【導(dǎo)讀】熱電偶(thermocouple)是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來,利用熱電效應(yīng)來測量溫度的傳感器。
熱電偶、熱電效應(yīng)和熱電效應(yīng)原理
熱電偶(thermocouple)是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來,利用熱電效應(yīng)來測量溫度的傳感器。
1821年,德國科學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克發(fā)現(xiàn)了電流熱效應(yīng)的逆效應(yīng):即當(dāng)給一段金屬絲的兩端施加不同溫度時,金屬絲兩端會產(chǎn)生電動勢,閉合回路后金屬絲中會有電流流過。這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應(yīng)”,也叫“塞貝克效應(yīng)”。
熱電效應(yīng)原理:如圖1,用兩種不同顏色表示兩種不同的金屬材料,A、B 端在常溫環(huán)境中用于測溫端口,稱為冷端。C點為被測端,由于熱電效應(yīng),在 A端和C端以及B端和C端之間溫度不同,所以會產(chǎn)生電勢差。而因為兩種金屬材料的不同,導(dǎo)致這兩個電勢差不一樣,最終A端和B端也有了電勢差,經(jīng)測量AB之間的電勢差,再對參考金屬特性值和冷端溫度進行查表校準(zhǔn),最后就可以通過測量AB端輸出的電勢差來得到對應(yīng)C端的溫度值了。
圖1
熱電偶種類
中國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),并指定S、R、B、K、J、T、N、E八種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為中國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶(如圖2)。
圖2
S、R、B型熱電偶使用的金屬比較貴重,所以價格相對較高;K、T、J、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價,所以相對價格較便宜。下面介紹這幾種熱電偶的測溫范圍以及優(yōu)缺點:
S、R、B型熱電偶
S、R型和B型熱電偶長期最高使用溫度分別為1300℃和1600℃,短期最高使用溫度分別為1600℃和1800℃。優(yōu)勢:具有準(zhǔn)確度最高,穩(wěn)定性最好,測溫溫區(qū)寬,使用壽命長等優(yōu)點。它的物理、化學(xué)性能良好,熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好,適用于氧化性和惰性氣氛中。
S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能,符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶,曾長期作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器。“ITS-90”雖被規(guī)定今后不再作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器,但國際溫度咨詢委員會(CCT)認(rèn)為,S型熱電偶仍可用于近似實現(xiàn)國際溫標(biāo)。
R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)。B型熱電偶與S和R相似,但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。但其明顯的優(yōu)點是不需用補償導(dǎo)線進行補償,因為在0~50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。
T、R、B型熱電偶劣勢:此類熱電偶的熱電勢率較小,靈敏度低,高溫下機械強度下降,對污染非常敏感,貴金屬材料昂貴。
K、N、E、J、T型熱電偶
測溫范圍以及優(yōu)勢和劣勢見表1:
補充:N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩個重要缺點:K型熱電偶在300~500℃間,由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定;在800℃左右,由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定?!?/p>
表1
熱電偶的優(yōu)缺點
優(yōu)點:
a.溫度范圍廣:從低溫到噴氣引擎廢氣,熱電偶適用于大多數(shù)實際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間,具體取決于所使用的金屬線。
b.堅固耐用:熱電偶屬于耐用器件,抗沖擊振動性好,適合于危險惡劣的環(huán)境。
c.響應(yīng)快:因為它們體積小,熱容量低,熱電偶對溫度變化響應(yīng)快,尤其在感應(yīng)接合點裸露時。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對溫度變化作出響應(yīng)。
d.無自發(fā)熱:由于熱電偶不需要激勵電源,因此不易自發(fā)熱,其本身是安全的。
缺點:
a.信號調(diào)理復(fù)雜:將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必須進行大量的信號調(diào)理。一直以來,信號調(diào)理耗費大量設(shè)計時間,處理不當(dāng)就會引入誤差,導(dǎo)致精度降低。
b.精度低:除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不精確性外,熱電偶測量精度只能達到參考接合點溫度的測量精度,一般在1°C至2°C內(nèi)。
c.易受腐蝕:因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成,在一些工況下,隨時間而腐蝕可能會降低精度。因此,它們可能需要保護;且保養(yǎng)維護必不可少。
d.抗噪性差:當(dāng)測量毫伏級信號變化時,雜散電場和磁場產(chǎn)生的噪聲可能會引起問題。絞合的熱電偶線對可能大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護可降低電場耦合。測量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號過濾,有力抑制工頻頻率(50 Hz/60 Hz)及其諧波。
熱電偶和熱電阻的選擇要素
我們可以根據(jù)以下要素來進行熱電偶和熱電阻的選擇。
需要測量的溫度范圍:500℃以上一般選擇熱電偶,500℃以下看應(yīng)用環(huán)境來選擇。
測量范圍選擇:熱電偶所測量的一般指“點”溫,熱電阻通常用于測量空間溫度。
冷端補償
由于熱電效應(yīng)的原理。因此,需要一個額外的溫度傳感器來測量參考點溫度,此參考點也就是我們常說的冷端補償點。
常見的幾種冷端補償傳感器分別如下:
1.熱敏電阻:響應(yīng)快、封裝小。但要求線性,精度有限,尤其在寬溫度范圍內(nèi)。要求激勵電流,會產(chǎn)生自發(fā)熱,引起漂移。結(jié)合信號調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差,只適合測量精度低、低成本的應(yīng)用場合。
2.電阻式溫度測量器(RTD):RTD相比熱敏電阻,更佳精確、穩(wěn)定且特性線性,但封裝尺寸和成本,相對熱敏電阻高。因為需要良好匹配的激勵源和采樣電路,所以設(shè)計相對更復(fù)雜,需要的外圍器件更好。用RTD作為冷端補償?shù)臒犭娕紲y量系統(tǒng),通常對系統(tǒng)級精密度要求更高。
3.集成式溫度傳感器:集成溫度傳感器是一種以半導(dǎo)體工藝制成的集成式測溫元件。通過半導(dǎo)體工藝技術(shù),將測溫等模擬單元獲得的信息數(shù)字化輸出,高集成度,可獲得遠(yuǎn)低于1°C的系統(tǒng)級精度。外圍電路設(shè)計簡單,可直接和MCU進行通訊,同樣針對高精度熱電偶采集系統(tǒng)的冷端補償方案,使用和設(shè)計都最為簡單。
集成式溫度傳感器ADT7320
技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師David Liu介紹了一款A(yù)DI典型的、用于冷端補償?shù)臏囟葌鞲衅鳌?ADT7320。功能框圖如圖3:
圖3
ADT7320是一款高精度數(shù)字溫度傳感器,使用16位ADC來監(jiān)測和數(shù)字化溫度參數(shù),其分辨率為0.0078°C。默認(rèn)情況下,ADC分辨率設(shè)置為13Bit (0.0625°C)。其原理是,內(nèi)部溫度傳感器產(chǎn)生與絕對溫度成比例的電壓,這個電壓與內(nèi)部的參考電壓做比較,然后輸入到精密數(shù)字調(diào)制器中。
內(nèi)部溫度傳感器在整個額定溫度范圍內(nèi)具有較高的精度和線性度,無需用戶進行校正或校準(zhǔn)。
另外,它擁有過溫報警功能,對功能安全性帶來保障。外輸出端口、INT和CT,使其可以在超高溫或低溫的情況下,通過一個10K的上拉電阻,直接向后端MCU發(fā)出中斷信號。
ADI可提供的熱電偶測量之模擬前端
AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測量信號調(diào)理前端提供了一種簡單的低成本解決方案。針對熱電偶采樣端,在現(xiàn)場設(shè)計中往往還要考慮其共模干擾信號,以及ESD和過壓保護等因素。
圖4
AD849x專為測量和放大J型和K型熱電偶信號而優(yōu)化,通過CMOS工藝不僅在其前端集成了ESD和過壓保護功能,其優(yōu)異的抗共模能力使其擁有5mV/°C系統(tǒng)級線性響應(yīng)Vout=(TMJ × 5 mV/°C)+VREF,其中TMJ表示熱電偶的測量結(jié)溫。AD849x同系差異化對比如圖5:
圖5
ADI可提供的熱電偶測量之集成方案篇
David Liu介紹,ADI可提供多款熱電偶測量集成方案。
AD7124
AD7124-4/AD7124-8是一款以24bit ADC為核心,內(nèi)部高集成MUX、PGA、REF等,針對熱電偶熱電阻測量直接接入型的完整解決方案??蓪崿F(xiàn)高分辨率、低噪聲性能和低非線性度誤差能力。
片內(nèi)低噪聲PGA,可通過軟件靈活調(diào)整增益編程范圍(1、2、4、8、16、32、64、128),來調(diào)整輸入信號的幅度,達到ADC的有效采樣范圍。增益級具有高輸入阻抗,輸入漏電流在全功率模式下不超過3.3 nA,在低功耗模式下為1 nA(典型值)。
圖6所示電路是針對典型的熱電偶,用RTD作冷端補償?shù)膮⒖荚O(shè)計。使用兩個模擬輸入引腳來連接熱電偶(AIN2、AIN3),以及三線RTD電路(AIN1、AIN6、AIN7)。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道,用于測量熱電偶產(chǎn)生的電壓。對于本電路,如圖6所示,熱電偶是浮空的。要將熱電偶偏置到已知電平,AIN2上使能VBIAS電壓發(fā)生器,使熱電偶偏置到以下值:
熱電偶測量是絕對測量,因而需要一個基準(zhǔn)電壓源,使用AD7124-4/AD7124-8內(nèi)置2.5 V基準(zhǔn)電壓源。
針對冷結(jié)補償,一個激勵電流源用于激勵RTD。此電流從AVDD產(chǎn)生,流向AIN1。圖6詳細(xì)顯示了模擬引腳及其配置。
對于本電路,冷結(jié)電路采用基準(zhǔn)輸入REFIN1(±)。流經(jīng)4線RTD(用于冷結(jié)測量)的電流也會流過精密基準(zhǔn)電阻,產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。 此精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD上的電壓成比例,因此,激勵電流的波動會被消除。由于基準(zhǔn)電壓緩沖器已使能,務(wù)必滿足正常工作所需的裕量(AVDD ? 0.1 V和AVSS + 0.1 V)。0.125 V (500 μA × 250 Ω)的裕量由250 Ω接地電阻提供,如圖6所示。
圖6
LTC298X
LTC298X測量各種溫度傳感器并數(shù)字輸出結(jié)果(以°C或°F為單位),具有0.1°C精度和 0.001° C 分辨率。LTC298X可以測量幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)(B、E、J、K、N、S、R、T 型)或自定義熱電偶的溫度,自動補償冷端溫度并實現(xiàn)結(jié)果線性化。該器件還可以使用標(biāo)準(zhǔn)的2、3或4 線式 RTD、熱敏電阻和二極管來測量溫度。它具有20個可重新配置的模擬輸入,支持許多傳感器連接和配置選項。LTC298X包括適用于每種溫度傳感器的激勵電流源和故障檢測電路。
LTC298X可直接與接地參考傳感器接口,無需電平轉(zhuǎn)換器、負(fù)電源電壓或外部放大器。所有信號通過由內(nèi)部 10ppm/°C(最大值)基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動的三個高精度、24位 ΔΣ ADC 進行緩沖和同步數(shù)字化。
圖7
AD7124 or LTC298X
精度:LTC298x具有 0.1°C 的準(zhǔn)確度,AD7124在測量在?50℃至+200℃的測量溫度范圍內(nèi)具有±1℃的整體系統(tǒng)精度。
通道:冷端補償以4線RTD為例,LTC298x可以測量15路熱電偶,AD7124-4可以測量2路熱電偶,AD7124-8可以測量6路熱電偶。
相對成本因素:LTC298X比AD7124較高,但它在提供更多采樣路數(shù)的同時,減少了設(shè)計者對其校準(zhǔn)的相關(guān)要求。而相對成本較低的AD7124-X,雖同樣擁有較高的系統(tǒng)級采樣精度,但可測量的路數(shù)較少,并且需要設(shè)計者對系統(tǒng)校準(zhǔn)花費一定的精力。
保護:LTC298x系列產(chǎn)品帶燒毀,短路和故障的自動檢測功能。
總結(jié)
針對熱電偶溫度采集,世健可以提供專業(yè)、精確、靈活的ADI熱電偶測量產(chǎn)品和方案,以及系統(tǒng)級采樣方案,給設(shè)計者帶來便捷!
(來源:電子創(chuàng)新網(wǎng))
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