在傳感器近端量化熱電偶輸出

本應(yīng)用筆記介紹了熱電耦定義，并解釋了它的歷史來(lái)源。本文介紹的電路在靠近溫度傳感器的位置對(duì)熱電偶輸出進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，與在數(shù)字化之前使弱信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸?shù)姆桨赶啾?，該方案能夠?qū)⒃肼暯抵磷畹汀?/p>

熱電偶因?yàn)槠涓邷y(cè)量精度、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、容易獲得以及較寬的溫度測(cè)量范圍等特點(diǎn)而在工業(yè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。它由焊接在一起的兩種不同的金屬或金屬合金線(通常稱(chēng)為熱端)組成。熱電偶輸出電壓是兩個(gè)線端(另一端通常稱(chēng)為冷端)的電壓差，冷端必須保持在已知溫度。熱電偶電壓是Seebeck (1921年左右)、Peltier (1834年左右)和Thompson (1851年左右)效應(yīng)的結(jié)合產(chǎn)物。

熱端和冷端這兩個(gè)名詞源于應(yīng)用歷史。事實(shí)上，根據(jù)具體應(yīng)用，冷端溫度也有可能高于熱端。這種情況下，熱電偶輸出相反極性的電壓。由此可見(jiàn)，熱電偶測(cè)量的是熱端與冷端溫度之差，而非冷端的絕對(duì)溫度。

不同金屬或合金熱電偶對(duì)應(yīng)的輸出電壓已經(jīng)制作成標(biāo)準(zhǔn)表格1。用大寫(xiě)字母表示標(biāo)準(zhǔn)金屬對(duì)，例如，K代表鎳鎘合金熱電偶，表中列出的數(shù)據(jù)假設(shè)冷端溫度為0°C。

為了獲得熱端的絕對(duì)溫度，必須測(cè)量冷端溫度并相應(yīng)調(diào)整熱電偶輸出。這種技術(shù)稱(chēng)為冷端補(bǔ)償。19世紀(jì)中期，當(dāng)熱電偶剛剛開(kāi)始使用時(shí)，絕對(duì)溫度測(cè)量需要將冷端保持在冰和蒸餾水混合達(dá)到平衡后的溫度，以建立一個(gè)真正的0°C參考點(diǎn)。

熱電偶溫度傳感器需要使用與熱電偶導(dǎo)線相同材料的特殊電纜和連接器。因此，市場(chǎng)上提供的各種封裝、體積和種類(lèi)的商用化熱電偶同時(shí)也給出完整的電纜、連接器和配件選型2,3。

冷端等溫線位于熱電偶信號(hào)處理模塊的輸入端，通常安裝在高熱導(dǎo)率材料制成的底板上。銅的熱導(dǎo)率為381W/m°K (無(wú)論攝氏度，還是開(kāi)爾文溫度，每度都具有相同幅度的變化)。輸入連接必須是電氣隔離，但需要與底板保持導(dǎo)熱。理想情況下，整個(gè)信號(hào)處理模塊應(yīng)該保持在同等溫度環(huán)境。

信號(hào)處理電路由低壓直流放大器(熱電偶信號(hào)范圍為?V/°C)、溫度傳感器、冷端補(bǔ)償電路、內(nèi)置基準(zhǔn)ADC、熱電偶開(kāi)路檢測(cè)器、報(bào)警指示和數(shù)字輸出接口組成。所有這些功能都集成在小尺寸IC內(nèi)，例如：MAX6*和MAX6675，只需要外部連接熱電偶和電源。串口輸出代表熱電偶檢測(cè)點(diǎn)溫度的數(shù)據(jù)。

MAX6*/MAX6675內(nèi)部熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換電路與鎳鎘合金(K型)熱電偶成比例。MAX6*測(cè)量范圍為0至+128°C，分辨率為0.125°C;MAX6675測(cè)量范圍為0至1024°C，分辨率為0.25°C。兩款I(lǐng)C均通過(guò)SPI?兼容接口與微控制器或類(lèi)似的本地智能電路連接。如果檢測(cè)點(diǎn)距離控制器較遠(yuǎn)，應(yīng)在檢測(cè)點(diǎn)附近對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。

與其它低壓電路相同，熱電偶信號(hào)處理電路對(duì)EMI非常敏感。熱電偶引線通常暴露在EMI環(huán)境中(引線拾取的干擾噪聲等級(jí)與引線長(zhǎng)度成正比)。EMI增大了接收信號(hào)的不確定性，降低溫度測(cè)量的精度。對(duì)于這種環(huán)境，使用特殊的熱電偶連接電纜價(jià)格昂貴，如果選用其它電纜則很難確定實(shí)際環(huán)境的測(cè)試溫度。

為了使噪聲降至最小，可以在檢測(cè)點(diǎn)附近采用一個(gè)控制電路，靠近檢測(cè)點(diǎn)增加一個(gè)遠(yuǎn)端控制電路以提供本地智能化管理，引入復(fù)雜信號(hào)的濾波和電纜屏蔽。圖1提供了一個(gè)較好的設(shè)計(jì)方案，在靠近檢測(cè)點(diǎn)的位置對(duì)熱電偶輸出進(jìn)行數(shù)字化。

圖1. 在3000英尺電纜的遠(yuǎn)端提供電源，MAX6*/MAX6675在靠近檢測(cè)點(diǎn)的位置量化熱電偶輸出，使EMI降至最小。

通過(guò)本地脈沖時(shí)序發(fā)生器(IC2和IC3)驅(qū)動(dòng)MAX6*/MAX6675的SPI接口，IC2、IC3強(qiáng)制MAX6*/MAX6675以4800波特率、每秒鐘四個(gè)字符產(chǎn)生異步串行輸出數(shù)據(jù)，字符結(jié)構(gòu)為：1位起始位、11位數(shù)據(jù)和1位停止位(MAX6675采用13位數(shù)據(jù)位)。對(duì)于MAX6*，11位數(shù)據(jù)包括10位表示溫度數(shù)據(jù)的直接二進(jìn)制數(shù)(MSB在前)、1位熱電偶開(kāi)路報(bào)警位，MAX6675提供12位數(shù)據(jù)和1位報(bào)警。

穩(wěn)定的晶體振蕩器確保精確的數(shù)據(jù)傳輸波特率。為保證正確的電路操作，熱電偶檢測(cè)點(diǎn)必須與電路保持電氣隔離，MAX6*/MAX6675必須在任何時(shí)間保持在-20°C至+85°C工作溫度范圍內(nèi)。

電路通過(guò)雙絞線連接遠(yuǎn)端電源和數(shù)據(jù)接收器，通過(guò)雙絞線電纜為電路供電并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收端。溫度測(cè)量由MAX6*/MAX6675的內(nèi)部10位ADC實(shí)現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)串行發(fā)送到電纜上。圖2所示溫度數(shù)據(jù)由MAX6*產(chǎn)生，并通過(guò)3000英尺的雙絞電纜傳輸量化后的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)表明熱電偶處于較好的工作狀態(tài)，測(cè)量溫度為21.875°C。

圖2. 在圖1的數(shù)據(jù)接收器A、B端接收到的串行數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)代表電纜另一端的熱電偶測(cè)量溫度為21.875°C。