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热电偶应用中冷结点补偿的实现
引言：由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时以冷结点作为参考点，考虑到非零摄氏度冷结点的电压，必须对热电偶输出电压进行冷结点补偿。本文比较了几种冷结点补偿器件，并以硅温度传感器检测IC为例介绍了三种应用设计方法和测量的结果。
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。
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。
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。
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。
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1：几种常用的热电偶类型。
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℃。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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℃。
作者：Michelle Youn
美信集成产品公司