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热电偶应用中冷结点补偿的实现

2013-06-03

  温度测量应用中有多种类型的传感器,热电偶是zui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。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zui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zui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zui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zui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-orderpolynomial)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。

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