热电偶程序 k型热电偶怎么仿真multisim

热电偶是广泛用于温度测量的简单元件。本文简要概述了热电偶,介绍了使用热电偶设计过程中的常见挑战,并提出了两种信号调理解决方案。第一种方案将基准结补偿和信号调理集成到一个更易于使用的模拟IC中。第二种方案将参考结补偿与信号调理分开,使数字输出温度检测更加灵活和精确。

热电偶原理

如图1所示,热电偶由两根不同的金属线组成,一端相连,相连的一端称为测量(“热”)结。金属线的未连接端连接到信号调理电路走线,信号调理电路走线通常由铜制成。热电偶金属和铜走线之间的这一接合点称为参考接合点(“冷接合点”)。

热电偶程序 k型热电偶怎么仿真multisim插图

图一。热电偶。

参考接合点产生的电压取决于测量接合点和参考接合点的温度。因为热电偶是差分器件,而不是绝对温度测量器件,所以有必要知道参考结温,以获得精确的绝对温度读数。这个过程称为参考结温补偿(冷结补偿)。热电偶已成为测量宽温度范围的工业标准方法,具有合理的精度和高性价比。它们用于高达+2500°C的各种场合,如锅炉、热水器、烤箱和风扇发动机。K型热电偶是最受欢迎的热电偶,包括镍铬合金和铝镍合金(分别含有铬、铝、镁和硅),测量范围为-200°C至+1250°C..

为什么要使用热电偶?

优势

宽温度范围:从低温到喷气发动机废气,热电偶适用于大多数实际温度范围。热电偶测量的温度范围为-200°C至+2500°C,具体取决于所用的金属线。

坚固耐用:热电偶是一种经久耐用的器件,具有良好的抗冲击和抗振动能力,适用于危险和恶劣的环境。

快速响应:由于尺寸小、热容量低,热电偶对温度变化响应迅速,尤其是当感应结暴露在外时。它们可以在数百毫秒内对温度变化做出反应。

无自热:由于热电偶不需要激励电源,不容易自热,本身是安全的。

劣势

复杂的信号调理:将热电偶电压转换成可用的温度读数需要大量的信号调理。长期以来,信号调理耗费大量设计时间,处理不当会引入误差,导致精度降低。

精度低:除了金属特性造成的热电偶固有的不准确性外,热电偶的测量精度只能达到参考结温的测量精度,一般在1°C到2°C以内..

易受腐蚀:因为热电偶由两种不同的金属组成,在某些工作条件下,长时间的腐蚀可能会降低精度。因此,他们可能需要保护;而维护是必不可少的。

抗噪性差:测量毫伏信号变化时,杂散电场和磁场产生的噪声可能会产生问题。扭曲的热电偶线对可以大大降低磁场耦合。在金属导管中使用屏蔽电缆或布线和保护可以减少电场耦合。测量设备应提供硬件或软件信号滤波,以有效抑制电源频率(50 Hz/60 Hz)及其谐波。

热电偶测量的困难

将热电偶产生的电压转换成准确的温度读数并不容易,原因有很多:电压信号太弱,温压关系是非线性的,需要参考结补偿,热电偶可能造成接地问题。让我们逐一分析这些问题。

电压信号太弱:最常见的热电偶类型是J、K和T..在室温下,电压变化范围分别为52V/°C、41V/°C和41V/°C。其他不太常见的类型具有更小的温度和电压变化。这个弱信号在模数转换之前需要一个高增益级。表1比较了各种热电偶类型的灵敏度。

表1。25°c时各种热电偶类型的电压变化与温升的关系。

由于电压信号较弱,信号调理电路一般需要100左右的增益,是相当简单的信号调理。更困难的是如何识别实际信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线很长,并且经常穿过具有密集电噪声的环境。引线上的噪声很容易淹没微小的热电偶信号。

通常,结合两种方案来从噪声中提取信号。第一种方案使用差分输入放大器(如仪表放大器)来放大信号。因为大多数噪声同时出现在两条线上(共模),所以差分测量可以消除它。第二种方案是低通滤波,以消除带外噪声。低通滤波器应同时消除可能引起放大器整流的射频干扰(1 MHz以上)和50 Hz/60 Hz(电源)的工频干扰。在放大器前放置一个RF干扰滤波器(或使用带滤波输入的放大器)非常重要。50Hz/60Hz滤波器的位置无关紧要,它可以与RFI滤波器结合,作为σ-δ型ADC滤波器的一部分置于放大器和ADC之间,也可以通过软件编程作为均值滤波器。

参考接合点补偿:为了获得精确的绝对温度读数,必须知道热电偶参考接合点的温度。第一次使用热电偶时,将参考接点放在冰池中即可完成这一步。图2描述了一个热电偶电路,其一端处于未知温度,另一端处于冰池中(0°C)。这种方法用于详细描述各种热电偶类型的特性,因此几乎所有热电偶仪表都使用0°C作为参考温度。

图二。碱性铁-康铜热电偶电路。

但是对于大多数测量系统来说,将热电偶的参考接点放在冰池中是不切实际的。大多数系统都转向一种称为参考结补偿(也称为冷结补偿)的技术。基准结温由另一个温度敏感器件测量,通常是IC、热敏电阻、二极管或RTD(电阻温度计)。然后对热电偶电压读数进行补偿,以反映基准结温。有必要尽可能精确地读取参考接合点,使精确的温度传感器保持与参考接合点相同的温度。基准结温读数的任何误差都会直接反映在最终热电偶读数中。

可以使用各种传感器来测量基准结温:

1.热敏电阻:响应快,封装小;然而,要求线性,精度有限,尤其是在较宽的温度范围内。如果需要励磁电流,会产生自热,造成漂移。结合信号调理功能,整体系统精度较差。

2.电阻温度测量仪(RTD): RTD更精确、稳定且线性度合理,但封装尺寸和成本限制了其在过程控制中的应用。

3.远程热敏二极管:该二极管用于感应热电偶连接器附近的温度。调节芯片将与温度成比例的二极管电压转换成模拟或数字输出。其精度限制在±1°c左右。

4.集成温度传感器:集成温度传感器是一个独立的IC,可在本地检测温度。它应小心安装在参考接合点附近,并可与参考接合点补偿和信号调理结合使用。可以获得远低于1°C的精度。

电压信号非线性:热电偶响应曲线的斜率随温度变化。例如,在0°C时,T型热电偶的输出变化39V/°C,但在100°C时,斜率增加到47V/°C..

补偿热电偶非线性有三种常用方法。

选择曲线相对平缓的部分并将斜率近似为该区域的线性是一种特别适合于在有限温度范围内测量的方案,它不需要复杂的计算。K型和J型热电偶受欢迎的原因之一是,它们灵敏度的上升斜率(Zeebek系数)同时在很大的温度范围内保持相当恒定(见图3)。

图3。热电偶灵敏度随温度变化注意,从0°C至1000°C,K型Zeebek系数大致恒定在41V/°C左右。

另一种方案是将查找表存储在内存中,查找表中每个热电偶的电压与其对应的温度相匹配。然后,使用表中两个最近点之间的线性插值来获得其他温度值。

第三种方案使用高阶方程来模拟热电偶的特性。虽然这种方法最精确,但它的计算量也最大。每个热电偶都有两套方程。一组将温度转换为热电偶电压(适合参考结补偿)。另一组将热电偶电压转换成温度。热电偶表和高阶热电偶方程可从http://srdata.nist.gov/its90/main/.获得。这些表和方程均基于0°C基准结温。当基准集合点处于任何其它温度时,必须使用基准结补偿。接地要求:热电偶制造商在测量结处设计了两种尖端,绝缘和接地(图4)。

图4。热电偶测量结类型。

设计热电偶信号调理时,测量接地热电偶时要避免接地回路,测量绝缘热电偶时也要有放大器输入偏置电流通路。此外,如果热电偶尖端接地,放大器的输入范围应设计为能够应对热电偶尖端和测量系统地之间的任何接地差异(图5)。

5.使用不同尖端类型时的接地方法。

对于非隔离系统,双电源信号调理系统通常有助于接地端和裸露端类型实现更稳定的性能。由于其宽共模输入范围,双功率放大器可以处理PCB(印刷电路板)接地和热电偶尖端接地之间的大电压差。如果放大器的共模范围能够在单电源配置中测量地电压以下的电压,则单电源系统在所有三种尖端情况下都能实现令人满意的性能。为了应对某些单电源系统中的共模限制,将热电偶偏置到中间电压范围非常有用。这完全适用于简单绝缘热电偶或整个测量系统隔离的情况。然而,不建议设计非隔离系统来测量接地或裸露热电偶。

实用热电偶解决方案:热电偶信号调理比其他温度测量系统更复杂。信号调理设计和调试所需的时间可能会延长产品上市时间。信号调理产生的误差可能会降低精度,尤其是在参考接合点的补偿部分。以下两种解决方案可以解决这些问题。

第一种方案详细介绍了一种简单的模拟集成硬件解决方案,它使用IC将直接热电偶测量与参考接合点补偿结合起来。第二种方案详细介绍了一种基于软件的参考结补偿方案,具有更高的热电偶测量精度,可以更灵活地使用多种类型的热电偶。

测量方案1:为简单而优化

图6显示了K型热电偶测量的原理图。它使用AD8495热电偶放大器,专门设计用于测量K型热电偶。这种仿真解决方案经过优化,可缩短设计时间:其信号链简单,不需要任何软件编码。

图6。测量解决方案1:为简单性而优化。

这种简单的信号链是如何解决K型热电偶的信号调理要求的?

增益和输出比例系数:AD8495将微弱的热电偶信号放大122倍,从而产生5mv/°c(200°c/v)的输出信号灵敏度。降噪:高频共模和差分噪声通过外部RFI滤波器消除。AD8495的仪表放大器抑制低频共模噪声。然后,任何残余噪声都由外部后置滤波器解决。

基准结补偿:由于内置温度传感器来补偿环境温度变化,因此AD8495必须放置在基准结附近,以保持相同的温度,从而获得精确的基准结补偿。

非线性校正:通过校准,AD8495在K型热电偶曲线的线性部分获得5mV/°C输出,在–25°C至+400°C温度范围内,线性误差小于2°C..如果需要此范围之外的温度,ADI应用笔记AN-1087描述了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩展温度范围。

表二。解决方案1的性能概述(图6)

绝缘、接地和裸露热电偶的处理:图5显示了一个接地的1mω电阻,适用于所有热电偶尖端类型。如图所示,AD8495专为测量低于地电压数百毫伏的电压而设计,采用单电源供电。如果需要更大的电压差,AD8495也可以采用双电源供电。

AD8495的更多信息:图7显示了AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1、A2和A3(以及所示电阻)共同构成一个仪表放大器,以产生5mv/°C输出电压的增益放大K型热电偶的输出..标有“Ref junction compensation”的盒子内部是一个环境温度传感器。如果参考结点的温度由于任何原因而上升,在测量结点的温度保持稳定的情况下,热电偶的差分电压将下降。如果微型封装(3.2 mm × 3.2 mm ×1.2 mm)AD8495靠近基准结的热区域,基准结补偿电路会向放大器施加额外电压,使输出电压保持恒定,从而补偿基准温度变化。

图7。ad8495功能框图。

表2总结了使用AD8495的集成硬件解决方案的性能:

测量解决方案2:优化精度和灵活性图8显示了高精度测量J、K或T热电偶的原理图。该电路包括一个用于小信号热电偶电压测量的高精度ADC和一个用于基准结温测量的高精度温度传感器。这两款器件均由外部微处理器通过SPI接口控制。

图8。测量解决方案2:针对精确度和灵活性进行了优化。

这种配置如何满足上述信号调理要求?消除噪声和放大电压:如图9所示,AD7793的高精度、低功耗模拟前端用于测量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波,并连接到一组差分输入AIN1(+)和ain 1(–)。然后,信号依次通过多路复用器、缓冲器和仪表放大器(放大热电偶信号)发送到ADC,后者将信号转换为数字信号。

图9。ad7793功能框图。

表3。解决方案2的性能概述(图8)

参考接合点的温度补偿:当ADT7320(详情见图10)放置在离参考接合点足够近的位置时,参考接合点的温度测量精度可以在–10°C至+85°C的温度范围内达到±0.2°C..片内温度传感器产生与绝对温度成比例的电压,该电压与内部基准电压进行比较,并输入到精密数字调制器。调制器输出的数字化结果不断刷新16位温度值寄存器。然后通过SPI接口从微处理器回读温度值寄存器,与ADC的温度读数一起实现补偿。

校正非线性:ADT7320在整个额定温度范围(–-40°C至+125°C)内具有出色的线性度,无需用户校正或校准。因此,其数字输出可以被视为参考接合点状态的精确表示。

为了确定实际热电偶温度,必须使用NIST提供的公式将该参考温度测量值转换为等效热电电压。该电压与AD7793测得的热电偶电压相加,然后再次利用NIST公式将其和转换回热电偶温度。

处理绝缘和接地的热电偶:图8显示了一个带有裸露尖端的热电偶。这提供了最佳的响应时间,但同样的配置也可以用于绝缘尖端热电偶。

表3总结了使用NIST数据的基于软件的参考联合测量解决方案的性能:

图10。ADT7320功能框图

结论

热电偶在相当宽的温度范围内提供稳定可靠的温度测量,但由于设计时间和精度之间的折衷,它们通常不是温度测量的首选。本文提出了一种经济有效的方法来解决这些问题。

第一种解决方案侧重于通过基于硬件的模拟参考结补偿技术来降低测量的复杂性。它可以实现简单的信号链,无需任何软件编程,并依赖于AD8495热电偶放大器提供的积分特性,该放大器产生5mV/°C输出信号,可馈入各种微处理器的模拟输入。

第二种解决方案提供最高的测量精度,也可以使用各种类型的热电偶。作为一种基于软件的参考结补偿技术,它依靠高精度ADT7320数字温度传感器来提供参考结补偿测量,精度远远超过迄今为止所实现的水平。ADT7320经过完全校准,额定温度范围为-40°C至+125°C。与传统的热敏电阻或RTD传感器测量不同,它完全透明,不需要电路板组装后的高成本校准步骤,也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或存储器资源。其功耗仅为几毫瓦,避免了降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。

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