熱電偶應用中冷結點補償的實現

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，并以硅溫度傳感器檢測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，可廣泛用于汽車、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范圍，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，可以很理想地用于精確測量系統。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率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、寬溫度范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范圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個結點，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對應于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數。

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系數有關。然而，由于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征數據與溫度對應關系的查找表，所有數據均基于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℃，那么，為了確定實際熱結點溫度必須已知冷結點溫度?？紤]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。

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。對于精度要求非常高的應用，經過校準的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內保持較高精度，但其成本很高。精度要求不是很高時，采用熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，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占用較多的微控制器資源。溫度感應IC具有出色的線性度，但測溫范圍很窄。

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、溫度范圍、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，一種簡單的方法是采用來自NBS的查找表。用軟件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。兩種用于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：使用多項式系數的線性近似值和熱電偶輸出信號的模擬線性化。

軟件線性值很流行，這是因為除了預先定義了的多項式系數以外，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。對于更多階的多項式，處理時間進一步增加。對于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。

在軟件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，人們通常采用模擬線性化方法。這種基于硬件的方法使用模擬電路來修正熱偶響應的非線性。其準確性決定于采用近似修正的階數。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硅傳感器IC進行冷結點補償的典型應用，三個電路均用來解決溫度范圍較窄(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采用了一個溫度感應IC來確定其溫度；第二個電路包含一個遠結點二極管溫度檢測器，由連接成二極管的晶體管(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。所有三個電路均采用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于改善A/D轉換的分辨率，這對于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，用于測量冷結點附近的溫度。這種方法假設IC溫度近似等于冷結點溫度。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，并在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單結點輸出電壓轉換成數字信號，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，然后通過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，最后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，冷結點溫度變化范圍：-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于本地溫度檢測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管的晶體管測量冷結點溫度。晶體管直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測IC將晶體管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，冷結點溫度變化范圍：-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于遠結點二極管溫度檢測IC的精度和烤箱溫度。

3. 典型應用三

圖4電路中的12位ADC帶有溫度檢測二極管，溫度檢測二極管將環境溫度轉換成電壓量，IC通過處理熱電偶電壓和二極管的檢測電壓，計算出補償后的熱結點溫度。數字輸出是對熱電偶測試溫度進行補償后的結果，在0℃至+700℃溫度范圍內，器件溫度誤差保持在±9LSB以內。雖然該器件的測溫范圍較寬，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，冷結點溫度變化范圍：0℃至+70℃，熱結點溫度保持在+100℃。