熱結點溫度。數字輸出是對熱電偶測試溫度進行補償後的結果，在0℃至+700℃溫度範圍內，器件溫度誤差保持在±9LSB以內。雖然該器件的測溫範圍較寬，但它不能測量0℃以下的溫度。

表4是圖4所示電路的測量結果，冷結點溫度變化範圍：0℃至+70℃，熱結點溫度保持在+100℃。

相關焦點

  • 熱電偶與熱電阻的應用
    熱電偶與熱電阻的應用原理一、熱電偶的應用原理 熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。其優點是： ①測量精度高。1．熱電偶測溫基本原理 將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合迴路，如圖2-1-1所示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在迴路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
  • 高精度溫度晶片Si7051在熱電偶補償中的應用
    王昌世（南昌溫度測控實驗室，南昌 330002）本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201912/408683.htm　　摘 要：熱電偶(TC)測溫是溫控儀必備的功能。TC測溫需進行冷端溫度補償，補償的精度決定著TC的測溫精度。
  • 熱電偶冷端溫度補償方法是什麼
    將通過補償導線延仲出來的冷端分別插入裝有變壓器油的試管中，把試管放入裝襯冰水混合物的容器中，可使冷端溫度保持0℃。這種方法在實際生產中不適用，多用於實驗室。　　②公式修正法。將測得的熱電勢EAB（t，to）。和查分度表所得的熱電勢EAB（t，to）相加，便可得到文際溫度F的熱電勢EAB（t，to）。
  • 基於熱電偶的測溫儀表冷端補償方法
    熱電偶是一種常用的溫度傳感器，是利用熱電效應，並根據冷熱端溫度差產生的熱電動勢測量溫度，且具有測量精度高、構造簡單、使用方便等優點。在測溫儀表中得到了廣泛應用。通用的冷端補償方法由於其結構複雜，噪聲大，線性度差會對測量結果造成較大的影響。
  • ADI實驗室電路:集成冷結補償的K型熱電偶測量系統
    電路功能與優勢圖1所示電路是一款完整的熱電偶信號調理電路，帶有冷結補償功能並後接一個16位∑-△型模數轉換器（ADC）。AD8495熱電偶放大器為測量K型熱電偶溫度提供了一種簡單的低成本解決方案，且包含冷結補償功能。AD8495中的固定增益儀表放大器可放大熱電偶的小電壓，以提供5 mV/°C輸出。該放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制熱電偶的長引線可能會拾取的共模噪聲。如需額外保護，該放大器的高阻抗輸入端允許輕鬆添加額外的濾波措施。
  • 熱電偶和熱電阻的區別
    熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。　　熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度，對於熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題：　　1：熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫【2】度函數的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數；　　2 ：熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關
  • 熱電偶型號怎麼看 熱電偶型號數字含義
    熱電偶是生活中比較常見的元器件，在實際應用當中廣泛使用。關於它你了解多少呢？你知道的它的型號嗎？你知道它型號上的數字代表著什麼含義嗎？ 　　本文主要是關於熱電偶的型號選擇及其型號數字代表含義的介紹，並闡述了熱電偶的檢測方法。 　　熱電偶型號怎麼看 　　常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。
  • 簡要介紹熱電偶工作原理及種類結構
    在工業應用上它的主要作用是檢測溫度，並把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度（壓力傳感器）。只要掌握了熱電偶工作原理才能更好的讓它應用於工業生產中（壓力傳感器工作原理），從而服務於我們的生活。
  • 熱電偶和熱電阻的區別及設計方案
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/360374.htm　　首先，介紹一下熱電偶，熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件，他的主要特點就是測吻範圍寬，性能比較穩定，同時結構簡單，動態響應好，更能夠遠傳4-20mA電信號，便於自動控制和集中控制。熱電偶的測溫原理是基於熱電效應。
  • 熱電阻與熱電偶的測量原理及區別
    熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。　　　　1．熱電偶測溫基本原理　　　　將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合迴路。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在迴路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
  • 詳細介紹熱電偶的工作原理及冷端補償方法
    熱電偶是工業測溫常用的儀表，由於比熱電阻等測溫範圍更寬，所以應用廣泛。工作原理熱電偶（thermocouple）是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，並把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過溫度變送器轉換成4-20mA信號引入到控制系統顯示溫度。
  • 熱電偶工作原理 - 百度經驗
    簡介在工業生產過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中，熱電偶的應用極為廣泛，它具有結構簡單、製造方便、測量範圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便於遠傳等許多優點。另外，由於熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度[1]  。
  • 【E問E答】熱電偶和熱電阻的區別有哪些?
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201601/285783.htm　　首先,介紹一下熱電偶,熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件,他的主要特點就是測吻範圍寬,性能比較穩定,同時結構簡單,動態響應好,更能夠遠傳4-20mA電信號,便於自動控制和集中控制。熱電偶的測溫原理是基於熱電效應。
  • 集成放大器冷結補償的熱電偶溫度測量系統
    AD8495熱電偶放大器為測量K型熱電偶溫度提供了一種簡單的低成本解決方案，且包含冷結補償功能。AD8495中的固定增益儀表放大器可放大熱電偶的小電壓，以提供5 mV/°C輸出。該放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制熱電偶的長引線可能會拾取的共模噪聲。如需額外保護，該放大器的高阻抗輸入端允許輕鬆添加額外的濾波措施。
  • 影響熱電偶測量準確度因素的幾點分析
    熱電偶由於具有結構簡單、製造容易,測量方便等優點,故在工業溫度測量中得到廣泛應用,但是,要得到正確的測量結果,必須認識了解熱電偶的特性和正確使用,否則將會在測量中帶來很大的誤差。下面從幾個方面闡述影響熱電偶測量不穩定因素。
  • 電熱匯分享鎧裝熱電偶與普通熱電偶的區別!記住這2點
    有人諮詢電熱匯問：鎧裝熱電偶與普通熱電偶的區別是什麼？今天來分別介紹一下鎧裝熱電偶與普通熱電偶。一、鎧裝熱電偶與普通熱電偶的結構對比鎧裝熱電偶：由金屬維護管、絕緣資料和電阻體三者組合經冷拔、旋銀加工而成。
  • 工業熱電偶測量誤差原因及解決方法
    工業熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，並把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉換顯示成被測介質的溫度。工業熱電偶在測量中，會出現哪些誤差?如何解決?下面淺談 工業熱電偶 測量誤差原因及解決方法，盡供用戶參考。
  • RTD、熱電偶、熱敏電阻器、IC傳感器優缺點比較
    在這篇文章中，筆者將介紹四種類型的溫度傳感器（電阻式溫度檢測器 （RTD）、熱電偶、熱敏電阻器以及具有數字和模擬接口的集成電路 （IC） 傳感器）並討論每種傳感器的優點與缺點。為了對這種輕微的非線性進行補償，大多數設計人員都會對測得的電阻值進行數位化處理，並使用微控制器內的查找表以便應用校正因子。這種寬溫度範圍（大約-250℃至+750℃）內的可復驗性和穩定性使RTD在高精度應用（包括在管道和大容器內測量液體或氣體的溫度）中極為有用。
  • 熱電偶原理
    偶。。。好像不怎麼容易和其測溫儀器的實質聯繫起來，既然這樣，那就要靠他的好兄弟熱電阻啦，趕快來看看熱電偶與熱電阻的故事吧~本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/285127.htm　　熱電偶，英文名稱為thermocouple，是一種常用的溫度測量儀表，具有結構簡單、測量範圍廣、精度高、無需外加電源燈多種優點，因此應用也十分廣泛。
  • 熱電偶工作原理及冷端補償方法
    公眾號回複數字「3」，免費獲取雲盤連結，海量學習資源     1、熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件