熱電偶測溫電路圖（一）

高精度熱電偶測溫電路圖

此設計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系統(tǒng)的冷端補償。對于熱電偶線性化，此設計還提供了一種非常簡單的、可以在大多數微控制器上實施的線性算法。

特性

測量K型熱電偶溫度

精度1°C

高精度/可重復性0.2°C

包含冷端補償

包含軟件算法

使用ADS111816位ADC（帶PGA）

原理圖/方框圖

熱電偶測溫電路圖（二）

OP07構成的高穩(wěn)定熱電偶測溫放大電路

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C．月）、寬電源電壓范圍（t3~±18V）的高性能運算放大器。

OP07構成的高穩(wěn)定熱電偶測溫放大電路如圖所示。

由于R3/Rl=R4/R2，因此，OP07構成差分放大器，測溫部分為“測溫”熱電偶和“參考”熱電偶，后者置于環(huán)境中，前者置于被測物體上，“測溫”熱電偶上的溫度變化轉換為熱電勢，經放大后輸出電壓。

熱電偶測溫電路圖（三）

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一個基于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量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內置PGA、基準電壓源、時鐘和激勵電流，從而大大簡化了熱電偶系統(tǒng)設計。系統(tǒng)峰峰值噪聲約為0.02°C。

AD7793的最大功耗僅500μA，因而適合低功耗應用，例如整個發(fā)送器的功耗必須低于4mA的智能發(fā)送器等。AD7793還具有關斷選項。在這種模式下，整個ADC及其輔助功能均關斷，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。冷結補償由一個熱敏電阻和一個精密電阻提供。該電路只需要這些外部元件來執(zhí)行冷結測量，以及一些簡單的R-C濾波器來滿足電磁兼容性（EMC）要求。

圖1.帶冷結補償的熱電偶測量系統(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成，溫度測量范圍為?200°C至+400°C，產生的溫度相關電壓典型值為40μV/°C。

熱電偶的傳遞函數不是線性的。在0°C至+60°C的溫度范圍，其響應非常接近線性。但是，在更寬的溫度范圍內，必須使用一個線性化程序處理。

測試電路不包括線性化功能，因此，本電路的有用測量范圍是0°C到+60°C。在該溫度范圍內，熱電偶產生0mV至2.4mV的電壓。內部1.17V基準電壓用于熱電偶轉換。因此，AD7793的增益配置為128。

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

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

熱敏電阻在+25°C時的值為1kΩ，0°C時的典型值為815Ω，+30°C時的典型值為1040Ω。假設0°C至30°C的傳遞函數為線性，則冷結溫度與熱敏電阻R之間的關系為：

冷結溫度=30×（R–815）/（1040–815）

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

對熱敏電阻通道進行采樣時，AD7793以1倍的增益工作。對于+30°C的最大冷結溫度，熱敏電阻上產生的最大電壓為1mA×1040Ω=1.04V。

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

對于ADC_CODE的轉換值，相應的熱敏電阻值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激勵電流時，輸出順從電壓等于AVDD–1.1V。從上述計算可知，電路滿足這一要求，因為IOUT1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的輸出數據速率工作。每讀取10個熱電偶轉換結果，就讀取1個熱敏電阻轉換結果。相應的溫度等于：

溫度=熱電偶溫度+冷結溫度

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

該熱電偶設計采用6V（2節(jié)3V鋰電池）電池供電。一個二極管將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RC濾波器，用以降低進入AD7793的電源數字噪聲。

圖2顯示了T型熱電偶上產生的電壓與溫度的關系。圓圈內的區(qū)域是從0°C到+60°C，該區(qū)域內的傳遞函數接近線性。

圖2.熱電偶電動勢與溫度的關系

當系統(tǒng)處于室溫時，熱敏電阻應指示室溫的值。熱敏電阻指示的是相對于冷結溫度的相對溫度，即冷結（熱敏電阻）與熱電偶的溫差。因此，在室溫時，熱電偶應指示0°C。。

如果將熱電偶放在一個冰桶中，熱敏電阻仍舊測量環(huán)境（冷結）溫度。熱電偶應指示熱敏電阻值的負值，使得總溫度等于0。

最后，對于16.7Hz的輸出數據速率和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，則熱電偶的溫度測量分辨率為：

0.581μV÷40μV=0.014°C

圖3所示為實際的測試板。系統(tǒng)評估如下：分別在室溫時以及將熱電偶放入冰桶的情況下，測量熱敏電阻溫度、熱電偶溫度和分辨率。結果如表1所示。

圖3.采用AD7793的熱電偶系統(tǒng)

從表1可知，熱電偶報告的溫度正確，熱敏電阻則有0.3°C的誤差。這是未包括線性化處理時的系統(tǒng)精度。如果對熱電偶和熱敏電阻進行線性化處理，系統(tǒng)精度將會提高，系統(tǒng)將能測量更寬的溫度范圍。

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

熱電偶測溫電路圖（四）

熱電偶測溫電路圖

熱電偶測溫電路圖（五）

電路功能與優(yōu)勢

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

圖1中的電路顯示將3個K型熱電偶連接至AD7793精密24位Σ-Δ型模數轉換器（ADC），以測量熱電偶電壓。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件，必須知道基準結溫才能獲得精確的絕對溫度讀數。這一過程被稱為基準結補償，通常稱為冷結補償。本電路中ADT7320精密16位數字溫度傳感器用于冷結基準測量，并提供所需的精度。

對于需要在熱電偶提供的寬溫度范圍內進行高性價比的精確溫度測量而言，這類應用非常受歡迎。

圖1.多通道熱電偶測量系統(tǒng)

電路描述

圖1中的電路專為使用ADT7320同時測量3個K型熱電偶而設計，該器件是一款±0.25°C精度、16位數字SPI溫度傳感器。

熱電偶電壓測量

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到達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集成片內多路復用器、緩沖器和儀表放大器，可放大來自熱電偶測量結點的小電壓信號。

冷結測量

ADT7320精密16位數字溫度傳感器用于測量基準結（冷結）溫度，其精度在?20°C至+105°C溫度范圍內可達±0.25°C。ADT7320完全經過工廠校準，用戶無需自行校準。它內置一個帶隙溫度基準源、一個溫度傳感器和一個16位Σ-Δ型ADC，用來測量溫度并進行數字轉換，分辨率為0.0078°C。

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

圖2.EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板

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

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

圖3.安裝在柔性PCB上ADT7320的側視圖

小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應基準結的溫度變化。圖4顯示ADT7320的典型熱響應時間。

圖4.ADT7320典型熱響應時間

本解決方案較為靈活，允許使用其它類型的熱電偶，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。實際選用的熱電偶具有裸露尖端。測量結位于探頭壁（probewall）之外，暴露在目標介質中。

采用裸露尖端的優(yōu)勢在于，它能提供最佳的熱傳導率、具有最快的響應時間，并且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機械損壞和腐蝕的影響。因此，不適合用于惡劣環(huán)境。但在需要快速響應時間的場合下，裸露尖端是最佳選擇。若在工業(yè)環(huán)境中使用裸露尖端，則可能需對信號鏈進行電氣隔離。可使用數字隔離器達到這一目的。

不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或電阻式溫度檢測器（RTD），ADT7320是一款完全即插即用型解決方案，無需在電路板裝配后進行多點校準，也不會因校準系數或線性化程序而消耗處理器或內存資源。它在3.3V電源下工作時的典型功耗僅為700μW，避免了會降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問題。

熱電偶測溫電路圖（六）

本文為大家?guī)淼氖且豢?4位4-20mA環(huán)路供電型熱電偶溫度測量系統(tǒng)電路設計圖，該電路是一完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測量系統(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驅動4mA至20mA環(huán)路的優(yōu)勢，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

圖1所示電路是一款完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測量系統(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處理器內核以及用于控制環(huán)路電壓高達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T型熱電偶和一個100Ω鉑電阻溫度檢測器（RTD）。RTD用于冷結補償。低功耗Cortex-M3內核將ADC讀數轉換為溫度值。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驅動4mA至20mA環(huán)路的優(yōu)勢。基于PWM的輸出提供14位分辨率。電路采用線性穩(wěn)壓器ADP1720供電，可將環(huán)路加電源調節(jié)至3.3V，為ADuCM360、運算放大器OP193和可選基準電壓源ADR3412提供電源。