热电偶两种简单、精确、灵活的温度测量方法

　　测量方案1：为简单而优化

　　K型热电偶测量。它使用了AD8495热电偶放大器，该放大器专门设计用于测量K型热电偶。这种模拟解决方案为缩短设计时间而优化：它的信号链比较简洁，不需要任何软件编码。

　　测量解决方案1：为简单而优化。

　　这种简单的信号链是如何解决K型热电偶的信号调理要求的呢？

　　增益和输出比例系数: 微弱的热电偶信号被AD8495放大122的增益，形成5-mV/°C的输出信号灵敏度（200°C/V）。

　　降噪:高频共模和差分噪声由外部RFI滤波器消除。低频率共模噪声由AD8495的仪表放大器来抑制。再由外部后置滤波器解决任何残余噪声。

　　参考接合点补偿:由于包括一个温度传感器来补偿环境温度变化，AD8495必须放在参考接合点附近以保持相同的温度，从而获得精确的参考接合点补偿。

　　非线性校正:通过校准，AD8495在K型热电偶曲线的线性部分获得5 mV/°C输出，在–25°C至+400°C温度范围内的线性误差小于2°C。如果需要此范围以外的温度，ADI应用笔记AN-1087 介绍了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩大温度范围。

　　绝缘、接地和裸露热电偶的处理:图5所示为一个接地1MΩ电阻，它适用于所有热电偶尖端类型。AD8495专门设计以在如图所示搭配单电源时测量地电压以下数百毫伏。如果希望更大地压差，AD8495还可采用双电源工作。

　　AD8495的更多详情: 图7所示为AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1、A2和A3（及所示电阻）一道形成一个仪表放大器，它使用恰好产生5 mV/°C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出进行放大。在标记"Ref junction compensation"（参考接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。在测量接合点温度保持稳定的条件下，如果参考接合点温度由于任何原因而上升，来自热电偶的差分电压就会降低。如果微型封装的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495接近参考接合点的热区域，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大器内，这样输出电压保持恒定，从而对参考温度变化进行补偿。

 

　　使用AD8495的集成硬件解决方案的性能：

　　热电偶类型 测量接合点范围 参考接合点温度范围 25°C时精度

　　功耗

　　K –25°C 至 +400°C

　　0°C 至 50°C

　　±3°C (A 级特性)

　　±1°C (C 级特性)

　　1.25 mW

　　测量解决方案2：为精度和灵活性而优化

　　显示高精度测量J、K或T型热电偶的示意图。此电路包括一个小信号热电偶电压测量用的高精度ADC，和一个参考接合点温度测量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个外部微处理器使用SPI接口进行控制。

 

   测量解决方案2：为精度和灵活性而优化。

　　这种配置如何满足前述信号调理要求的呢？

　　消除噪声并放大电压: 如图9所示，使用AD7793一种高精度、低功耗模拟前端来测量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波后连接到一组差分输入AIN1(+)和AIN1(–)。信号然后依次经过一个多路复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器（放大热电偶小信号）发送到一个ADC，它将该信号转换为数字信号。

 

　　参考接合点温度补偿: The ADT7320详见图10）在充分靠近参考接合点放置时在–10°C至+85°C温度范围内参考接合点温度测量精度可达到±0.2°C。片上温度传感器产生与绝对温度成正比的电压，该电压与内部基准电压相比较并输入至精密数字调制器。该调制器输出的数字化结果不断刷新一个16位温度值寄存器。然后通过SPI接口从微处理器回读温度值寄存器，并结合ADC的温度读数一起实现补偿。

 

　　校正非线性度: ADT7320在整个额定温度范围（–40°C至+125°C）内呈现出色的线性度，不需要用户校正或校准。因而其数字输出可视为参考接合点状态的精确表示。

　　为了确定实际热电偶温度，必须使用美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式将此参考温度测量值转换成等效热电电压。此电压与AD7793测量的热电偶电压相加，然后再次使用NIST公式将和转换回成热电偶温度。

　　处理绝缘和接地热电偶:图8所示为具有裸露尖端的热电偶。此提供最佳响应时间，但相同的配置还可以搭配绝缘尖端热电偶一起使用。

　　表3概述了使用NIST数据，基于软件的参考接合点测量解决方案的性能：

　　表3.解决方案2（图8）性能概述

　　热电偶类型 测量接合点温度范围 参考接合点温度范围 精度

　　功耗

　　J, K, T 整个范围

　　–10°C至 +85°C

　　–20°C 至 +105°C

　　±0.2°C

　　±0.25°C

　　3 mW

　　3 mW

　　结论

　　热电偶在相当宽的温度范围内提供稳定可靠的温度测量，但因为需要在设计时间和精度之间进行折衷，它们往往不是温度测量的首选。本文提出解决这些问题的高性价比方式。

　　第一种解决方案注重借助基于硬件的模拟参考接合点补偿技术来降低测量的复杂度。它可以实现简单的信号链，不需要任何软件编程，依赖于AD8495热电偶放大器所提供的集成特性，该放大器产生5mV/°C输出信号，可馈入到各种微处理器的模拟输入。

　　第二种解决方案提供最高测量精度，还可使用各种热电偶类型。作为一种基于软件的参考接合点补偿技术，它依赖于高精度ADT7320数字温度传感器来提供精度远超迄今所实现精度的参考接合点补偿测量。ADT7320在–40°C至+125°C温度范围完全校准并指定。完全透明，不同于传统的热敏电阻或RTD传感器测量，它既不需要在电路板装配后进行高成本的校准步骤，也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或内存资源。其功耗只有数毫瓦，避免了降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。