首页
|
新闻
|
新品
|
文库
|
方案
|
视频
|
下载
|
商城
|
开发板
|
数据中心
|
座谈新版
|
培训
|
工具
|
博客
|
论坛
|
百科
|
GEC
|
活动
|
主题月
|
电子展
注册
登录
论坛
博客
搜索
帮助
导航
默认风格
uchome
discuz6
GreenM
»
模拟电路
» 热电偶应用中冷结点补偿的实现
返回列表
回复
发帖
发新话题
发布投票
发布悬赏
发布辩论
发布活动
发布视频
发布商品
热电偶应用中冷结点补偿的实现
发短消息
加为好友
pengpengpang
(pengpengpang)
当前离线
UID
1023229
帖子
6106
精华
0
积分
3055
阅读权限
90
来自
中国
在线时间
156 小时
注册时间
2013-12-20
最后登录
2016-7-3
论坛元老
UID
1023229
来自
中国
1
#
打印
字体大小:
t
T
pengpengpang
发表于 2015-12-25 09:48
|
只看该作者
热电偶应用中冷结点补偿的实现
温度传感器
,
集成电路
,
温度检测
,
工作环境
,
转换器
温度测量应用中有多种类型的传感器,热电偶是最常用的一种,可广泛用于汽车、家庭等。与电阻式温度检测器(RTD)、热电调节器、温度检测集成电路(IC)相比,热电偶能够检测更宽的温度范围,具有较高的性价比。另外,热电偶的鲁棒性、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首选。当然,热电偶在温度测量中也存在一些缺陷,例如线性特性较差。除此之外,RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度,可以很理想地用于精确测量系统。热电偶信号电平很低,常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题,热电偶的低价位、易使用、宽温度范围可以使其得到广泛使用。
热电偶与冷结点补偿
热电偶是差分温度测量器件,由两段不同的金属线构成,一段用作正结点,另一段用作负结点。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点,如图1a所示,环路电压是两个结点温差的函数。这利用了Seebeck效应,通常描述为热能转换为电能的过程。Seebeck效应与Peltier效应相反,Peltier效应为电能转换成热能的过程,典型应用有热电致冷器。如图1a所示,测量电压VOUT是检测结点(热结点)结电压与参考结点(冷结点)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的,VOUT也是温差的函数。比例因数α对应于电压差与温差之比,称为Seebeck系数。
表1:几种常用的热电偶类型。
图1:a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生。b. 常见的热电偶配置由两条金属线连接在一结点,每条线的开路结点与铜恒温线连接。
图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的结点。本例中,每个开路结点与铜线电气连接,这些连线为系统增加了两个额外结点,只要这两个结点温度相同,中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热结点与冷结点温差的函数,与Seebeck系数有关。然而,由于热电偶测量的是温度差,为了确定热结点的实际温度,冷结点温度必须是已知的。冷结点温度为0℃(冰点)时是一种最简单的情况,如果TC=0℃,则VOUT=VH。这种情况下,热结点测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表,所有数据均基于0℃冷结点温度。利用冰点作为参考点,通过查找适当表格中的VH可以确定热结点温度。
在热电偶应用初期,冰点被当作热电偶的标准参考点,但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷结点温度不是0℃,那么,为了确定实际热结点温度必须已知冷结点温度。考虑到非零冷结点温度的电压,必须对热电偶输出电压进行补偿,即所谓的冷结点补偿。
选择冷结点结温测量器件
为了实现冷结点补偿,必须确定冷结点温度,这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、热电调节器和RTD中,不同类型的器件具有不同的优缺点,需要根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的应用,经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度,但其成本很高。精度要求不是很高时,采用热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比,热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围,而温度传感器IC具有更高的线性度,因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度感应IC具有出色的线性度,但测温范围很窄。
因此,必须根据系统的实际需求选择冷结点温度测量器件,需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标,以便得到最佳的性价比。
查找表方法
一旦你建立了一种冷结点补偿的方法,补偿输出电压必须转换成相应的温度,一种简单的方法是采用来自NBS的查找表。用软件实现查找表需要存储器来存储,但是在需要连续不断地进行测试时,这些表提供了一种快速和准确的解决方案。两种用于将热偶电压转换成温度的其他方法需要不仅仅是查找表,这两种方法是:使用多项式系数的线性近似值和热电偶输出信号的模拟线性化。
软件线性值很流行,这是因为除了预先定义了的多项式系数以外,不需要存储。这种方法的缺点是与多阶多项式(multiple-order polynomial)相关的处理时间问题。对于更多阶的多项式,处理时间进一步增加。对于需要多次多项式的温度测量应用来说,查找表可能比线性近似值方法更有效且更准确。
在软件用来实现测量电压到温度(除了手动搜索查找表以外)的转换之前,人们通常采用模拟线性化方法。这种基于硬件的方法使用模拟电路来修正热偶响应的非线性。其准确性决定于采用近似修正的阶数。这种方法依然广泛应用在那些接收热偶信号的万用表中。
应用电路
下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷结点补偿的典型应用,三个电路均用来解决温度范围较窄(0℃至+70℃和-40℃至+85℃)的冷结点温度补偿,精度在几个摄氏度以内。第一个电路在邻近冷节点的地方采用了一个温度感应IC来确定其温度;第二个电路包含一个远结点二极管温度检测器,由连接成二极管的晶体管(直接连接到热电偶的连接头)为其提供测试信号;第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷结点补偿。所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。
1. 典型应用一
图2所示电路中,16位ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善A/D转换的分辨率,这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC靠近热电偶接头安装,用于测量冷结点附近的温度。这种方法假设IC温度近似等于冷结点温度。冷结点温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。温度传感器内部的2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。
图2:本地温度检测IC(MAX6610)确定冷结点温度。热电偶和冷结点温度传感器输出电压由16位ADC(MAX7705)转换。
工作在双极性模式时,ADC可以转换热电偶的正信号和负信号,并在通道1输出。ADC的通道2将MAX6610的单结点输出电压转换成数字信号,提供给微控制器。温度检测IC的输出电压与冷结点温度成正比。为了确定热结点温度,需首先确定冷结点温度,然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷结点温度转换成对应的热电电压(thermoelectric voltage)。将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加,最后再通过查找表将求和结果转换成温度,所得结果即为热结点温度。
表2列出了温度测量结果,冷结点温度变化范围:-40℃至+85℃,热结点保持在+100℃。实际测量结果的精度在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。
表2:测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围:-40℃至+85℃,热结点温度保持在+100℃。
2. 典型应用二
图3所示电路中,远结点温度检测IC测量电路的冷结点温度,与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷结点安装,而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷结点温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出,通道2没有使用,输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。
图3:远结点二极管靠近冷结点安装检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。
表2、3列出了温度测量结果,冷结点温度变化范围:-40℃至+85℃,热结点保持在+100℃。实际测量结果精度在很大程度上取决于远结点二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。
表3:测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围:-40℃至+85℃,热结点温度保持在+100℃。表中的热结点测量值经过补偿。
3. 典型应用三
图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管,温度检测二极管将环境温度转换成电压量,IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压,计算出补偿后的热结点温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果,在0℃至+700℃温度范围内,器件温度误差保持在±9LSB以内。虽然该器件的测温范围较宽,但它不能测量0℃以下的温度。
图4:集成了冷结点补偿的ADC,将热电偶电压转换为温度,无需外部元件。
表4是图4所示电路的测量结果,冷结点温度变化范围:0℃至+70℃,热结点温度保持在+100℃。
表4:测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围:0℃至+70℃,热结点温度保持在+100℃。表中的热结点测量值是电路提供的十进制数字。
作者:Michelle Youn
美信集成产品公司
收藏
分享
评分
记录学习中的点点滴滴,让每一天过的更加有意义!
回复
引用
订阅
TOP
返回列表
电商论坛
Pine A64
资料下载
方案分享
FAQ
行业应用
消费电子
便携式设备
医疗电子
汽车电子
工业控制
热门技术
智能可穿戴
3D打印
智能家居
综合设计
示波器技术
存储器
电子制造
计算机和外设
软件开发
分立器件
传感器技术
无源元件
资料共享
PCB综合技术
综合技术交流
EDA
MCU 单片机技术
ST MCU
Freescale MCU
NXP MCU
新唐 MCU
MIPS
X86
ARM
PowerPC
DSP技术
嵌入式技术
FPGA/CPLD可编程逻辑
模拟电路
数字电路
富士通半导体FRAM 铁电存储器“免费样片”使用心得
电源与功率管理
LED技术
测试测量
通信技术
3G
无线技术
微波在线
综合交流区
职场驿站
活动专区
在线座谈交流区
紧缺人才培训课程交流区
意见和建议