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熱電偶之基本原理及設(shè)計要點

發(fā)布時間:2017-01-04 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】熱電偶可以用于高精度的溫度測量,但對設(shè)計工程師來說卻很棘手。不過,如果你理解熱電偶的工作原理的話,就可以通過堅實的電路設(shè)計和校準來優(yōu)化測量精度。本文介紹了熱電偶的基本原理及電路設(shè)計時需要注意的事項。

自20世紀初期以來,熱電偶就被廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵的溫度測量,特別是極高溫領(lǐng)域。對于許多工業(yè)和過程關(guān)鍵應(yīng)用,T/C和RTD(電阻溫度檢測器)已經(jīng)成為溫度測量的“黃金標準”。盡管RTD具有更好的精度和可重復(fù)性,但相對而言,熱電偶具有如下優(yōu)勢:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點

然而,利用熱電偶進行高精度溫度測量可能比較復(fù)雜。您可以通過堅實的電路設(shè)計和校準來優(yōu)化測量精度,但理解熱電偶工作原理有助于設(shè)計電路或使用溫度計。

熱電偶工作原理

向一段金屬絲施加一個電壓源時,電流從正端流向負端,金屬絲發(fā)熱,造成一部分能量損耗。托馬斯·塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)則是一種反向現(xiàn)象:向一段金屬絲應(yīng)用某種溫度梯度時,會產(chǎn)生一個電勢。這就是熱電偶的物理基礎(chǔ)。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式1)

式中,?V為電壓梯度,?T為溫度梯度,S(T)為塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)與材料相關(guān),并且也是溫度的函數(shù)。一段金屬絲上兩個不同溫度點之間的電壓等于塞貝克系數(shù)函數(shù)在溫度上的積分。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式2)

例如,圖1中的T1、T2和T3表示一段金屬絲上不同位置點的溫度。T1 (藍色)表示最低溫度點,T3(紅色)表示最高溫度點。T2和T1之間的電壓為:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式3)

類似地,T3和T1之間的電壓為:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式4)

根據(jù)積分的可加性,V31也等于:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式5)

我們在討論熱電偶的電壓與溫度轉(zhuǎn)換時,要牢記這一點。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖1:根據(jù)塞貝克系數(shù),溫度梯度在傳導(dǎo)性金屬上產(chǎn)生電壓。

熱電偶由兩種不同的金屬組成,金屬絲的塞貝克系數(shù)S(T)一般不同。既然一種金屬上的溫度差即可產(chǎn)生電壓差,為什么必須使用兩種金屬呢?假設(shè)圖2中的金屬絲是由材料“A”制成的。如果一塊電壓表的探頭也是由材料A制成的,理論上說,電壓表將檢測不到任何電壓。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖2:電壓測量連接。當探頭和金屬絲的材料相同時,將不存在電勢差。

原因是當探頭連接到金屬絲末端時,相當于將金屬絲延長了。長金屬絲的兩個末端連接到電壓表的輸入,具有相同的溫度(TM)。如果金屬絲兩個末端的溫度相同,則不會產(chǎn)生電壓。 為了在數(shù)學(xué)上證明這一點,我們計算從電壓表正端到負端的整個金屬環(huán)上累積的電壓。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式6)

根據(jù)積分的可加性,上式變?yōu)椋?br />
熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式7)

當積分的下邊界和上邊界相同時,積分的結(jié)果為V=0。 如果探頭材料為B,如圖3所示,那么:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點    (式8)

將上式簡化,我們得到:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點    (式9)

式9表明,測量電壓等于兩種材料的塞貝克系數(shù)函數(shù)之差的積分。這就是熱電偶使用兩種異金屬的原因。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖3:電壓測量連接。探頭和金屬絲采用不同的材料,說明了塞貝克系數(shù)的物理現(xiàn)實。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點

根據(jù)圖3中的電路和式9,假設(shè)SA(T)、SB(T)以及被測電壓已知,我們?nèi)匀徊荒苡嬎愕玫綗岫说臏囟?TH),除非我們已知冷端的溫度(TC)。在熱電偶的早期階段,使用溫度為0°C的冰點爐作為參考溫度(術(shù)語“冷端”由此而來),因為這種方法的成本低、容易實現(xiàn),并且能夠自我調(diào)節(jié)溫度。等效電路如見圖4所示。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖4:熱電偶需要一個參考溫度,圖中所示的0°C,以便計算未知溫度TH。
盡管我們知道圖4所示電路的參考溫度,但通過積分來得到TH不太切合實際。于是出現(xiàn)了支持常見熱電偶類型的標準參考表,通過查表即可得到相應(yīng)電壓輸出的對應(yīng)溫度。但是,必須牢記一點:所有標準熱電偶參考表都是以0°C作為參考點繪制的。

熱電偶系統(tǒng)

現(xiàn)代熱電偶由一端(TH)連接在一起的兩根不同的金屬絲組成。在金屬絲對的開路端測量電壓。根據(jù)圖5所示的等效電路,VC與上圖3中的公式9相同。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式10)

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖5:采用冷端補償?shù)默F(xiàn)代熱電偶配置。

冷端補償

冷端補償冷端(TC)溫度可設(shè)定為冰點爐的0°C,但在實際應(yīng)用中,我們不使用冰水桶作為參考溫度。利用CJC (冷端補償)方法,可在不使用0°C冷端溫度的情況下計算得到熱端溫度。甚至冷端溫度不一定是恒定的。該方法僅僅使用一個獨立的溫度傳感器來測量TC點的溫度。如果已知TC,就能得到TH。

如果我們使用溫度傳感器測量冷端溫度,那么為什么不使用這個傳感器直接測量熱端的溫度呢?您可以看到,冷端溫度范圍比熱端溫度范圍窄得多,所以溫度傳感器不需要支持熱電偶支持的極端溫度。

利用CJC計算熱端溫度

如上所述,所有標準熱電偶參考表都是在冷端為0°C時得到的。那么如何利用參考表得到熱端溫度呢?試想一下,將以上熱電偶的開路端延長,假想端點連接至溫度為0°C的結(jié)點(圖6)。如果我們能夠計算得到V0值,利用參考表就很容易得到對應(yīng)的熱端溫度。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖6:將延長后的熱電偶連接到0°C結(jié)點,即可確定未知熱端溫度TH

確定V0

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式11)

重新整理上式:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式12)

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式13)

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式14)

式13的第一項與式10 (由圖5得到)完全相同。等效電壓輸出為VC,為已知值,因為冷端的溫度是由電壓表測得的。第二項等效于熱電偶在熱端溫度等于TC、冷端溫度等于0°C時的輸出。 由于TC也是由獨立的溫度傳感器測得的,我們可使用標準參考表查找得到式13中第二項的對應(yīng)塞貝克電壓(Vi):

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式15)

利用該V0值,即可通過標準參考表確定TH時的對應(yīng)溫度。

利用冷端補償計算熱端溫度的過程分為以下幾步:

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點

標準熱電偶參考表可參見NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫。如果因為內(nèi)存或其它原因無法在微控制器中實現(xiàn)查找表,NIST ITS-90網(wǎng)站也針對每種熱電偶類型提供了一組公式,可用于溫度和電壓之間的相互轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)設(shè)計要點

至此,以上討論僅限于熱電偶的理論知識。為優(yōu)化實際系統(tǒng)的精度,有幾個事項需要注意?;緹犭娕夹盘栨?圖7)中的每個器件都將影響轉(zhuǎn)換精度,必須嚴格挑選,以將誤差降至最低。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖7:熱電偶測量系統(tǒng)的基本元件包括放大器和ADC,以及之后可計算未知溫度的微控制器。
熱電偶之基本原理及設(shè)計要點  

從圖7的左側(cè)開始,熱電偶連接至系統(tǒng)電路板的連接器。熱電偶本身也是傳感器,也可能是誤差源。較長的熱電偶很容易拾取周圍環(huán)境的電磁噪聲;屏蔽線可有效降低噪聲。 接下來的元件是放大器,它具有高輸入阻抗非常重要,因為放大器的輸入阻抗和熱電偶電阻形成一個分壓器。放大器輸入阻抗越高,產(chǎn)生的誤差越小。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點     (式16)

此外,放大器增大熱電偶輸出,熱電偶輸出通常為毫伏范圍。盡管放大器的高閉環(huán)增益同時放大信號和噪聲,但在ADC輸入上增加低通濾波器可消除大部分噪聲。因為溫度變化不會非常快,此類應(yīng)用的ADC轉(zhuǎn)換率一般非常低——可能每秒只采樣幾次,所以低通濾波器非常有效。

最后,板載溫度傳感器需要非??拷涠诉B接器(理想情況是與熱電偶絲的末端接觸,但許多情況下條件不允許),獲得最好的冷端溫度測量結(jié)果。冷端測量中的任何誤差都將體現(xiàn)在熱端溫度計算中。

熱電偶電路實例及測試結(jié)果

無論設(shè)計自己的熱電偶測量電路還是采用參考設(shè)計,都需要驗證其精度。以下介紹MAXREFDES67#參考設(shè)計(圖8)的精度驗證。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖8:MAXREFDES67#是用于熱電偶和RTD的參考設(shè)計,可測量電壓和電流,進而測量溫度,測量溫度范圍為-40°C至150°C。

為了舉例說明如何最大程度減小測量誤差,我們首先以熱電偶系統(tǒng)為例,例如Maxim的MAXREFDES67參考設(shè)計。為了驗證該測量系統(tǒng)或任何測量系統(tǒng)的誤差,需要一個已知溫度和值得信賴的儀表,用于比較。本例中,我們使用三個參考溫度計:Omega HH41測溫儀(現(xiàn)在被HH42取代)、ETI參考溫度計和Fluke 724溫度校準器。 連接到MAXREFDES67#的K型熱電偶置于Fluke 7341校準爐中,并在20°C下進行校準。藍點數(shù)據(jù)以O(shè)mega HH41作為參考,綠點數(shù)據(jù)使用ETI設(shè)備為參考。紅點數(shù)據(jù)顯示的最大誤差小于0.1°C,基于Fluke 724校準器,但與之前測試不同的是,F(xiàn)luke 724未用作參考儀器。模擬理想K型熱電偶輸出,并將MAXREFDES67#的輸入與熱電偶延長線相連。圖9所示為測試結(jié)果。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖9. 利用Omnitec EC3TC(K型熱電偶,在20°C下經(jīng)過校準),評估MAXREFDES67#的誤差與溫度關(guān)系,并將其與其它三款參考測溫儀進行比較。結(jié)果表明達到了非常高的精度。

熱電偶之基本原理及設(shè)計要點
圖10:MAXREFDES67#參考設(shè)計框圖。
熱電偶之基本原理及設(shè)計要點

總結(jié)

熱電偶在工業(yè)溫度測量應(yīng)用領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢,包括溫度范圍、響應(yīng)時間、成本和耐久性。熱電偶理論略微有些復(fù)雜,但我們必須完全理解,從而能夠進行正確測量以及從電壓到溫度的高精度轉(zhuǎn)換。MAXREFDES67#參考設(shè)計采用MAX11254和MAX6126這兩款芯片,特別適合于熱電偶測溫這種噪聲敏感的小信號,高精度的測量應(yīng)用。其中,MAX11254為6通道、24位、Δ-Σ ADC,在實現(xiàn)低噪聲高精度的同時降低了10倍功耗;MAX6126是一款超低噪聲、超高精度、低壓差的串聯(lián)型電壓基準,溫度系數(shù)為3ppm/°C (最大),具有出色的±0.02% (最大)初始精度。




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