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熱電偶基礎及如何設計熱電偶接口和其他相關知識

來源: 作者: 發布日期:2020-05-29

         無論您是要構建溫度傳感設備,還是需要為更大的系統添加傳感功能,都應熟悉熱電偶并了解如何設計熱電偶接口。Bob Perrin在1999年Circuit Cellar Online上的文章“熱電偶基礎”中涵蓋了這些主題以及更多內容。本文全文顯示在下面。

 
        一個數學家,一個物理學家和一個工程師正在共進午餐。酒保問這三位先生,“我聽到的關于這個PI的什么事?”
 
        數學家回答說:“ pi是圓的周長與其直徑之比。”
 
        物理學家回答:“ pi是3.14159265359。”
 
        工程師抬起頭,直截了當地說:“哦,pi大約是三,”然后迅速回到餐巾背面的涂鴉上。
 
        關鍵不是工程師馬虎,粗心或缺乏社交能力。關鍵是我們非常務實。我們是非理想世界中問題的解決者。這意味著我們必須能夠將概念應用于實際問題,并且知道何時某些影響在我們的應用中可以忽略不計。
 
        例如,在設計一階或二階濾波器時,考慮到價格合理的元件的容差和溫度依賴性,3通常對于pi足夠接近。
 
        但是,在我們開始進行粗略的近似之前,我們必須了解我們正在設計的系統所涉及的物理原理。在沒有完全了解所涉及問題的情況下,似乎近似地受到粗略估計的一個話題是熱電偶的溫度測量。
 
        熱電偶是簡單的溫度傳感器,由兩條由不同合金制成的導線組成。這些設備結構簡單且易于使用。但是,就像任何電子組件一樣,它們需要一定數量的解釋。本文的目的是介紹和解釋如何使用熱電偶以及如何設計熱電偶接口。
 
兩種金屬的尾巴
 
        圖1a顯示了一個熱電偶。一個結被稱為熱結。另一個結點被指定為冷結點或參考結點。環路中產生的電流與熱結點和冷結點之間的溫差成正比。熱電偶測量的是溫度差異,而不是絕對溫度。
 
        要了解為什么形成電流,我們必須回到物理學。不幸的是,我不是物理學家,所以這種解釋可能會歪曲一個或兩個概念,但是我還是繼續。
 
        考慮一根均勻的金屬線。如果在一端施加熱量,那一端的電子將變得更有能量。它們吸收能量并從其正常的能量狀態轉移到更高的能量狀態。有些將完全從其原子中解放出來。這些新釋放的高能電子移向導線的冷端。隨著這些電子加快導線速度,它們將能量轉移到其他原子上。這就是能量(熱量)從電線的熱端傳遞到冷端的方式。
 
        當這些電子在導線的冷端聚集時,它們會受到靜電排斥。在冷端的非高能電子向導線的熱端移動,這就是在導體中保持電荷中性的方式。
 
        從冷端向熱端移動的電子的移動速度比從熱端向冷端移動的高能電子移動的速度慢。但是,在宏觀層面上,電荷平衡得以維持。
 
        如圖1a所示,當使用兩種不同的金屬形成熱電偶回路時,當在兩個結之間建立溫差時,兩種金屬對電子的親和力差異將使電流產生。
 
        當電子從冷端移動到熱端時,這些能量不太高的電子在一種金屬中的移動比另一種容易。從熱端移動到冷端的電子已經吸收了很多能量,并且在兩條導線中都可以自由移動。這就是在回路中產生電流的原因。
 
        我可能錯過了一些物理方面的細節,但我想我成為了亮點。如果任何人都可以提供更深入或更詳細的解釋,請給我發送電子郵件。為技術讀者寫作的非常好的事情之一就是向我的讀者學習。
 
打破循環
 
        如果使用熱電偶,則必須在環路中插入一個測量設備,以獲取有關熱結點和冷結點之間的溫差的信息。圖1b顯示了典型設置。將熱電偶線接到接線盒,電路測量開路電壓。
要使用熱電偶,必須具有一個測量系統
        當將熱電偶導線連接到端子塊時,會形成另外一對熱電偶(每個螺釘端子一個)。如果螺釘端子的端子合金與熱電偶線不同,則為真。圖1c示出了圖1b的替代表示。結點2和結點3是連接到測量電路的不良工件。這兩個結通常稱為寄生熱電偶。
連接由銅制成的測量系統的動作引入了兩個寄生熱電偶
        在物理電路中,寄生熱電偶形成在每個焊點,連接器,甚至每個內部IC鍵合線上。如果不是所謂的“中間金屬定律”,這些寄生結將給我們帶來無盡的麻煩。
 
        中間金屬法則規定,只有在與第三種金屬的連接處保持等溫(在相同溫度下)的情況下,才能將第三種金屬插入熱電偶系統而不影響系統。
 
        在圖1c中,如果結2和結3處于相同溫度,則它們將不會影響環路中的電流。圖1b中的電壓表看到的電壓將與1號結與2號和3號結之間的溫度差成正比。
 
        結1是熱結。有效地將等溫接線盒從電路中移除,因此冷端的溫度就是接線盒的溫度。
 
測量溫度
 
        熱電偶產生的電壓(或環路電流)與熱結和參考結之間的溫差成正比。如果要知道熱結的絕對溫度,則必須知道參考結的絕對溫度。
 
        有三種方法可以找出參考結的溫度。非常簡單的方法是使用熱敏電阻或半導體溫度傳感器(例如ADI公司的TMP03 / 04)測量參考結點的溫度。然后,在軟件中,將測得的熱電偶溫度(熱結和參考結之間的差)加到參考結的測量溫度。該計算將得出熱結的絕對溫度。
 
        第二種方法涉及將參考結保持在固定的已知溫度下。冰浴或冰泥是實驗室設置中非常常用的方法之一。圖2顯示了這是如何完成的。
通過將金屬A的短尾纖插入金屬B正常連接的接線板上,我們可以移動冷端
        或者,我們可以省略金屬A的辮子,而只需將接線板浸入冰中。這可以很好地工作,但是比圖2所示的方法更混亂。
 
        有時,允許圖1c中冷端(接線盒)的溫度浮動到環境溫度。然后,假定環境溫度為“約25°C”或其他“足夠接近”的溫度。通常在知道熱結點溫度不是很關鍵的系統中找到這種方法。
 
        降低冷端溫度的第三種方法是使用冷端補償IC,例如Analog Devices AD594或Linear Technology LT1025。這種方法將前兩種方法結合在一起。
 
        這些IC中有一個溫度傳感器,用于檢測冷端的溫度。大概與安裝IC的電路板的溫度相同。然后,IC產生的電壓與熱電偶產生的電壓成比例,熱電偶的熱結點處于環境溫度,冷結點為0°C。該電壓被加到由熱電偶產生的EMF上。非常終效果與將冷端物理保持在0°C時的效果相同。
 
        知道(或近似)冷端溫度并在整體測量中考慮此信息的行為稱為冷端補償。我討論的三種技術都是冷端補償的每種方法。
 
        冰浴可能是非常準確的方法。泥濘的冰可以很容易地保持約0.1°C的均勻度。我讀過,冰浴可以保持0.01°C的均勻度,但是我從來沒有達到那種均勻度。冰浴在物理上很笨拙,因此對于工業測量通常是不切實際的。
 
        現成的冷端補償IC可能很昂貴,并且通常僅精確到幾攝氏度,但是許多系統都使用這些器件。
 
        使用熱敏電阻,或者甚至使用二極管或BJT上的PN結來測量冷結溫度,可能相當便宜且非常準確。該系統遇到的非常常見困難是校準。傳感器附近或端子板上的謹慎位置很重要。
 
        如果要將接線盒用作冷端(請參見圖1b),則接線盒必須保持等溫。實際上,要使接線盒真正保持等溫幾乎是不可能的。因此,必須做出妥協。這是工程師的庫存和貿易。知道什么是等溫的“足夠”適合您的應用是關鍵。
 
        如果允許接線盒的螺釘式接線端子產生明顯的溫度梯度,則在精密電子設備上會浪費大量金錢。當功率組件放置在接線盒附近時,通常會發生這種情況。您必須特別注意確保接線盒周圍的溫度穩定。
 
        有兩種大類的溫度測量應用程序。非常好類涉及測量絕對溫度。例如,您可能想知道烤箱內部相對于標準溫度標尺(例如攝氏度)的溫度。這種類型的應用要求您準確知道參考結的絕對溫度。
 
        第二種類型的測量涉及測量溫度差。例如,在微熱量計中,您可能需要測量系統的溫度,然后開始一些化學反應并在反應進行時測量溫度。值的信息是非常好次測量與后續測量之間的差。
 
        測量溫差的系統通常更容易構建,因為不需要控制或精確測量參考結。要求在進行兩次測量時,參考結保持在恒定溫度下。參考結的溫度是25.0°C還是30.0°C都無關緊要,因為減去連續的測量值會從計算出的答案中刪除參考結溫度。
 
        您可以使用熱電偶進行精確的差分溫度測量,但是必須確保形成冷端的接線盒與等溫點“足夠近”。您還必須確保冷端具有足夠的熱質量,這樣它就不會在兩次測量之間的時間內改變溫度。
 
實際事項
 
        熱電偶的字母名稱表示制造它們的材料。該字母名稱稱為熱電偶“類型”。表1列出了可用的常見熱電偶及其可用溫度范圍。
形成標準熱電偶的行業標準合金組合多種多樣。非常常用的是J,K,T和E。
        對于給定的溫度條件,每種類型的熱電偶都會產生不同的開路電壓(塞貝克電壓)。這些器件在整個溫度范圍內都不是線性的。有可用的標準表,這些表將塞貝克電壓隨溫度變化列表化。[1] 還有用于熱電偶的標準多項式模型。
 
        熱電偶產生小的塞貝克電壓。例如,當兩個結點都接近室溫時,K型熱電偶每攝氏度產生約40 µV的電壓。當兩個結點都接近室溫時,非常敏感的熱電偶E型每攝氏度產生約60 µV。
 
        在許多應用中,所測量的溫度范圍足夠小,以至于塞貝克電壓被認為在目標范圍內是線性的。這樣就無需在系統中查找表或進行多項式計算。通常,絕對精度的損失可以忽略不計,但是這種折衷是設計工程師必須仔細權衡的一項。
 
電路圖
 
設計熱電偶接口時,您只需要了解幾條信息:
 
        將使用哪種類型的熱電偶
        熱結點將承受的整個溫度范圍是多少?
        冷端將承受的整個溫度范圍是多少?
        您的應用所需的溫度分辨率是多少
        您的系統需要電流隔離嗎
        將使用哪種類型的冷端補償
 
        如果非常后一個問題的答案需要從商用冷端補償IC上模擬增加電壓,則該IC的制造商可能會為您提供適當的參考設計。如果您打算通過物理方式(通過冰浴)或通過軟件(通過使用另一臺設備測量冷端的溫度)來進行冷端補償,則必須構建或購買數據采集系統。
 
        電隔離是許多工業應用中的重要功能。由于熱電偶實際上只是電線的長回路,因此它們通常會吸收高水平的共模噪聲。在某些應用中,熱電偶可以連接到線電壓(或更高)的設備上。
 
        在這種情況下,需要進行電流隔離以將高壓交流電保持在數據采集系統之外。這種隔離通常通過以下兩種方式之一完成:使用光隔離器或變壓器。兩種系統都需要熱電偶信號調節器,以使其接地端相對于地面浮動。圖3a和3b概述了這些方案。
使用光隔離(a)容易將電流隔離到幾千伏(但有點貴),而使用VFC和變壓器則便宜(但更具挑戰性)(b)
        因為本文的重點是與熱電偶的接口,所以我不得不將實現電隔離的細節留給另一篇文章。
 
        考慮到熱電偶產生的微小電壓電平,信號調理模塊的設計人員應仔細關注噪聲抑制。使用差分放大器的共模抑制(CMR)特性是一個很好的起點。圖4顯示了一個簡單而有效的熱電偶界面
共模濾波器和共模抑制特性在熱電偶放大器中得到了回報。
        單片儀表放大器(儀表放大器)的價格為2至5美元(取決于等級和制造商)。這些通常是8引腳DIP或SOIC器件。儀表放大器是簡單的差分放大器。增益由單個外部電阻設置。儀表放大器的輸入阻抗通常為10吉歐。
 
        當然,您可以使用運算放大器甚至分立部件來構建信號調理器。但是,單片儀表放大器上的所有有源元件都在同一芯片上,并保持或多或少的等溫狀態。這意味著儀表放大器特性在整個溫度范圍內表現良好。良好的CMR,可控增益,小尺寸和高輸入阻抗使儀表放大器成為熱電偶調節電路的核心。
 
        溫度趨于相對緩慢地變化。因此,如果您發現系統有噪音,通常可以安裝輔助的低通濾波器。這些可以用硬件或軟件來實現。在許多系統中,在1 s內進行128次測量然后取平均結果并不少見。數字濾波器可大大降低生產系統中的成本。
 
        設計熱電偶電路時經常面臨的另一個問題是使放大器失調為零。您可以通過多種方法使放大器的偏移為零[2],但我非常喜歡的是斬波輸入。圖5顯示了如何完成此過程。
輸入斬波器(如CD4052)是使信號調節器失調為零所必需的
 
        熱電偶的信號電平很小,增益不常見,約為1000 V / V,這意味著運算放大器或儀表放大器的電壓偏移量甚至為1 mV,輸出端的偏移量也會為伏特級。 。
 
        圖5中的斬波器允許微控制器反轉熱電偶的極性。為了使電路為零,微控制器將進行兩次測量,然后將其相減。
 
        首先,設置斬波器,使ADC測量增益(Vsensor + Voffset)。其次,設置斬波器,使ADC測量增益(–Vsensor + Voffset)。
 
        將非常好個測量值減去第二個測量值,然后除以二。結果是GAIN * Vsensor。如您所見,這正是我們感興趣的數量。儀表放大器的失調已從測量中刪除。
 
關閉時間
 
        在1821年,托馬斯·J·塞貝克(Thomas J. Seebeck)發現,如果加熱兩種異種金屬的結,則會產生電壓。此電壓此后被稱為塞貝克電壓。
 
        從工業熔爐到醫療設備,熱電偶廣泛存在。乍一看,熱電偶似乎充滿神秘感。他們不是。畢竟,如何用兩根電線構建一個已經使用了180年的設備,很難弄清楚呢?
 
        使用熱電偶進行設計時,只要牢記這四個概念,項目就會更加順利。首先,熱電偶產生的電壓與熱結和參考結之間的溫度差成正比。
 
        其次,由于熱電偶測量相對溫度差,因此如果系統要報告絕對溫度,則需要冷端補償。冷端補償僅意味著知道冷端的絕對溫度并相應地調整重新分配的溫度值。
 
        要記住的第三點是,熱電偶的塞貝克電壓系數很小,通常約為每攝氏度數十微伏。非常后,熱電偶在其整個溫度范圍內都是非線性的。如果需要,線性化非常好在軟件中完成。
 
        有了這些概念,本文中的電路以及一些時間,您應該可以在下一個項目中設計一個熱電偶。
 
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