熱電偶測(cè)量的難點(diǎn)與研究
熱電偶測(cè)量的難點(diǎn)
1.濾波與放大
將熱電偶產(chǎn)生的電壓變換成精確的溫度讀數(shù)并不是件輕松的事情，型的靈敏度。__原因很多：電壓信號(hào)太弱，溫度電壓關(guān)系呈非線性，需要參考接合點(diǎn)補(bǔ)償，且熱電偶可能引起接地問題。讓我們逐一分析這些問題。電壓信號(hào)太弱：最常見的熱電偶類型有J、K 和T 型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 μV/°C、41 μV/°C 和41 μV/°C。其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級(jí)。表1 比較了各種熱電偶類
表1. 25°C時(shí)各種熱電偶類型的電壓變化和溫度升高關(guān)系（塞貝克系數(shù)）
因?yàn)殡妷盒盘?hào)微弱，信號(hào)調(diào)理電路一般需要約100 左右的增益，這是相當(dāng)簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)理。更棘手的事情是如何識(shí)別實(shí)際信號(hào)和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長(zhǎng)，經(jīng)常穿過電氣噪聲密集環(huán)境。引線上的噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號(hào)。一般結(jié)合兩種方案來(lái)從噪聲中提取信號(hào)。第一種方案使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來(lái)放大信號(hào)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)噪聲同時(shí)出現(xiàn)在兩根線上（共模），差分測(cè)量可將其消除。第二種方案是低通濾波，消除帶外噪聲。低通濾波器應(yīng)同時(shí)消除可能引起放大器整流的射頻干擾（1MHz 以上）和50Hz/60Hz（電源）的工頻干擾。在放大器前面放置一個(gè)射頻干擾濾波器（或使用帶濾波輸入的放大器）十分重要。
2.參考接合點(diǎn)補(bǔ)償
要獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)，必須知道熱電偶參考接合點(diǎn)的溫度。當(dāng)?shù)谝淮问褂脽犭娕紩r(shí)，這一步驟通過將參考接合點(diǎn)放在冰池內(nèi)來(lái)完成。這種方法用來(lái)詳盡描述各種熱電偶類型的特點(diǎn)，因此幾乎所有的熱電偶表都使用0°C作為參考溫度。但對(duì)于大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)而言，將熱電偶的參考接合點(diǎn)保持在冰池內(nèi)不切實(shí)際。大多數(shù)系統(tǒng)改用一種稱為參考接合點(diǎn)補(bǔ)償（又稱為冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）的技術(shù)。參考接合點(diǎn)溫度使用另一種溫度敏感器件來(lái)測(cè)量—一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度測(cè)量器）。然后對(duì)熱電偶電壓讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償以反映參考接合點(diǎn)溫度。必須盡可能精確地讀取參考接合點(diǎn)—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點(diǎn)同的溫度。任何讀取參考接合點(diǎn)溫度的誤差都會(huì)直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中?？墒褂酶鞣N傳感器來(lái)測(cè)量參考接合點(diǎn)溫度：
1、熱敏電阻：響應(yīng)快、封裝小；但要求線性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內(nèi)。要求激勵(lì)電流，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熱，引起漂移。結(jié)合信號(hào)調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差。
2、電阻溫度測(cè)量器（RTD）：RTD 更精確、穩(wěn)定且呈合理線性，但封裝尺寸和成本限制其應(yīng)用于過程控制應(yīng)用。
3、遠(yuǎn)程熱二極管：二極管用來(lái)感應(yīng)熱耦連接器附近的溫度。調(diào)節(jié)芯片將和溫度成正比的二極管電壓轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字輸出。其精度限于約±1°C。
4、集成溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種局部感應(yīng)溫度的獨(dú)立IC，應(yīng)小心地靠近參考接合點(diǎn)安裝，并可組合參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理?？色@得遠(yuǎn)低于1°C的精度。
3.電壓信號(hào)非線性
熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度而變化。例如，在0°C時(shí)，T型熱電偶輸出按39 μV/C 變化，但在100°C時(shí)斜率增加至47 μV/C。有三種常見的方法來(lái)對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。
第一種方案是選擇曲線相對(duì)較平緩的一部分并在此區(qū)域內(nèi)將斜率近似為線性，這是一種特別適合于有限溫度范圍內(nèi)測(cè)量的方案，這種方案不需要復(fù)雜的計(jì)算。K 和J 型熱電偶比較受歡迎的諸多原因之一是它們同時(shí)在較大的溫度范圍內(nèi)靈敏度的遞增斜率（塞貝克系數(shù)）保持相當(dāng)恒定（參見圖3）。
圖3.熱電偶靈敏度隨溫度而變化
注意，從0°C至1000°C，K型塞貝克系數(shù)大致恒定在約41 μV/C。另一個(gè)方案是將查找表存儲(chǔ)在內(nèi)存中，查找表中每一組熱電偶電壓與其對(duì)應(yīng)的溫度相匹配。然后，使用表中兩個(gè)最近點(diǎn)間的線性插值來(lái)獲得其它溫度值。第三種方案使用高階等式來(lái)對(duì)熱電偶的特性進(jìn)行建模。這種方法雖然最精確，但計(jì)算量也最大。每種熱電偶有兩組等式。一組將溫度轉(zhuǎn)換為熱電偶電壓（適用于參考接合點(diǎn)補(bǔ)償）。另一組將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度。
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