電路對(duì)檢測(cè)點(diǎn)附近的熱電偶輸出進(jìn)行數(shù)字化處理

本應(yīng)用筆記定義了熱電偶并解釋了其歷史淵源。本文介紹了一種電路，該電路通過(guò)在溫度檢測(cè)點(diǎn)附近對(duì)熱電偶輸出進(jìn)行數(shù)字化處理來(lái)最小化噪聲，而不是在數(shù)字化之前通過(guò)長(zhǎng)電纜返回低電平信號(hào)。

熱電偶是工業(yè)溫度測(cè)量的常用傳感器，因?yàn)樗鼫?zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)高效、廣泛可用且適用于廣泛的溫度范圍。它由兩根不同金屬或金屬合金的導(dǎo)線組成，在感應(yīng)端焊接在一起（通常稱為熱端）。熱電偶輸出是導(dǎo)線另一端（稱為冷端）的電壓差，必須保持在已知溫度。產(chǎn)生熱電偶電壓的塞貝克效應(yīng)（約1921年）結(jié)合了珀?duì)柼?yīng)（約1834年）和湯普森效應(yīng)（約1851年）。

術(shù)語(yǔ)熱端和冷端是通過(guò)歷史使用產(chǎn)生的。事實(shí)上，如果應(yīng)用需要，冷端可以比熱端更暖。在這種情況下，熱電偶輸出電壓的極性只是反轉(zhuǎn)。因此，熱電偶測(cè)量其熱端和冷端之間的溫差，而不是冷端的絕對(duì)溫度。

熱電偶輸出電壓已列出許多金屬和合金對(duì)的表格。1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)由單個(gè)大寫字母表示，例如“K”表示鉻鋁-鋁合金熱電偶。表格數(shù)據(jù)基于0°C的假設(shè)冷端溫度。

要獲得熱端檢測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)溫度，必須測(cè)量冷端溫度并相應(yīng)地調(diào)整熱電偶的輸出。這種技術(shù)稱為冷端補(bǔ)償。當(dāng)熱電偶在 1800 年代中期首次使用時(shí)，通過(guò)將冷端保持在冰和蒸餾水的平衡混合物中來(lái)獲得絕對(duì)測(cè)量值，從而建立一個(gè)真正的 0°C 參考點(diǎn)。

熱電偶溫度傳感器需要使用與熱電偶線相同的材料制成的特殊電纜和連接器。因此，市場(chǎng)提供了一系列商用熱電偶，代表各種封裝、尺寸和類型的組合，以及完整的電纜、連接器和配件選擇。2,3

位于熱電偶信號(hào)處理模塊輸入端的冷端等溫通常由具有高導(dǎo)熱性的小塊材料維持。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為381W/m°K。 （一度在攝氏度、攝氏度和開爾文尺度中具有相同的星等。輸入連接必須電氣隔離，但與板坯熱連接。理想情況下，整個(gè)信號(hào)處理模塊應(yīng)包含在這種等溫環(huán)境中。

信號(hào)處理電路由一個(gè)低電平直流放大器（熱電偶信號(hào)在μV/°C范圍內(nèi)）、一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)冷端補(bǔ)償電路、一個(gè)帶內(nèi)部基準(zhǔn)的ADC、一個(gè)熱電偶開路檢測(cè)器和報(bào)警指示器以及一個(gè)數(shù)字輸出接口組成。所有這些功能現(xiàn)在都集成在MAX6674和MAX6675等小型IC中，需要連接熱電偶和電源電壓。串行輸出是熱電偶檢測(cè)點(diǎn)溫度的數(shù)字表示。

MAX6674/MAX6675熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路可與鉻鋁（K型）熱電偶配合使用。MAX6674的溫度范圍為0至+128°C，分辨率為0.125°C;MAX6675的溫度范圍為0至1024°C，分辨率為0.25°C。 兩款I(lǐng)C均具有SPI?兼容接口，可與微控制器或類似的本地智能配合使用。如果感應(yīng)點(diǎn)遠(yuǎn)離控制器，則在其感測(cè)點(diǎn)附近對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。

與其他低電平電路一樣，熱電偶的信號(hào)處理模塊對(duì)EMI敏感，熱電偶線經(jīng)常暴露在EMI中。（電線拾取的干擾噪聲水平與其長(zhǎng)度成正比。EMI的存在增加了接收信號(hào)的不確定性，并破壞了采集的溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這種連接所需的特殊熱電偶電纜價(jià)格昂貴，如果無(wú)意中被另一根電纜替換，則結(jié)果可能難以診斷。

最小化噪聲的常用選項(xiàng)包括將控制電路移動(dòng)到檢測(cè)點(diǎn)附近;在傳感點(diǎn)附近添加具有本地智能的遠(yuǎn)程板;并引入復(fù)雜的信號(hào)濾波和電纜屏蔽。更好的是，圖1所示電路對(duì)檢測(cè)點(diǎn)附近的熱電偶輸出進(jìn)行數(shù)字化處理。

圖1.MAX6674/MAX6675由3000英尺電纜遠(yuǎn)端的電源電壓供電，通過(guò)在檢測(cè)點(diǎn)附近對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，將EMI的影響降至最低。

MAX6674/MAX6675的SPI接口由本地脈沖序列發(fā)生器（IC2和IC3）驅(qū)動(dòng)。IC2和IC3共同迫使MAX6674/MAX6675以4800波特、每秒4個(gè)字符產(chǎn)生一系列異步串行字符：1個(gè)起始位、11個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位（MAX6675為13個(gè)數(shù)據(jù)位）。MAX6674的11個(gè)數(shù)據(jù)位包括10個(gè)用于溫度的直二進(jìn)制數(shù)據(jù)位（MSB優(yōu)先）和1位用于警告開路熱電偶。MAX6675提供12個(gè)數(shù)據(jù)位和1位報(bào)警。

晶體穩(wěn)定振蕩器保證了數(shù)據(jù)的波特率精度。熱電偶的傳感尖端必須電絕緣，電路才能正常工作。還必須確保MAX6674/MAX6675始終保持在-20°C至+85°C的工作溫度范圍內(nèi)。

該電路通過(guò)雙絞線電纜連接到遠(yuǎn)處的電源和數(shù)據(jù)接收器，雙絞線電纜將電源路由到電路并將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)帶回?cái)?shù)據(jù)接收器。溫度測(cè)量由MAX6674/MAX6675內(nèi)部的10位ADC進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換，并以串行數(shù)據(jù)字的形式提供給電纜。圖2所示為MAX6674產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)端數(shù)字化儀通過(guò)3000英尺長(zhǎng)的雙絞線傳輸。數(shù)據(jù)表明熱電偶處于良好的工作狀態(tài)，并檢測(cè)到21.875°C的溫度。

圖2.該串行數(shù)據(jù)字在圖1中的數(shù)據(jù)接收器終端A和B處接收。數(shù)據(jù)表示溫度為21.875°C，由電纜另一端的熱電偶感測(cè)。

審核編輯：郭婷