通过热电偶和调制电路实现宽量程温度检测

作者 / Robin Yang Microchip Technology Inc 混合及线性信号产品部 资深应用工程师

摘要：如何在扩展的温度范围内实现精确的温度测量已经在工业热工控制、危险环境监测等工程应用中引起了广泛的关注。通常来讲，为了保证在完整的温度范围内的测量准确性，我们需要同时对温度传感器和信号调理电路进行精确的调整与配置。本文将对基于热电偶的温度测量器件进行分析，找出影响其精度的关键因素，并提出准确、经济的技术方案以保证热电偶的测温效果。

1 不同类型温度测量器件的比较

　　为了将温度转化为电信号以供温度监控系统进行量化分析，我们通常考虑以下四类温度传感器：热电偶、热敏电阻、电阻温度计(RTD)和集成电路(IC)温度计。上述类型的传感器中，没有任何一类温度传感器可以在测量范围、精度、线性度以及成本等多方面同时提供最优的解决方案。绝大多数情况下，我们需要在上述因素中做出权衡，通过评估每个应用场景的具体需求来选择最合适的温度测量器件。热电偶是最常用的温度测量器件之一，因为它能够测量的温度范围(-200℃至2500℃)较宽，并且能够抵御恶劣的工作环境。相比之下，热敏电阻在相对有限的温度带内提供了较高的分辨率，而IC温度计虽然可以实现更高的测量精度和线性度，但其测量温度范围更为有限。因此，本文将重点介绍基于热电偶的温度传感器件。

　　如图1所示，热电偶由两种不同材料的金属导体构成，这两种导体在与测量对象接触的感应结点(通常称为“热结”)处连接在一起。在赛贝克效应的作用下，当冷结与热结之间存在温度差时，就会在冷结的两种金属导体之间产生相应的热电动势(EMF，通常为μV级)。电动势的大小取决于冷结与热结之间的温度差。通过对不同赛贝克系数的金属或合金进行组合，热电偶可标注为不同类型，例如E型、J型和K型等。不同类型的热电偶随温度变化展现出各异的灵敏度与线性度特征。

2 热电偶的优点与不足

　　需要测量150℃以下的温度时，IC温度计和热敏电阻都是行之有效的选择。电阻温度计则可以测量高达500℃的温度。而需要测量500℃以上的温度时，热电偶是唯一可行的解决方案，部分类型的热电偶可以应对温度高达2500℃的极端测量条件。另外，热电偶甚至简单的金属结架构也允许它直接接触测量对象，因此热电偶是恶劣环境中进行温度测量的首要选择。此外，热电偶是无源器件，不需要任何电流或电压激励，也不会自身产生热量干扰温度测量。最后一点，热电偶对于许多应用来说也是一种低成本的解决方案。

　　当然，热电偶的应用也存在一些技术限制。首先，对于任何一类热电偶而言，塞贝克系数在整个温度范围内都不会是恒定的。这意味着热电偶的输出电压并不能完全线性地反映温度。因此，需要用精确的校正算法来提高温度和电动势之间转换的线性度。热电偶的另一个局限在于其灵敏度。在不同的热电偶类型中，赛贝克系数从8μV/℃至60μV/℃都有分布。假设热结与冷结之间的温度差为500℃，那么产生的电动势的大小应在4mV至30mV之间。 因此，低失调、低噪声的放大器是将电动势信号放大至模数转换器(ADC)输入端的关键环节。需要重视的另外一点是可以采用差分放大器消除连接远端热电偶的长导线产生的共模噪声。抗噪性能较差的放大器可能会影响热电偶的测量精度。

3 应用热电偶的技术挑战及解决方案

　　热电偶测量温度的原理是通过冷结金属极间的电动势推断得知冷结与热结间的温度差异。冷结补偿的算法指的是通过累加热电动势推导出的温度差值与冷结温度，来计算热结处的温度。因此，为了计算热结测试点的温度，需要首先精确测量冷结处的温度。这意味着高精度的环境温度传感器也应该集成在热电偶的信号调理链路内。从电路板布局的角度考虑，环境温度传感器应尽量靠近热电偶的冷结处，以尽量减小冷结温度的误差。

　　前文已经提到，热电偶的缺陷之一在于它的非线性。为了减少热电偶在温度到电动势的转化中的非线性对其精度的影响，我们通常建议将线性校正算法整合到ADC系统中。对于不同类型的热电偶，由于赛贝克系数随温度变化并非恒定值，可以采用不同的方法来校正电动势和温度之间的非线性关系。

　　一种可能的解决方案是在内存中装载查找表，通过一一对应的温度和电动势的配对，查询某一电动势所对应的温度差值。相邻数据点之间的温度可以通过线性插值的方法来推导出。温度和电动势的配对是通过对每种热电偶分别进行测试，从而取得的测试数据。当然，为了使配对更为精确，查找表中的相邻温度点和相邻电动势总是需要尽可能接近，这也意味着更大的数据量和更高的内存需求。

　　电动势到温度转化的非线性度补偿的另一种方法是使用建模方法。通过对每个温度点测到的热电动势的数据进行数学拟合，可以为不同类型的热电偶建立各自的高阶多项式传递函数，进而实现从热电动势推导热结和冷结之间的温度差值。这种校正的计算过程可以通过微处理器或微控制器来完成。下文所举的例子中，校正系数是从美国国家标准技术研究所(NIST)标号ITS-90的热电偶数据库导出，可以保障所有类型的热电偶的最优转换精度。

　　在许多工业应用中，需要依次使用不同类型的热电偶来测量温度。因此，信号调理电路需要对不同类型的热电偶保持同等的转换精度。否则的话，会大大提高信号调理电路的设计复杂度。

　　设计一个准确、普适性好并且低成本的热电偶信号调理电路需要大量的专业知识，并且可能非常耗时。为了简化设计流程，降低设计工作量并缩短上市时间，设计人员可以考虑使用集成的热电偶信号调理IC。许多该类型的芯片现在已经在市场上销售，这里我们以Microchip的MCP9600为例进行说明。

4 MCP9600的产品特征

　　Microchip的MCP9600提供了功能集成一体化的热电偶温度测量方案。MCP9600的功能框图如图2所示。从图中可以看出，MCP9600是一种高度集成的单芯片解决方案，转化生成的输出数据可以直接通过I2C总线输出至后端处理器。它集成了一个18位的Σ-ΔADC，可以通过不同的设置选择更高的分辨率或更快的转换时间。根据所使用的热电偶类型和所需的分辨率，ADC可以配置为12位、14位、16位和18位分辨率模式。需要权衡的是，较低的分辨率将允许实现更短的转换时间，反之亦然。用户也可以自主选择0.0625℃/LSB(最小比特位)或0.25℃/LSB的温度分辨率。

　　如前文所述，为了使热电动势匹配ADC输入级的电压范围，需要使用低噪声放大器放大电动势信号。MCP9600在输入端使用了开关电容放大器，以保证输入信号在18位分辨率模式下最高可以达到2μV/LSB的分辨率。MCP9600还为八种热电偶(K、J、T、N、E、B、S和R)集成了各自的校正系数，以确保在完整的温度测量范围内，热结温度的测量误差小于±1.5℃。

　　对于电池供电或低功耗的应用，MCP9600集成了两种低功耗工作模式：关断模式和突发模式。这两种模式都有助于在包括温度检测准确度、功耗和自发热控制等因素中寻找最优的折中方案。MCP9600还配有用户可访问的寄存器。用户可以通过寄存器选择热电偶类型、工作模式，设置多达四个警报限制以及设置ADC参数。该功能特征可以允许灵活配置各种类型的主流热电偶器件，以适用于不同的温度测量应用。

5 结论

　　在扩展温度范围的温度测量应用中，热电偶已成为工程学界的首要选择。为了保证不同测量环境下热电偶的最优测量性能，我们需要在热电偶的信号调制电路中集成多种校正算法。这些算法对温度测量的线性度，低噪声放大和冷端补偿都有重要的影响。单片集成的热电偶接口器件旨在简化设计人员所面临的技术挑战。Microchip的MCP9600将上述功能模块集成到包括开关电容放大器，18位ADC和数据处理单元的独立芯片中，为广域的温度监控提供了准确而经济高效的解决方案。

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第12期第31页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。