熱電偶測(cè)溫電路圖（一）

高精度熱電偶測(cè)溫電路圖

此設(shè)計(jì)概括了提供傳感器診斷所必需的抗混疊濾波器和偏置電阻器。此示例還提供了一種新穎的方式，即使用ADS1118上的板載溫度傳感器完成對(duì)系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償。對(duì)于熱電偶線(xiàn)性化，此設(shè)計(jì)還提供了一種非常簡(jiǎn)單的、可以在大多數(shù)微控制器上實(shí)施的線(xiàn)性算法。

特性

測(cè)量K型熱電偶溫度

精度1°C

高精度/可重復(fù)性0.2°C

包含冷端補(bǔ)償

包含軟件算法

使用ADS111816位ADC（帶PGA）

原理圖/方框圖

熱電偶測(cè)溫電路圖（二）

OP07構(gòu)成的高穩(wěn)定熱電偶測(cè)溫放大電路

OP07為低漂移（最大電壓漂移25vV、最大溫漂0.6pcV/C）、低噪聲（最大0.6v咋一P）、超穩(wěn)定性（最大0.6pLV門(mén)C．月）、寬電源電壓范圍（t3~±18V）的高性能運(yùn)算放大器。

OP07構(gòu)成的高穩(wěn)定熱電偶測(cè)溫放大電路如圖所示。

由于R3/Rl=R4/R2，因此，OP07構(gòu)成差分放大器，測(cè)溫部分為“測(cè)溫”熱電偶和“參考”熱電偶，后者置于環(huán)境中，前者置于被測(cè)物體上，“測(cè)溫”熱電偶上的溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)，經(jīng)放大后輸出電壓。

熱電偶測(cè)溫電路圖（三）

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一個(gè)基于24位Σ-Δ型ADCAD7793的完整熱電偶系統(tǒng)。AD7793是一款適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置PGA、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘和激勵(lì)電流，從而大大簡(jiǎn)化了熱電偶系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)峰峰值噪聲約為0.02°C。

AD7793的最大功耗僅500μA，因而適合低功耗應(yīng)用，例如整個(gè)發(fā)送器的功耗必須低于4mA的智能發(fā)送器等。AD7793還具有關(guān)斷選項(xiàng)。在這種模式下，整個(gè)ADC及其輔助功能均關(guān)斷，器件的最大功耗降至1μA。

AD7793提供一種集成式熱電偶解決方案，可以直接與熱電偶接口。冷結(jié)補(bǔ)償由一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)精密電阻提供。該電路只需要這些外部元件來(lái)執(zhí)行冷結(jié)測(cè)量，以及一些簡(jiǎn)單的R-C濾波器來(lái)滿(mǎn)足電磁兼容性（EMC）要求。

圖1.帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量系統(tǒng)

電路描述

本電路使用T型熱電偶。該熱電偶由銅和康銅構(gòu)成，溫度測(cè)量范圍為?200°C至+400°C，產(chǎn)生的溫度相關(guān)電壓典型值為40μV/°C。

熱電偶的傳遞函數(shù)不是線(xiàn)性的。在0°C至+60°C的溫度范圍，其響應(yīng)非常接近線(xiàn)性。但是，在更寬的溫度范圍內(nèi)，必須使用一個(gè)線(xiàn)性化程序處理。

測(cè)試電路不包括線(xiàn)性化功能，因此，本電路的有用測(cè)量范圍是0°C到+60°C。在該溫度范圍內(nèi)，熱電偶產(chǎn)生0mV至2.4mV的電壓。內(nèi)部1.17V基準(zhǔn)電壓用于熱電偶轉(zhuǎn)換。因此，AD7793的增益配置為128。

AD7793采用單電源供電，熱電偶產(chǎn)生的信號(hào)必須被偏置到地以上，從而處于該ADC支持的范圍。對(duì)于128倍的增益，模擬輸入端的絕對(duì)電壓必須在GND+300mV至AVDD–1.1V范圍內(nèi)。

AD7793片上集成的偏置電壓發(fā)生器偏置熱電偶信號(hào)，使其共模電壓為AVDD/2，確保以相當(dāng)大的裕量滿(mǎn)足輸入電壓限值要求。

熱敏電阻在+25°C時(shí)的值為1kΩ，0°C時(shí)的典型值為815Ω，+30°C時(shí)的典型值為1040Ω。假設(shè)0°C至30°C的傳遞函數(shù)為線(xiàn)性，則冷結(jié)溫度與熱敏電阻R之間的關(guān)系為：

冷結(jié)溫度=30×（R–815）/（1040–815）

AD7793的1mA激勵(lì)電流用于為熱敏電阻和2kΩ精密電阻供電?；鶞?zhǔn)電壓利用該2kΩ外部精密電阻產(chǎn)生。這種架構(gòu)提供一種比率式配置，激勵(lì)電流用于為熱敏電阻供電，并產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。因此，激勵(lì)電流值的偏差不會(huì)改變系統(tǒng)的精度。

對(duì)熱敏電阻通道進(jìn)行采樣時(shí)，AD7793以1倍的增益工作。對(duì)于+30°C的最大冷結(jié)溫度，熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓為1mA×1040Ω=1.04V。

熱敏電阻的選擇條件是：熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓乘以PGA增益的結(jié)果小于或等于精密電阻上產(chǎn)生的電壓。

對(duì)于ADC_CODE的轉(zhuǎn)換值，相應(yīng)的熱敏電阻值R等于：

R=（ADC_CODE–0x800000）×2000/223

還需要考慮AD7793IOUT1引腳的輸出順從電壓。使用1mA激勵(lì)電流時(shí)，輸出順從電壓等于AVDD–1.1V。從上述計(jì)算可知，電路滿(mǎn)足這一要求，因?yàn)镮OUT1的最大電壓等于精密電阻上的電壓加上熱敏電阻上的電壓，等于2V+1.04V=3.04V。AD7793以16.7Hz的輸出數(shù)據(jù)速率工作。每讀取10個(gè)熱電偶轉(zhuǎn)換結(jié)果，就讀取1個(gè)熱敏電阻轉(zhuǎn)換結(jié)果。相應(yīng)的溫度等于：

溫度=熱電偶溫度+冷結(jié)溫度

AD7793的轉(zhuǎn)換結(jié)果由模擬微控制器ADuC832處理，所得的溫度顯示在LCD顯示器上。

該熱電偶設(shè)計(jì)采用6V（2節(jié)3V鋰電池）電池供電。一個(gè)二極管將6V電壓降至適合AD7793和模擬微控制器ADuC832的電平。ADuC832電源與AD7793電源之間有一個(gè)RC濾波器，用以降低進(jìn)入AD7793的電源數(shù)字噪聲。

圖2顯示了T型熱電偶上產(chǎn)生的電壓與溫度的關(guān)系。圓圈內(nèi)的區(qū)域是從0°C到+60°C，該區(qū)域內(nèi)的傳遞函數(shù)接近線(xiàn)性。

圖2.熱電偶電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)處于室溫時(shí)，熱敏電阻應(yīng)指示室溫的值。熱敏電阻指示的是相對(duì)于冷結(jié)溫度的相對(duì)溫度，即冷結(jié)（熱敏電阻）與熱電偶的溫差。因此，在室溫時(shí)，熱電偶應(yīng)指示0°C。。

如果將熱電偶放在一個(gè)冰桶中，熱敏電阻仍舊測(cè)量環(huán)境（冷結(jié)）溫度。熱電偶應(yīng)指示熱敏電阻值的負(fù)值，使得總溫度等于0。

最后，對(duì)于16.7Hz的輸出數(shù)據(jù)速率和128倍的增益，AD7793的均方根噪聲等于0.088μV。峰峰值噪聲等于：

6.6×均方根噪聲=6.6×0.088μV=0.581μV

如果熱電偶的靈敏度恰好為40μV/°C，則熱電偶的溫度測(cè)量分辨率為：

0.581μV÷40μV=0.014°C

圖3所示為實(shí)際的測(cè)試板。系統(tǒng)評(píng)估如下：分別在室溫時(shí)以及將熱電偶放入冰桶的情況下，測(cè)量熱敏電阻溫度、熱電偶溫度和分辨率。結(jié)果如表1所示。

圖3.采用AD7793的熱電偶系統(tǒng)

從表1可知，熱電偶報(bào)告的溫度正確，熱敏電阻則有0.3°C的誤差。這是未包括線(xiàn)性化處理時(shí)的系統(tǒng)精度。如果對(duì)熱電偶和熱敏電阻進(jìn)行線(xiàn)性化處理，系統(tǒng)精度將會(huì)提高，系統(tǒng)將能測(cè)量更寬的溫度范圍。

如果每讀取10次就計(jì)算一次最小與最大溫度讀數(shù)之差，則用溫度表示的峰峰值噪聲為0.02°C。因此，實(shí)際的峰峰值分辨率非常接近期望值。

熱電偶測(cè)溫電路圖（四）

熱電偶測(cè)溫電路圖

熱電偶測(cè)溫電路圖（五）

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1中的電路在功能上可提供高精度、多通道的熱電偶測(cè)量解決方案。精確的熱電偶測(cè)量要求采用精密元件組成信號(hào)鏈，該信號(hào)鏈應(yīng)當(dāng)能夠放大微弱的熱電偶電壓、降低噪聲、校正非線(xiàn)性度并提供精確的基準(zhǔn)結(jié)補(bǔ)償（通常稱(chēng)為冷結(jié)補(bǔ)償）。本電路可解決熱電偶溫度測(cè)量的全部這些難題，并具有±0.25°C以上的精度。

圖1中的電路顯示將3個(gè)K型熱電偶連接至AD7793精密24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以測(cè)量熱電偶電壓。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對(duì)式溫度測(cè)量器件，必須知道基準(zhǔn)結(jié)溫才能獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)。這一過(guò)程被稱(chēng)為基準(zhǔn)結(jié)補(bǔ)償，通常稱(chēng)為冷結(jié)補(bǔ)償。本電路中ADT7320精密16位數(shù)字溫度傳感器用于冷結(jié)基準(zhǔn)測(cè)量，并提供所需的精度。

對(duì)于需要在熱電偶提供的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高性?xún)r(jià)比的精確溫度測(cè)量而言，這類(lèi)應(yīng)用非常受歡迎。

圖1.多通道熱電偶測(cè)量系統(tǒng)

電路描述

圖1中的電路專(zhuān)為使用ADT7320同時(shí)測(cè)量3個(gè)K型熱電偶而設(shè)計(jì)，該器件是一款±0.25°C精度、16位數(shù)字SPI溫度傳感器。

熱電偶電壓測(cè)量

采用熱電偶連接器和濾波器作為熱電偶與AD7793ADC之間的接口。每個(gè)連接器（J1、J2和J3）都直接與一組差分ADC輸入相連。AD7793輸入端的濾波器可在信號(hào)到達(dá)ADC的AIN（+）和AIN（?）輸入端之前降低任何熱電偶引腳上疊加的噪聲。AD7793集成片內(nèi)多路復(fù)用器、緩沖器和儀表放大器，可放大來(lái)自熱電偶測(cè)量結(jié)點(diǎn)的小電壓信號(hào)。

冷結(jié)測(cè)量

ADT7320精密16位數(shù)字溫度傳感器用于測(cè)量基準(zhǔn)結(jié)（冷結(jié)）溫度，其精度在?20°C至+105°C溫度范圍內(nèi)可達(dá)±0.25°C。ADT7320完全經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn)，用戶(hù)無(wú)需自行校準(zhǔn)。它內(nèi)置一個(gè)帶隙溫度基準(zhǔn)源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)16位Σ-Δ型ADC，用來(lái)測(cè)量溫度并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，分辨率為0.0078°C。

AD7793和ADT7320均利用系統(tǒng)演示平臺(tái)（EVAL-SDP-CB1Z）由SPI接口控制。此外，這兩個(gè)器件也可由微控制器控制。

圖2.EVAL-CN0172-SDPZ電路評(píng)估板

圖2顯示帶有3個(gè)K型熱電偶連接器的EVAL-CN0172-SDPZ電路評(píng)估板，AD7793ADC，和ADT7320溫度傳感器安裝在獨(dú)立柔性印刷電路板（PCB）的兩塊銅觸點(diǎn)之間，用于基準(zhǔn)溫度測(cè)量。

圖3是安裝在獨(dú)立柔性PCB上ADT7320的側(cè)視圖，該器件插在熱電偶連接器的兩個(gè)銅觸點(diǎn)之間。圖3中的柔性PCB更薄更靈活，比小型FR4類(lèi)PCB更具優(yōu)勢(shì)。它允許將ADT7320巧妙地安裝在熱電偶連接器的銅觸點(diǎn)之間，以盡量降低基準(zhǔn)結(jié)和ADT7320之間的溫度梯度。

圖3.安裝在柔性PCB上ADT7320的側(cè)視圖

小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應(yīng)基準(zhǔn)結(jié)的溫度變化。圖4顯示ADT7320的典型熱響應(yīng)時(shí)間。

圖4.ADT7320典型熱響應(yīng)時(shí)間

本解決方案較為靈活，允許使用其它類(lèi)型的熱電偶，如J型或T型。本電路筆記中，選擇K型是考慮到其更受歡迎。實(shí)際選用的熱電偶具有裸露尖端。測(cè)量結(jié)位于探頭壁（probewall）之外，暴露在目標(biāo)介質(zhì)中。

采用裸露尖端的優(yōu)勢(shì)在于，它能提供最佳的熱傳導(dǎo)率、具有最快的響應(yīng)時(shí)間，并且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機(jī)械損壞和腐蝕的影響。因此，不適合用于惡劣環(huán)境。但在需要快速響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合下，裸露尖端是最佳選擇。若在工業(yè)環(huán)境中使用裸露尖端，則可能需對(duì)信號(hào)鏈進(jìn)行電氣隔離?？墒褂?a href="http://hljzzgx.com/tags/數(shù)字隔離器/" target="_blank">數(shù)字隔離器達(dá)到這一目的。

不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或電阻式溫度檢測(cè)器（RTD），ADT7320是一款完全即插即用型解決方案，無(wú)需在電路板裝配后進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)，也不會(huì)因校準(zhǔn)系數(shù)或線(xiàn)性化程序而消耗處理器或內(nèi)存資源。它在3.3V電源下工作時(shí)的典型功耗僅為700μW，避免了會(huì)降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問(wèn)題。

熱電偶測(cè)溫電路圖（六）

本文為大家?guī)?lái)的是一款14位4-20mA環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖，該電路是一完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)，使用精密模擬微控制器的PWM功能控制4mA至20mA輸出電流。具有更高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)4mA至20mA環(huán)路的優(yōu)勢(shì)，支持溫度范圍為?200°C至+350°C的T型熱電偶。

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一款完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)，使用精密模擬微控制器的PWM功能控制4mA至20mA輸出電流。

圖1.ADuCM360控制4mA至20mA基于環(huán)路的溫度監(jiān)控電路

電路原理：本電路將絕大部分電路功能都集成在精密模擬微控制器ADuCM360上，包括雙通道24位Σ-Δ型ADC、ARMCortex?-M3處理器內(nèi)核以及用于控制環(huán)路電壓高達(dá)28V的4mA至20mA環(huán)路的PWM/DAC特性，提供一種低成本溫度監(jiān)控解決方案。其中，ADuCM360連接到一個(gè)T型熱電偶和一個(gè)100Ω鉑電阻溫度檢測(cè)器（RTD）。RTD用于冷結(jié)補(bǔ)償。低功耗Cortex-M3內(nèi)核將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度值。支持的T型熱電偶溫度范圍是?200°C至+350°C，而此溫度范圍是4mA至20mA。本電路具有以更高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)4mA至20mA環(huán)路的優(yōu)勢(shì)?；赑WM的輸出提供14位分辨率。電路采用線(xiàn)性穩(wěn)壓器ADP1720供電，可將環(huán)路加電源調(diào)節(jié)至3.3V，為ADuCM360、運(yùn)算放大器OP193和可選基準(zhǔn)電壓源ADR3412提供電源。