热电偶测温资料汇总

 

沙飞

• 博客园

• 首页

• 新随笔

• 联系

• 订阅

• 管理

随笔 - 16  文章 - 0  评论 - 2

热电偶冷端补偿

摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。 

概述

温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD、电热调节器、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，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。

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。虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。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，可理想用于精确测量系统。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、宽温度范围使其得到广泛使用。

热电偶基础

热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。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。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。

表1. 常用的热电偶类型

类型 正端金属/合金 负端金属/合金 温度范围(°C)

T 铜 镍铜合金 -200至+350

J 铁 镍铜合金 0至+750

K 镍铬合金 镍基热电偶合金 -200至+1250

E 镍铬合金 镍铜合金 -200至+900

两种不同类型的金属接(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。这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图1a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)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。定标因数，α，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

 

图1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果。

 

图1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。 

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)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，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仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。

冷端温度为0°C (冰点)时是一种最简单的情况，如果TC = 0°C，则VOUT = VH。这种情况下，热端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°C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热端温度。

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。如果冷端温度不是0°C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。

选择冷端温度测量器件

如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，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、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。

对于精度要求非常高的器件，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，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。温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。

总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，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。

考虑因素

一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。

软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。

出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。

应用电路

下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄(0°C至+70°C和-40°C至+85°C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。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。

示例#1

图2所示电路中，16位Σ-Δ 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ADC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靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种方法假设IC温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由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。 

 

图2. 本地温度检测IC (MAX6610)确定冷端温度。温度检测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端温度传感器输出电压由16位ADC (MX7705)转换。 

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的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。

为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。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，所得结果即为热端温度。表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。

表2. 图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度

  冷端

温度

(°C) 热端测量

温度*

(°C)

测量值#1   -39.9 +101.4

测量值#2   0.0 +101.5

测量值#3   +25.2 +100.2

测量值#4   +85.0 +99.0

* "热端测量温度"是经过补偿的数值，由电路测量得到。

示例#2

图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度，与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。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。

 

图3. 远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。

表3列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。

表3. 图3电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度

  冷端

温度

(°C) 热端测量

温度*

(°C)

测量值#1   -39.8 +99.1

测量值#2   -0.3 +98.4

测量值#3   +25.0 +99.7

测量值#4   +85.1 +101.5

* "热端测量温度"是经过补偿的数值，由电路测量得到。 

示例#3

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，计算出补偿后的热端温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果，在0°C至+700°C温度范围内，器件温度误差保持在±9 LSB以内。虽然该器件的测温范围较宽，但它不能测量0°C以下的温度。

 

图4. 集成了冷端补偿的ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。 

表4是4所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0°C至+70°C，热端温度保持在+100°C。

表4. 图4电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度

  冷端

温度

(°C) 热端测量

温度*

(°C)

测量值#1   0.0 +100.25

测量值#2   +25.2 +100.25

测量值#3   +50.1 +101.0

测量值#4   +70.0 +101.25

* "热端测量温度"是经过补偿的数值，由电路测量得到。

结论

由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。热电偶所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即可确定出热端的实际温度值。

冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂RTD精度最高，但成本也最高。电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。硅温度传感器检测IC工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能够满足多数热电偶应用的需求。 

每走一步，都是新的开始！

百度搜索到的问题

热电偶接线的时候必须使用冷端补偿吗？在车间控制箱内，冷端温度变化应该不是很明显吧？如果不使用冷端补偿的话，误差会有多少？采集的温度偏高还是偏低？

1、我们知道补偿导线等同于低温的热电偶。而测温热电偶的仪表内部有补偿电路，但这个补偿电路补偿的是仪表盒端的温差mV值，也就是仪表盒处的温度到0度的mV值。如果你热电偶不用补偿导线，那么热电偶接线处到仪表盒处这段的温差mV值，是没有计算的；所以要看你热电偶接线端所处的温度高于仪表盒处的温度差，这个就是你的误差值。也就是说你仪表上的温度值总是偏低的。

2、热电偶输出的mV值是与热端温度与冷端温度的差值相对应的，如果没有冷端补偿，热电偶输出mV值对应的温度要加上热电偶冷端的温度值，才是热端真实的温度。如果你的热电偶是通过补偿导线接到控制箱的，由此造成的误差就是控制箱的环境温度；如果你是用普通铜导线接到控制箱的，误差是热电偶接线盒所处的环境温度。采集的温度偏低。

3、只要能够保证热电偶接线端子和二次处理仪表的接线端子处的温度始终保持一致，那么补偿导线就没有要的必要，任何能够传输电压的导线都可以使用。 如果不一致的话，应该按照接线端子处的温度处理（陈）？

  

百度图片