热电偶进行精密温度测量

热电偶进行精密温度测量
设计原理 热电偶是温度传感器的常见类型。 相对低廉的价格、宽温度范围、长期稳定性和接触测量的适用性使得这 些器件在广泛的应用中十分常见。 虽然使用热电偶来实现极高精度比一个电阻温度检测器 (RTD) 要困难的 多，热电偶的低成本和多用途经常弥补了这个精度获得方面的困难。 此外，与热敏电阻和 RTD 相比，热电 偶的使用往往因为它们无需激励而简化了应用电路。 也就是说，这些传感器生成它们自己的电压，并因此 只需要一个基准和某些形式的冰点或冷端补偿。 如 Figure 3 中所示，热电偶是一段由不同导体（通常为合金）制成的一端焊接在一起的两根导线。 使用的 导体成分差别很大，并且取决于所要求的温度范围、精度、使用寿命和测量环境。 然而，所有热电偶类型 都基于同一基本原理：热电或塞贝克效应。 只要一个导体从一端到另外一端经历了一个温度梯度，就会产 生一个电动势。 这个电动势由于导体内的自由电子以不同的速率（取决于温度）扩散而上升。 导体热端上 具有更高能量的电子扩散的速度，快于冷端上具有较低能量电子的扩散速度。 净效应就是在导体的一端上 出现电荷的堆积，并且在热端和冷端之间产生一个电动势。 Figure 4 中图示了这个效应。 图 3： 热电偶接合点图 Metal 1 Metal 2 Metal 3 Metal 3 Junction A Junction B Junction C ADC Cold Junction Metal 1 Metal 2 Metal 1 Metal 1 Junction A Junction C ADC Cold Junction Equivalent Circuit Actual Circuit www.ti.com ZHCU067-June 2013 Precision Thermocouple Measurement with the ADS1118 5 版权 © 2013，德州仪器 (TI) 公司 图 4： 塞贝克效应的图解 不同类型的金属以不同的强度水平表现出这个效应。 当两个不同类型的金属被配对使用并且在一个特定点 上被连接在一起时（Figure 3 中的结点 A），较短部分的相对端点（结点 B 和 C）上的电压差与导体对的 任一端点上形成的温度梯度成正比。 这个效应意味着热电偶并不实际测量一个绝对温度；它们只是测量两 个点之间的温度差，这两个点通常称为热端和冷端。 因此，为了确定热电偶任一端上的温度，必须知道相 对端点上的准确温度。 在经典设计中，为了建立一个已知的温度，热电偶的一端被保持在冰槽中（Figure 3 中的接合点 B 和 C）。 实际上，对于大多数应用，提供一个真正的冰点基准不太现实。 而是持续监视热电偶 B 和 C 端点的温度， 并将其用作基准点来计算热电偶另外一端 A 的温度。 由于历史原因，这些接合点被称为冷端或冰点，虽然 并不需要将它们保持寒冷状态或接近冷冻状态。 这些端点被称为接合点，这是因为它们连接至某些形式的接线端子，通过此接线端子由热电偶合金线过渡为 印刷电路板或 PCB 上线条（通常为铜质）。 过渡回铜的过程产生了冷接合点 B 和 C。由于中间金属定律， 接合点 B 和 C 可被视为单基准接合点，倘若它们被保持在同一温度或等温线上。 一旦得知基准接合点的 温度，可计算出接合点 A 上的绝对温度。 测量接合点 B 和 C 上的温度，然后使用那个温度来计算接合点 A 上的温度，被称为冷端补偿。 在很多应用中，接合点 B 和 C 上的温度使用一个二极管、热敏电阻或 RTD 进行测量。 与任一形式的冷端 补偿一样，实现精确的热电偶测量需要满足两个重要条件： • 接合点 B 和 C 必须保持在等温线上，或者保持在同一温度。 可通过将接合点 B 和 C 保持在互相十 分靠近的位置，并且远离 PCB 上可能存在的任一发热源来实现这一条件。 很多时候，等温块被用来将 接合点保持在同一温度。 大质量的金属提供了很好的等温方式。 对于其它应用，尽可能地将铜填充到 接合点周围也许就足够了。 通过在顶层和底层创建一个金属填充岛，用等间隔过孔连接在一起，就形 成了一个简单的等温块。 有必要确保这个等温块不受来自电路中其它区域，诸如功率调节电路的寄生 发热源的影响。 • 接合点 B 和 C 的等温温度必须精确测量。 越将温度传感器（诸如二极管，RTD 或热敏电阻）放置在 靠近等温块的位置越好。 气流也会降低冷端补偿测量的准确度。 为了实现最佳性能，建议确保冷端被 保持在封闭状态，并且将冷端附近的空气流保持最低。 在气流不可避免的应用中，找到一个机械方法， 以某种类型的屏蔽来覆盖测量冷端的传感器，保护冷端不受气流的影响，也许会有所帮助。 有必要牢 记的是，PCB 的方向会影响冷端补偿的准确度。 例如，如果在冷端下方有发热元件，由于这些元件发 出的热量上升，误差会变得很明显。 输入信号调理 在任何设计中，信号调理都很关键。 由于混叠效应，任何 ADC，无论其架构，在其输入上都 需要某些数量的滤波，以减少系统噪声。 由于 △-Σ ADC 中的数字滤波器，对于一个外部模拟滤波器的需 要被大大降低了，但是仍然需要某些滤波。 如 Figure 5 中显示的一个简单滤波器将提供一个很均衡的差分 滤波器设计。 这些滤波器的重要作用是，抑制掉那些有可能进入 ADC 输入，频率接近于调制器采样速度的 噪声。 调制器采样速度通常比实际 ADC 输出数据速率高几百甚至几千倍。 这些频率上的噪声根本无法由 数据转换器进行数字抑制，而必须通过模拟输入滤波来抑制。 △-Σ ADC 具有确定的调制器采样频率，以 使外部滤波器能够进行相应地设计。例如，ADS1118，具有 250kHz 的调制器采样频率。