基于AD8495的热电偶测温装置设计.doc

基于AD8495的热电偶测温装置设计王良斌1，程晓琦2（1 焦作大学 机电学院，河南 焦作 4540032 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454003）摘 要：本文提出了一种信号放大冷端补偿一体化的热电偶测温装置设计方案。该方案采用集成了冷端温度补偿功能的热电偶放大器AD8495实现热电偶输出的放大和冷端补偿。本文对冷端补偿和AD8495的原理进行了说明，在此基础上给出了该设计方案的原理图。实验结果表明，AD8495能够根据环境温度的变化自动实现热电偶的冷端补偿，而且成本较低，易于使用。该设备集成度高，应用可靠，可广泛应用于烤箱、气化炉等需要高温检测的设备。关键词： 热电偶； AD8495； 冷端补偿中图分类号：TP216.1文献标识码：B文章编号：2011032500666Design of temperature measurement device of thermocouple based on AD8495WANG Liang Bin1，CHENG Xiao Qi2（1 Department of mechatronic Engineering, Jiaozuo University, Jiaozuo 454003, China2 School of Mechanics and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China）Abstract: This paper proposes a temperature measurement device designing scheme, which has integrated signal amplification and cold junction compensation. This scheme adopts AD8495 to amplify the output of thermocouple and realize cold junction compensation. This paper describes the principles of cold junction compensation, and AD8495, and based on that, gives the schematic of the scheme. Experimental results show that AD8495 can realize cold junction compensation according the environment temperature changes automatically，and it has the advantages of simplified structure, low cost and easy to use. This device can be widely used in ovens, gasifier or other equipments needing high temperature detection for its high integration and high reliability. Key words: thermocouple;AD8495; cold junction compensation在工业生产和生活中，有许多场合需要检测比较高的温度。在磨削加工的过程中，为了控制和防止磨削高温和烧伤，就需要对磨削面的温度进行检测控制；在SMT行业中，为了记录印制板在通过回流焊炉时的情况，需要须将细丝状K型热电偶的探头用焊料或高温胶粘剂固定在印制板的监测点上，并随着印制板一起随炉子的传送网或传送链从炉膛中穿过；在熔化池的窑顶、熔化池的底部、流液洞的侧部，烟囱等处都有热电偶的使用。由此可见，精确、可靠的热电偶测温装置在现代社会中有着重要的作用。但是热电偶是选择冰点当作其标准参考温度的，比较传统的方法是用冰水槽实现冷端的冰点。但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太容易。如果冷端温度不是0C，那么，为了确定实际测量端的温度就必须对热电偶的输出电压进行补偿，即所谓的冷端补偿。吉林大学的凌振宝提出利用DS18B20作为冷端温度传感器，利用软件实现冷端温度补偿1，该方法硬件较为复杂，可靠性较差。东北大学的闫冬梅等人提出采用美国AD公司的专用集成电路芯片AC1226实现热电偶冷端补偿, 并选用AD620对热电偶数的电压信号放大，该方法与传统冷端补偿方法相比，温度补偿精度较高2。Microchip公司推出了一种针对K型热电偶的设计板，该设计板采用具有自动调零功能的MCP6V01运算放大器实现热电偶输出的放大，采用MCP9800数字温度传感器测量环境温度，进而实现冷端补偿，并选用集成A/D转换器的PIC18F2550作为控制芯片把热电偶信号转化成数字值3。虽然该设计板具有较高的精度，但由于采用分立元件，所以可靠性较差，价格较高。本文采用集成冷端温度补偿的热电偶放大器AD8495实现热电偶输出的放大和冷端补偿。该芯片是针对K型热电偶温度测量的，它集成了冰点基准与预校准放大器，能够直接把热电偶信号放大为高电平（5mV/C）输出，具有较高的可靠性。采用TLC2543对AD8495的数据进行模数转换，该芯片具有12位的转换精度，而且采用简单SPI串行输入接口，方便与单片机的连接。最终结果通过CH451控制数码管显示。1 热电偶概述1.1 热电偶的原理热电偶是一种结实耐用的低成本温度传感器，其输出与测量端和冷端之间的温度差成正比。热电偶的结构如图1所示： 参考端（Tn）测量端（T）BA图1热电偶的结构其工作原理是基于赛贝克效应，即：如果A、B是由两种不同成分的均质导体组成的闭合回路，当两端存在温度梯度(T,Tn)时，回路中就有电流通过，那么两端之间就存在赛贝克电势热电势，记为EAB(T,Tn)。热电势的值与组成热电偶的金属材料性质、测量端与冷端的温度差有关，而与热电极的长短、直径大小无关。此不同导体的组合称热电偶，T端称测量端，Tn称为参考端(冷端)4。通过测量EAB(T,Tn)就可以根据下面这个公式计算出测量端的温度了：T=Tn+T= Tn+(EAB(T,Tn) (1)式中T为测量端温度，Tn为冷端温度，EAB(T,Tn)为两端的热电势。1.2 冷端温度补偿由于反映热电偶所测热源温度的热电势是在其冷端温度为0C时测量的，记：T0=0C，而实际应用中热电偶冷端温度往往不是0C，而是受环境影响不断变化，这种环境温度变化可使热电偶的测量产生巨大误差，如不进行冷端补偿必将严重影响设备精确监控。冷端补偿的依据是所谓的中间温度定律5：热电偶AB的测量端温度为T，参考端温度为T0时的热电势EAB(T,T0)等于AB在结点温度分别为T，Tn和Tn，T0时的热电势EAB(T,Tn)和EAB(Tn,T0)的代数和。即：EAB(T,T0)= EAB(T,Tn)+ EAB(Tn ,T0) (2)2 AD849562.1 AD849x介绍AD849x系列芯片分别针对不同的场合设计，温度误差小于2C的情况下，该系列芯片的特点如表1所示：表1AD849x 2C精度温度范围产品型号热电偶类型最大误差冷端温度范围测量端温度范围AD8494J2C0C至50C-35C至+95CAD8495K2C0C至50C-25C至+400CAD8496J2C25C至100C+55C至+565CAD8497K2C25C至100C-25C至+295C由于该系列芯片的管脚定义、封装形式、输出特性都是一样的，所以当应用到不同场合时，可以完全相互取代，而不需要改动电路和程序。AD849x的各管脚定义如图2所示：图2 AD849x引脚配置各管脚的功能如表2所示：表2AD849x管脚功能引脚编码引脚名称功能描述1-IN负输入2REF基准电压。此引脚必须以低阻驱动3-VS负电源4NC不连接5SENSE检测引脚。在测量模式下，连接到输出；在设定点模式下，连接到设定点电压6OUT输出7+VS正电源8+IN正输入2.2 AD8495架构图3显示了AD8495电路的框图：图3 AD8495功能框图AD8495内置一个固定增益的仪表放大器，能够针对K型热电偶产生5mV/C的输出。该放大器具有高共模抑制性能，能够抑制热电偶的长引线拾取的共模噪声。它还内置一个用于冷端补偿的温度传感器，此温度传感器用来测量热电偶的冷端温度并用于冷端补偿。2.3 测量误差分析AD8495测量误差主要有五个来源：1 AD8495初始化校准精度，通过单点温度校准很容易消除初始校准点的误差；2 AD8495环境温度抑制，额定环境温度抑制表示AD8495抑制环境温度变化所引起的误差的能力；3 AD8495增益误差，增益误差是指离开测量结校准点进行测量时的附加误差量；4 热电偶的制造容差； 5 热电偶的线性误差，此误差由热电偶的非线性引起的。3 电路设计该热电偶温度测量装置包括热电偶采集部分，AD8495数据校正部分、A/D转换部分、单片机读取和显示部分。原理图如图4所示：图4测温装置电路设计3.1 热电偶采集与AD8495数据校正热电偶位于高温采集区，采集到的数据传输到AD8495。因为AD8495是针对K型热电偶温度测量的，所以选择K型热电偶才能获得较高的精度。输入到AD8495的微弱信号值经放大、冷端补偿等处理后输出一个与热电偶测量端温度成正比的电压，AD8495输出的精度为5mV/C。为了获得较好的电路特性，在AD8495的输入端之前放置一个低通滤波器。热电偶的长引线会产生天线的作用，拾取许多干扰信号。此滤波器的主要目的是消除RF信号，如果任其输入到AD8495，它可能会被整流，并表现为温度波动。另外还需要通过一个1M的电阻将热电偶接地，该电阻放置在PCB上放大器的负相输入端。如图5所示：图5 热电偶前置滤波器AD8495利用内部温度传感器测量环境温度，从而实现冷端补偿的。它与冷端之间的任何温差都会直接表现为温度误差所以必须让热电偶冷端（热电偶与PCB的连接）尽可能靠近AD8495，如图6所示。图6 补偿热电偶基准接温3.2 A/D转换AD8495输出的电压值需要输入到A/D转化芯片实现模数转换。由于AD8495输出的精度为5mV/C，故如果想获得较高精度的结果，那么A/D转换芯片需要选择10位精度以上的转换芯片。这里选用12位开关电容型逐次逼近模数转换器TLC2543。该芯片有三个控制输入端：片选（CS），输入/输出时钟（I/O CLOCK）以及地址输入端（DATA INPUT）。它还可以通过一个串行的3态输出端（DATA OUT）与主处理器或其外围的串行口通讯，输出转换结果。该芯片采样-保持是自动的，在转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。该芯片中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。3.3 MCU读取并显示考虑到该系统不需要进行复杂的计算与控制，所以选取最简单的STC89C51作为控制芯片。STC89C51从TLC2543中读取转换结果后，采用下面的公式计算出最终的结果：T = (VOUT VREF)/(5 mV/C) （3）其中VOUT为MCU读出的AD8495输出的电压值，VREF是AD8495的REF管脚输入的参考电压。计算出的温度T可以通过数码管显示。该设计方案中，由于AD8495在5V单电源下工作，5mV/C的输出精度使得该设备满足1000C范围的测温需要，故最多只需要4位数码管显示。这里采用CH451作为数码管显示控制芯片。CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及P监控的多功能外围芯片。该芯片内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64只LED发光管，具有BCD译码、闪烁、移位等功能。在本方案中完全可以满足4位数字的温度显示需要。经过试验证明，该方案中AD8495能自动实现热电偶输出的放大和冷端补偿。该装置电路简单，可靠性高，并且具有较高的精度，可广泛应用于精度要求2C时，400C以内的测温场所，或者精度要求不高的情况下，1000C以内的测温场合。参考文献1凌振宝,王君,朱凯光等.数字温度传感器在热电偶冷端补偿中的应用J.传感器技术,2003,22(6):45-46.2闫冬梅,宋爱娟,孙敏.智能便捷式温度仪J.仪器仪表学报,2003,24(4)：121-123.3 Microchip Technology Inc. Datasheet-DS