(外文翻譯)冷端補償專用芯片MAX6675說明書.doc

熱電偶冷端補償?shù)膽?yīng)用摘要：熱電偶是一種應(yīng)用最廣泛的溫度測量設(shè)備，因為其具有堅固性，可重復(fù)性，并且反應(yīng)靈敏。熱電偶應(yīng)用說明書的定義是建立在其可操作性的基礎(chǔ)上，其中包括冷端的定義和其功能。熱電偶的應(yīng)用說明書也為那些基于應(yīng)用需求進(jìn)行冷端測量設(shè)備的使用者具有導(dǎo)向作用。以下將為您展示三種不同的電路。介紹：在眾多的溫度傳感器中，熱電偶是最為常見的一種，如果你仔細(xì)留心觀察，你會發(fā)現(xiàn)你可以在很多設(shè)備系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)熱電偶的蹤跡，不管是方便我們出行的汽車，還是每天都要用到的家用電器。比起像電阻溫度器件（RTDs）和溫度傳感集成電路（ICs）類似的測量設(shè)備，熱電偶用最低的成本測量溫度更廣的范圍，另外，加上熱電偶還有堅固性，可重復(fù)性，反應(yīng)靈敏等優(yōu)良性質(zhì)，使得熱電偶在絕大多數(shù)情況下成為首選。但是，使用熱電偶也存在一些不足，熱電偶缺乏線性是值得注意的，雖然熱電偶比起電阻溫度器件（RTDs）和溫度傳感集成電路（ICs）能測量的溫度范圍要更廣，但是線性卻更少。還有電阻溫度器件（RTDs）和溫度傳感集成電路（ICs）比起熱電偶來說有更好的靈敏度和精確度，這是精確應(yīng)用中兩個必須注意的特性。熱電偶還有一個不足就是它的發(fā)送信號的能力非常的弱，這時候就需要擴大或者高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器處理信號。盡管熱電偶有以上一些不足，但是其低成本，易用性，加上能測量較廣的溫度范圍，使得他在應(yīng)用中還是很流行。熱電偶的基礎(chǔ)：熱電偶是一種差分溫度測量設(shè)備，其兩根線是由不同的兩個金屬構(gòu)成，一根是預(yù)先設(shè)定為正極，另外的一根就是負(fù)極。表1中列舉出了四種常見的熱電偶。不管是金屬或者是合金在一定的溫度范圍內(nèi)都允許。在特定的溫度范圍內(nèi)每種類型的熱電偶都有其獨特的熱電偶特性。表一：熱電偶的基本特性類型活潑金屬/合金惰性金屬/合金溫度范圍（）T銅康銅-200至+350J鐵康銅0至+750K鉻鋁鎳合金-200至+1250E鉻康銅-200至+900像圖a一樣，如果兩個不同的金屬共同形成兩個不一樣的電極，這種通過電環(huán)產(chǎn)生的電壓使得兩個不同電極之間的溫度不同，這種現(xiàn)象就是眾所周知的塞貝克效應(yīng)。認(rèn)為在這個過程中熱能轉(zhuǎn)化為了電能。與這種觀點完全對立的帕爾貼效應(yīng)認(rèn)為是電能轉(zhuǎn)化為了熱能，在熱電冷卻器的觀察中說明了這點。從圖1a中顯示的輸出電壓中可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱結(jié)電壓和參考冷電壓之間的差值的不同，輸出的電壓也會有一定的偏差，這是因為熱結(jié)電壓和參考冷電壓由兩端不同的電極產(chǎn)生，輸出電壓還與溫度不同有關(guān)系。溫度系數(shù)a，和溫度不同導(dǎo)致電壓不同有關(guān)聯(lián)，被稱為貝克賽系數(shù)。圖1a。在兩個不同節(jié)點之間的溫差熱電偶產(chǎn)生的回路電壓是貝克賽系數(shù)導(dǎo)致的的結(jié)果。圖1b最常見的熱電偶裝備在熱電偶連接的一端接入兩線，每根導(dǎo)線的開口端都連接到了銅質(zhì)的等溫器。圖1b所闡述的裝置已經(jīng)被廣泛的使用在熱電偶的應(yīng)用中。這個裝置介紹了三分之一的金屬（也被稱為中間金屬）成環(huán)外加兩個結(jié)點。在這個例子中，每根電線的開口端連接到通電線端或者連接到有銅制的導(dǎo)線端。這些連接引出了系統(tǒng)中另加的兩個結(jié)點。只要這兩個結(jié)點處于同一水平溫度下，這個中間金屬也就是銅對輸出電壓不會產(chǎn)生任何影響。這個裝置使得熱電偶的使用不需要一個單獨的參考結(jié)點。輸出電壓任然可以測出冷端和熱端之間的溫度差，這就和塞貝克溫度系數(shù)有關(guān)。然后，因為熱電偶要測量溫度的差異，所以人們一定要知道冷端節(jié)點的溫度這樣才能推斷出真正的熱端結(jié)點的溫度。最簡單的一個例子就是當(dāng)冷端結(jié)點處于零度的情況下，普遍說成是冰水參考溫度。如果冷端結(jié)點的溫度為零，在這個情況下輸出電壓就是熱端溫度。在這種情況下電壓測量出的熱端溫度就直接可以看成是熱端的真實溫度。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）提供查找包括熱電偶電壓和表征數(shù)據(jù)的表。各種類型的熱電偶溫度。但是這些數(shù)據(jù)都是建立在冷端結(jié)點溫度處于零攝氏度的情況之下，在冷攝氏度做參考的情況下，你可以通過找到適當(dāng)?shù)谋砣ネ茢喑鲈跓岫说臏囟仁嵌嗌?。在早期的熱電偶的?yīng)用中，冰浴參考服務(wù)于標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶應(yīng)用，但是冰浴參考在絕大多數(shù)情況下已經(jīng)沒有可用性了。因此，當(dāng)冷端溫度不是零攝氏度的時候，我們必須要知道冷端的真實溫度從而才能知道熱端的真實溫度。由于電壓是由非零的冷端溫度產(chǎn)生，所以輸出電壓也必須得到補償。選擇一個冷端溫度測量的設(shè)備綜上所述，如果想要實施冷端補償，冷端結(jié)點的溫度必須是可控的。而且這種計算可以在任何類型的溫度測量儀器中完成。在類似的測量儀器中比較受歡迎的設(shè)備有：溫度傳感電路，熱敏電阻，還有RTDs，每一種設(shè)備相對于其他家庭設(shè)備來說有其優(yōu)點當(dāng)然也會存在不足。所以一個特定的應(yīng)用需求決定使用哪種測量設(shè)備。因為應(yīng)用需要非常的精確，所以一個校準(zhǔn)的鉑熱電阻在大范圍的溫度差中使用最有效。最好的效果當(dāng)然也是花費最大的。如果想要降低花費測量應(yīng)用的話，熱敏電阻和硅溫度傳感電路可以代替，但是精確度沒有那么高。熱敏電阻比硅溫度傳感電路計算的溫度范圍更廣。盡管如此，硅溫度傳感電路因為其線性度而更受人們歡迎。要改正熱敏電阻的非線性需要在微控制器系統(tǒng)中做的工作太多了。硅溫度傳感電路雖然有靈活的線性度但是能計算的溫度范圍太狹窄了?？偟膩碚f，一個冷端溫度測量設(shè)備一定要匹配要求的系統(tǒng)使用。在任何溫度測量設(shè)備的應(yīng)用中，精確度、溫度范圍、花費、線性度在選擇過程中都是非常重要的考慮因素。為了選擇成本和性能最好的結(jié)合，每個方面都必須考慮清楚。統(tǒng)計數(shù)字一旦你建立了一個冷端補償?shù)姆椒?，這個補償?shù)妮敵鲭妷罕仨毞g成相應(yīng)的溫度，一個簡單的翻譯方法可以使用國家統(tǒng)計局的查找表。在軟件中應(yīng)用查找表需要保管局保存記憶。檔測量需要連續(xù)重復(fù)的時候，表提供了一個快速精確的解決方案。另外兩個方法將熱電偶電壓翻譯成溫度除了查找表之外還需要一些其他的工作程序。1：線性近似使用多項式系數(shù)；2：熱電偶模擬線性的輸出信號。軟件的線性近似是非常流行的因為只有保管局的預(yù)定多項式的系數(shù)是必須得。對于這種方法存在的不足之處是：這個處理時間和處理多節(jié)多項式有聯(lián)系。這個處理時間增加了高階多項式，當(dāng)處理范圍較廣的溫度是，高階多項式又是必須得。當(dāng)需要高階多項式的時候，查找表會比線性近似提供更高的精度和效率。在現(xiàn)代軟件之前，模擬線性化被普遍的使用在將電壓轉(zhuǎn)換為溫度的應(yīng)用中（除了通過查找表的手動搜索）這種基于硬件的方法使用模擬電路配合非線性熱電偶的反應(yīng)。這種精確度依靠校正估計的使用。接受熱電偶信號這種方法任然是常用的萬用表。應(yīng)用電路接下來的例子向我們展示了使用硅溫度集成電路的三種冷端補償方法。這三種電路僅僅只能解決很小的冷端溫度補償范圍（0到70還有-40到85），測試結(jié)果精確到幾度。電路1包括一個靠近冷結(jié)點的局部溫度感應(yīng)芯片其功能是確定溫度。電路2是一個遠(yuǎn)程二極管傳感器，他是在二級管連接器上直接由一個二極管晶體直接安裝的。電路三是一個包含冷端補償?shù)哪ｋ娹D(zhuǎn)換器。K型的熱電偶是由鎳鋁和鎳鉻組成，而這三種電路使用的就是K型的熱電偶。例1：在圖2所顯示的電路中，一個16位的ADC轉(zhuǎn)換為低級別的的熱電偶電壓以一個6進(jìn)制的串行電路輸出。一個集成可編譯增益放大器增加ADC的分辨率。而當(dāng)在低級別的熱電偶信號下工作時及乘客便衣增益放大器又是經(jīng)常需要的。一個溫度感應(yīng)芯片，非常靠近熱電偶連接器。其主要功能是測量冷端結(jié)點附近的溫度。這種測量方法是基于我們假設(shè)芯片的溫度是大致接近于冷端節(jié)點的溫度。這種方法是基于假設(shè)集成電路的溫度大致和冷端的溫度一致，從冷端溫度傳感器輸出的電壓通道2的ADC轉(zhuǎn)化，這個溫度集成片上的2.56孚的電壓參考避免了需要單獨的參考集成電路。圖2本地溫度檢測IC（MAX6610）確定冷結(jié)溫度。溫度感應(yīng)IC靠近熱電偶連接器（冷端）。熱電偶的輸出電壓和冷端溫度傳感器是由一個16位的ADC轉(zhuǎn)換（MX7705）.在在雙極模式操作時，ADC可以轉(zhuǎn)換熱電偶電壓水平的正面和負(fù)面的目前在通道1.通道2的ADC轉(zhuǎn)換成單端輸出電壓的MAX6610微控制器處理的數(shù)字信號。溫度檢測IC的輸出電壓正比于測量冷端溫度。要確定熱端的實際溫度，你必須首先確定冷結(jié)溫度。然后使用K型熱電偶由國家統(tǒng)計局提供的翻譯冷端溫度查找表到對應(yīng)的熱點電壓。PGA的增益校正后，將此電壓數(shù)字化熱電偶讀數(shù)。然后轉(zhuǎn)換成溫度的總和，再次使用的查找表，其結(jié)果是在熱端的實際溫度。表2顯示其測量掃地時冷測量的準(zhǔn)確度在很大程度上取決于本地溫度檢測IC和的準(zhǔn)確性烘箱溫度。表2：圖2電路的冷端和熱端的樣品測量獨立烤箱冷端溫度（）熱端測量溫度（）測量值#1-39.9+101.4測量值#20.0+101.5測量值#3+25.2+100.2測量值#4+85.0+99.0上述表格中“熱端測量溫度”得值是經(jīng)過補償，熱解溫度測量電路。示例2：在圖3中遠(yuǎn)程二極管溫度檢測IC測量電路的冷結(jié)點溫度。不像本地溫度檢測IC，遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器需要靠近冷端，因為它不是使用外部連接成二極管的晶體管測量冷端溫度。這種晶體管是直接安裝在熱電偶接頭固定夾。溫度檢測IC轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號從這個二級管連接的晶體管中。ADC的通道1將熱電偶電壓裝換成數(shù)字輸出。未使用的ADC通道2并連接到地面。ADC的參考輸入時美聯(lián)儲由一個穩(wěn)定的2.5V電壓參考IC。圖3：遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器IC不必靠近冷端，因為它使用一個外部二極管感測溫度。此二極管可直接安裝的選件上的固定夾熱電偶接頭。該MAX6002提供了一個穩(wěn)定的2.5V的參考電壓的ADC表3顯示測量冷端溫度席卷從-40至85，而熱端溫度保持在100測量的準(zhǔn)確度取決于精度遠(yuǎn)端二極管溫度檢測IC和烤箱溫度。表3：圖3電路的冷端和熱端的樣品測量獨立烤箱冷端溫度（）熱端測量溫度（）測量值#1-39.8+99.1測量值#2-0.3+98.4測量值#3+25.0+99.7測量值#4+85.1+101.5上述表格中“熱端測量溫度”的值是經(jīng)過補償，熱結(jié)溫度測量從電路。示例3：圖4包括IC結(jié)合了一個12位的ADC具有溫度檢測二極管。溫度檢測二極管轉(zhuǎn)換成電壓的環(huán)境溫度。IC需要的電壓和熱電偶電壓并計算補償后的熱端溫度。數(shù)字輸出是經(jīng)過補償?shù)臒岫擞袩犭娕紲y的溫度。此設(shè)備是保證溫度誤差在9LSBs熱端的溫度為0至700。雖然這種裝置可以測量寬范圍的熱交界處的溫度，但是他可以測量的溫度低于0攝氏度。圖4：集成冷結(jié)補償?shù)腁DC，將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換，而不需要外部補償。表4顯示從圖4的電路測量冷端溫度0攝氏度到正負(fù)70攝氏度，同時保持熱結(jié)點在100攝氏度。表4：圖4電路的冷端和熱端的樣品測量獨立烤箱冷端溫度（）熱端測量溫度（）測量值#1-0.0+100.25測量值#2+25.2+100.25測量值#3+50.1+101.0測量值#4+70.0+101.25值出現(xiàn)在列