溫度是測量最頻繁的物理參數(shù)。不過，溫度測量技術(shù)卻被嚴(yán)重誤解，通常會(huì)導(dǎo)致高度不精確或無意義的數(shù)據(jù)。本應(yīng)用筆記旨在澄清部分常見誤解，并提供一些有趣和實(shí)用的電路解決方案。
溫度傳感器技術(shù)
目前最常用的電子溫度測量器件包括熱電偶、電阻式溫度檢測器(RTD)、熱敏電阻和集成電路溫度傳感器。這些器件各有相關(guān)應(yīng)用優(yōu)勢和局限，如表1所述。
表1. 傳感器比較
熱電偶特性
熱電偶是使用最廣泛的儀器儀表溫度傳感器。因此，(美國)國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)已經(jīng)廣泛表征各種金屬組合，即J型(鐵-康銅)、K型(鎳鉻-鎳鋁)、E型(鎳鉻-康銅)和T型(銅-康銅)。熱電偶質(zhì)量包括固有精度、寬溫度范圍、快速熱響應(yīng)、耐用性、低成本、可重復(fù)性和應(yīng)用多功能性。除廣泛使用外，熱電偶也是誤解最多的溫度傳感器。冷結(jié)補(bǔ)償、塞貝克系數(shù)、等溫連接或模塊等等術(shù)語已經(jīng)攪得許多用戶暈頭轉(zhuǎn)向。本應(yīng)用筆記解釋了這些術(shù)語，并提供信息來幫助讀者精確、輕松地測量溫度。
熱電偶環(huán)路
兩根異質(zhì)金屬導(dǎo)線兩頭相連便構(gòu)成基本的熱電偶環(huán)路(參見圖1a)。此環(huán)路產(chǎn)生的電壓與兩結(jié)點(diǎn)間的溫度差異成正比。由于熱電偶基本上是差分溫度測量器件，測量單一溫度時(shí)需要得知結(jié)點(diǎn)之一(基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn))的溫度。熱電偶使用者依賴各種技術(shù)來確定和補(bǔ)償基準(zhǔn)或“冷”結(jié)溫度。
圖1a. 熱電偶環(huán)路
冰點(diǎn)基準(zhǔn)
所有熱電偶(如NBS表格所列)的電壓輸出以0℃為基準(zhǔn)。這意味著僅在基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)保持在0℃時(shí)熱電偶兩端的電壓才對應(yīng)于測量結(jié)點(diǎn)的溫度。這可以用圖1b所示的冰點(diǎn)單元和“冰池”來完成。不幸的是，這些方法笨拙、昂貴，僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可行。在量產(chǎn)環(huán)境中，將基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)維持在0℃不切實(shí)際。
圖1b. 冰點(diǎn)基準(zhǔn)
中間金屬法則
實(shí)際操作中，為了避免明顯基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)（如圖1a所示），實(shí)施等效于基本熱電偶環(huán)路的直接連接（參見圖1c）。依據(jù)中間金屬法則，只要連接具有相同溫度，連接到熱電偶兩種不同金屬的第三種金屬（大多數(shù)情況為銅）對輸出電壓無任何影響。
圖1c. “間接”基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)
實(shí)用熱電偶測量
在量產(chǎn)環(huán)境中，可對基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)形成的電壓進(jìn)行冰點(diǎn)補(bǔ)償。這可以借助向熱電偶環(huán)路增加電壓的電路來完成，電壓等于基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)電壓但方向相反（參見圖1d）。
圖1d. 冷結(jié)補(bǔ)償
AD594/AD595正是包含此功能的器件。框圖和基本連接如圖2所示。內(nèi)部冰點(diǎn)補(bǔ)償模塊監(jiān)控基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度，并在內(nèi)部求和結(jié)點(diǎn)為熱電偶環(huán)路增加適當(dāng)?shù)碾妷骸４藘綦妷航又糯笾?0mV/℃的標(biāo)稱輸出。AD594經(jīng)工廠校準(zhǔn)用于J型熱電偶，而AD595設(shè)置用于K型。
圖2. AD594/AD595框圖
塞貝克系數(shù)
熱電偶的塞貝克系數(shù)定義為給定溫度下熱電壓相對于溫度的變化速率，通常用μV/℃表示。熱電偶非線性表示為此系數(shù)隨溫度的變化。圖3提供了各種熱電偶的塞貝克系數(shù)曲線圖。
圖3. 塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系
熱電偶類型
一般用于區(qū)分熱電偶類型的兩個(gè)特性是靈敏度和操作溫度范圍。圖4中的曲線圖針對某些常見金屬組合描述上述特性。
雖然經(jīng)工廠校準(zhǔn)用于調(diào)理J型熱電偶，利用簡單的外部調(diào)節(jié)，AD594也可調(diào)理E型熱電偶，如AD594/AD595數(shù)據(jù)手冊中所示。校準(zhǔn)用于K型熱電偶的AD595也可直接連接到T型熱電偶，且附加誤差小于0.2℃。
圖4. 熱電偶輸出與溫度的關(guān)系
利用AD594/AD595優(yōu)化性能
用AD594或AD595實(shí)現(xiàn)完整額定精度需要遵循以下設(shè)計(jì)原則：
1. 冷結(jié)誤差
AD594/AD595采用片內(nèi)冷結(jié)補(bǔ)償。為使此功能發(fā)揮作用，器件必須保持在與熱電偶冷結(jié)相同的溫度下。避免其他元件或熱源直接接觸AD594/AD595，否則散熱可能導(dǎo)致冷結(jié)補(bǔ)償相關(guān)誤差。(AD594/AD595僅吸收160μA靜態(tài)電源電流；這可以最大程度地減少自熱相關(guān)誤差。)
2. 電路板布局
圖5所示的印刷電路板連接布局(具有可選校準(zhǔn)電阻)在冷結(jié)與AD594/AD595間提供了熱均衡。這里器件與電路板在引腳1和14下通過銅印刷電路板走線進(jìn)行熱接觸。基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)現(xiàn)由銅-康銅(或銅-鎳鋁)連接和銅-鐵(或銅-鎳鉻)連接構(gòu)成，兩者均保持在與AD594/AD595相同的溫度下。
圖5. PCB連接
3. 焊接
為確保安全焊接并將I × R壓降降至最低，應(yīng)在焊接前清潔熱電偶導(dǎo)線以消除氧化。非腐蝕性焊劑對于鐵、康銅、鎳鉻和鎳鋁及以下焊料有效：95%錫-5%銻、95%錫-5%銀或90%錫-10%鉛。
4. 接地考量
AD594/AD595輸入級的晶體管需要偏置電流從熱電偶輸入流至地面。如果未提供此路徑，這些電流將迫使輸入級中斷，導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)。為提供返回路徑，應(yīng)使用直接接地連接。
5. 將噪聲降至最小
引腳9、10以及10、11間的補(bǔ)償電容可最大程度地降低熱電偶所拾取的高頻噪聲的放大。圖6所示值在60Hz下提供零值，但會(huì)增加電路響應(yīng)時(shí)間。
為避免接地線路中的I × R壓降，所有接地點(diǎn)應(yīng)直接連接到中央點(diǎn)。結(jié)合0.1μF電容的100Ω電阻可過濾掉電源線路上的紋波和瞬態(tài)尖峰。
圖6. 通過濾波、補(bǔ)償和接地減少誤差
擴(kuò)展環(huán)境溫度誤差計(jì)算
AD594/AD595的額定環(huán)境工作溫度范圍為0至50℃，以便將熱電偶非線性(變化塞貝克系數(shù))相關(guān)誤差降至最小，并優(yōu)化25℃環(huán)境的精度。AD594/AD595冰點(diǎn)補(bǔ)償電壓為線性，且匹配熱電偶輸出在0至50℃范圍內(nèi)的最佳擬合直線。在此范圍以外，熱電偶與補(bǔ)償電壓間的偏差會(huì)越來越明顯。這意味著雖然AD594/AD595在額定溫度范圍以外可以正常工作，但可能無法保持在額定溫度穩(wěn)定性誤差限制內(nèi)。表II提供了與商用、工業(yè)、和擴(kuò)展環(huán)境工作溫度范圍相關(guān)的最大計(jì)算誤差列表。環(huán)境溫度指的是器件和基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。測量結(jié)點(diǎn)可處于熱電偶額定限制內(nèi)的任何溫度。
表II. 各種環(huán)境溫度下的最大計(jì)算誤差
電路概念
可選調(diào)整方案
圖7中的電路將AD594/AD595的殘留校準(zhǔn)誤差歸零。通過向-T(引腳5)注入對應(yīng)于大約-3℃失調(diào)的電流，15MΩ電阻確保失調(diào)為負(fù)。調(diào)整
電位器(RCAL)允許向+T(引腳3)注入平衡電流，從而將“強(qiáng)制”負(fù)失調(diào)調(diào)整至零值。利用此電路，可以通過單次單向調(diào)整將任何校準(zhǔn)誤差歸零。
圖7. 校準(zhǔn)誤差調(diào)節(jié)
華氏輸出
圖8說明了允許用戶直接讀取10mV/°F電壓輸出的電路。溫標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：
華氏度= (9/5)(攝氏度)+ 32
完全實(shí)施于硬件中。注入引腳3的200nA/℃電流產(chǎn)生32°F失調(diào)，同時(shí)輸出端電阻網(wǎng)絡(luò)將增益增加9/5。
為了校準(zhǔn)輸出：
1. 移除熱電偶，向引腳1和14輸入10mV p-p、100Hz的交流信號(hào)。(利用交流激勵(lì)，增益和失調(diào)調(diào)節(jié)相互獨(dú)立。)
2. 針對3.481V(AD594)或4.451V(AD595)的峰峰值輸出調(diào)節(jié)RGAIN。
3. 將0°C冰池或冰點(diǎn)單元內(nèi)的熱電偶重新連接到引腳1和14。
4. 調(diào)節(jié)ROFFSET，直至輸出讀數(shù)為320mV。
在熱電偶處于0℃時(shí)進(jìn)行調(diào)整，AD594/AD595華氏輸出的理想傳遞函數(shù)為：
AD594輸出=(J型電壓 + 919μV)× 348.12
AD595輸出=(K型電壓 + 719μV) × 445.14。
圖8. °C至°F轉(zhuǎn)換
直接平均溫度
平均溫度可直接用單個(gè)AD594/AD595來測量，器件配置如圖9所示。此電路的輸出等于(T1+T2 + T3+ ... TN)/N(單位為°C)乘以標(biāo)稱10mV/℃。無論并聯(lián)連接任何數(shù)量的熱電偶-電阻對，AD594/AD595仍可提供正確的冷結(jié)補(bǔ)償。300Ω串聯(lián)電阻可將熱電偶支路間的循環(huán)電流降至最低。溫度低于/高于均值時(shí)，這些電阻將給熱電偶帶來正/負(fù)平衡壓降。該電路也可為溫度梯度顯著的物體生成精確平均讀數(shù)。
圖9. 測量平均溫度
溫度多路復(fù)用
多路復(fù)用熱電偶信號(hào)可將較大溫度測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(參見圖10)所需的AD594/AD595數(shù)目減至最少。此技術(shù)也有另一重要功能：將多個(gè)基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)連接從端子板組件轉(zhuǎn)換至AD594/AD595上的單一結(jié)點(diǎn)。
通過在AD594/AD595下方放置熱電偶(熱觸點(diǎn)內(nèi))并返回等溫連接器，可以有效地消除在等溫模塊生成的基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)電壓。對于給定的多路復(fù)用器ON位置，康銅(鎳鋁)-銅結(jié)點(diǎn)與銅-康銅(鎳鋁)結(jié)點(diǎn)串聯(lián)地構(gòu)成相等但方向相反的電壓。也就是說，由于模塊等溫，V1 = V2。類似的邏輯可應(yīng)用于鐵(鎳鉻)-銅結(jié)點(diǎn)。
由于這些消除措施，AD594/AD595內(nèi)置的冷結(jié)補(bǔ)償器現(xiàn)在可補(bǔ)償IC正下方的熱電偶。因此，端子板可位于任何遠(yuǎn)程位置。不過，AD594/ AD595和連接的熱電偶應(yīng)保持在0至50℃范圍內(nèi)。
使用AD7502，可通過單個(gè)AD594/AD595監(jiān)控4個(gè)溫度(AD7507允許監(jiān)控8個(gè)溫度)。熱電偶導(dǎo)線約有一半可通過使用單端多路復(fù)用器消除，不過系統(tǒng)將更易受共模噪聲影響。
圖10. 多路復(fù)用熱電偶
失調(diào)和改變增益
圖11所示電路起兩種作用：1)允許用戶向AD594/AD595添加失調(diào)以轉(zhuǎn)換輸出，從而在任何溫度下讀取到0 V(即抑制零)，以及2)改變AD594/AD595增益，產(chǎn)生不同的輸出靈敏度(熱電偶每度變化的輸出電壓變化)。
圖11. 零抑制和靈敏度變化
轉(zhuǎn)換輸出以在非0℃溫度下讀取0 V通過向反饋電阻(引腳8)施加失調(diào)電壓(從而施加于右側(cè)放大器連接到求和節(jié)點(diǎn)的負(fù)輸入)便可實(shí)現(xiàn)。
失調(diào)電壓(摘自AD594/AD595數(shù)據(jù)手冊中的表I輸出列)將零電壓輸出調(diào)換為施加電壓的等效溫度。靈敏度可通過用較大/較小外部電阻取代內(nèi)部反饋電阻來提高/降低。計(jì)算新反饋電阻值的一種方法是：
1. 決定所需輸出靈敏度(單位為mV/℃)。
2. 決定溫度范圍T1至T2。
3. 在該溫度范圍上計(jì)算平均熱電偶靈敏度；(Vε1 - Vε2)/(T1- T2)。
4. 用所需靈敏度除以平均熱電偶靈敏度：(1)結(jié)果 ÷ (3)計(jì)算值。此值即為AD594/AD595的新增益(GNEW)。如果計(jì)算過程無誤，結(jié)果應(yīng)無量綱。
5. 測量實(shí)際反饋電阻(引腳8至引腳5)。
6.
注意：AD595使用247.3代替193.4。
7. 新反饋電阻REXTERNAL = (GNEW~1)(RINTERNAL) =((4)結(jié)果-1)((6)結(jié)果)
利用該技術(shù)，可以用5 V電源和100mV/℃輸出測量300至330℃的溫度范圍，從0 V輸出、300℃開始。可使用4.1V齊納二極管和電阻分壓器抑制零值。
電流模式傳輸
當(dāng)在高噪聲環(huán)境下發(fā)送信號(hào)時(shí)，最好傳輸電流而不是電壓。圖12顯示的是發(fā)送AD594/AD595輸出信號(hào)作為電流，然后在控制點(diǎn)將電流轉(zhuǎn)換回電壓的方法。
圖12. 遠(yuǎn)程溫度測量
此電路中，引腳9的反饋電壓迫使RSENS兩端的電壓等于熱電偶電壓。正確選擇RSENS(AD594為5.11Ω，AD595為4.02Ω)便可生成10μA/℃電流。由于RSENSE兩端電壓等于熱電偶電壓，基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)在AD594/AD595輸入兩端。放大器+ A驅(qū)動(dòng)2N2222
晶體管的基極，從而將輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流。
由于160μA靜態(tài)電流流經(jīng)RSENS，不會(huì)產(chǎn)生任何誤差。然而，這意味著可測量的最小溫度為16℃。電路精度取決于初始AD594/AD595校準(zhǔn)誤差以及RSENS與測量點(diǎn)上1 kΩ電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻間
