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热电偶线性化中的模拟电路权衡

2024-02-05 15:49:44 Bill Schweber 阅读:
工程设计通常在很大程度上都是在满足总体项目目标的同时,对解决各种挑战的方法进行权衡。如何使热电偶输出线性化就是一个例子,它清楚地说明了与这些权衡相关的困难。

工程设计通常在很大程度上都是在满足总体项目目标的同时,对解决各种挑战的方法进行权衡。这些权衡可能是全局性的,如平衡总体功率、尺寸、重量、成本和性能等因素,也可能是局部性的,如确定解决特定问题的“最佳”方法。taMednc

如何使热电偶输出线性化就是一个局部问题,它清楚地说明了与这些权衡相关的困难。热电偶由两根不同的金属线在单点连接而成。它们利用“塞贝克效应”测量从极冷到数百度的大范围温度,而且相当坚固、可靠且可重复(1)。taMednc

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图1:热电偶的物理原理是利用塞贝克效应,沿着两种不同金属的结点产生一个微小但一致的与温度相关的电压。(来源:IQS Directory)taMednc

由于热电偶具有诱人的特性和广泛的适用性,人们在实验室和现场对其进行了广泛的研究。关于它们的性能以及接口电路的方法,有大量的技术数据、教程和文章。EDN美国版网站的传奇作者Jim Williams撰写了许多有关热电偶相关电路的文章;“Clever techniques improve thermocouple measurements”(改进热电偶测量的巧妙技术)就是其中之一。taMednc

美国国家标准局(NBS)是美国国家科学技术研究院(NIST)的前身,该机构与全球其他标准机构共同确定了热电偶的大部分基本数据并将其进行了标准化。工业界和NIST定义了各种标准热电偶类型,包括“贱金属”J、K、T、E和N型,以及温度较高的贵金属R、S、C和GB型。taMednc

线性化

热电偶需要基本的信号调节和放大,因为其输出电压和温度变化相对较小,在微伏(μV)范围内。这种放大只是信号调理的一部分。它们还需要对温度到输出电压的传递函数进行线性化处理,而每种热电偶类型都有独特的非线性曲线,从适度到大幅不等(2)。taMednc

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图2:热电偶需要信号调理来放大其微伏输出并提供线性化。(来源:Microchip Technology Inc.)taMednc

例如,J型热电偶在25℃时变化52μV/℃,在150°C时变化55μV/℃。相比之下,K型热电偶的线性度要高得多,当温度高于0℃时,其线性度相当接近41μV/℃。taMednc

NIST提供了非常详细的表格,说明了热电偶输出电压与温度的关系,精确到许多有效数字。他们还定义了多项式方程和系数,可用于对其输出进行数值线性化。taMednc

从分析角度看,热电偶对温度梯度的电压响应可以通过这些高阶多项式进行非常准确的校正;对于高准确度而言,这可以是一个六阶甚至更高阶的函数(NIST ITS-90热电偶数据)。请注意,“正”多项式根据已知温度提供热电电压,而“逆”多项式根据已知热电电压提供温度。taMednc

工程设计中的权衡问题实际上有两个方面:taMednc

  1. 线性化需要有多准确;
  2. 一旦确定了线性化的准确度,怎样做才是最好的?

有几种方法可以实现所需的线性化。在早期的全模拟电子时代,解决方案是使用运算放大器、二极管和电阻器创建一个互补的镜像非线性电路,从而产生线性输出。为了最大限度地提高性能准确度,同时尽量减少元件数量,这些电路在设计上花费了大量的精力和智慧。taMednc

其中一些较为简单的版本仅用于在有限范围内实现精度,如果这正是应用所需要的。其他版本则采用模拟“断点”设计,在温度曲线上的特定点提供不同量的校正电流,然后将其计入运算放大器功能,以提供所需的宽范围准确度(3)。taMednc

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图3:Jim Williams设计的这种多级全模拟线性化电路可在0°C至600°C范围内为E型热电偶提供1%的输出准确度。(来源:EDN美国版)taMednc

全数字化

基于处理器的简单系统甚至具有浮点运算功能的微控制器的出现,为热电偶输出的线性化开辟了新途径。一种显而易见的方法是使用一个查找表,将电压输出映射到实际温度,这只会带来很小的处理负担。taMednc

根据所需的精密度和准确度,该表的粒度可以非常详细,包含数百行条目;如果所需的准确度较低,内存需求不高,该表也可以只有几行,每行覆盖较宽的范围,而在该范围内对正确答案进行平均。设计人员必须决定他们需要多好的结果,以及他们有多少内存。taMednc

查找表的一些变体使用插值方案来提高每个范围边界之间的准确性。这是在所需准确性、内存和计算资源之间的权衡。taMednc

最“优雅”的解决方案,至少从学术角度来看,是使用高阶逆多项式进行曲线拟合,并配以适当的系数来校正读数:taMednc

t90=d0+d1E+d2E2+…+dnEntaMednc

这里,E的单位为mV,t90的单位为℃。对于E型热电偶,NIST提供了10个多项式系数(n=0到9),并规定最终数值误差小于0.2°C。taMednc

虽然全数值方法可行且所需内存最少,但它的计算量很大,给处理器带来了沉重的负担;对于低端定点处理器来说,这甚至更具挑战性。问题不在于整体求解时间,因为通常不需要毫秒级的温度数据,而是处理器及其计算内核(如果有的话)将非常繁忙,几乎没有时间做其他事情。taMednc

总之,将热电偶电压转换为相应温度这一概念简单的问题,需要设计人员评估他们拥有或能够负担得起的资源(4)。taMednc

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图4:全硬件、基于内存和计算的线性化方法提供了一个评估可用资源和影响之间权衡的清晰例子。(来源:Bill SchwebertaMednc

您是否承担过设计热电偶线性化方法并提供相应温度的任务?您遇到过哪些实际问题?当硬件或软件负担变得越来越明显时,您是否不得不改变您的方法?taMednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:Analog circuit tradeoffs in thermocouple linearization,由Franklin Zhao编译。)taMednc

责编:Franklin
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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