K型熱電偶的使用流程 PT100熱電阻和K型熱電偶對比

如今，隨著自動化技術的快速發展，人們將其利用在各種生產生活中，減少人力成本投入的同時還極大的提高了生產效率，給生活帶來了巨大的便利。自動控制系統的基本控制方式主要有開環控制和反饋控制等，但不管是哪一種控制方式，前級輸入都是極為重要的。工業生產活動中，溫度都是非常重要的因素，如鋼鐵、化工、石油等行業中溫度往往充斥著整個生產流程，在溫度的測量方式上，有著接觸式和非接觸式兩種方式，其主要區別主要在準確度、測量范圍等，但最重要的還是成本上的差異，當設備需要大量應用時，成本必然是最大的問題。所以選擇合理且低成本的測量方式是尤為重要的，熱電阻、熱電偶等傳感器即是業內使用最廣泛的傳感器之一，常見的熱電阻型傳感器有PT100\PT1000等，熱電偶有T、J、K、E等型號。

圖PT100熱電阻和K型熱電偶對比圖

通過上圖可以了解到二者的優劣點，PT100熱電阻的優勢在于應用簡單，精度高，但測溫范圍有限，相比K型熱電偶成本更高，所以在超高溫場景測量精度要求不高的情況下采用K型熱電偶更有優勢，兩者也有著不同的測量原理。

PT100熱電阻是利用鉑金電阻體的溫度和電阻值之間的線性關系,當電阻處于0攝氏度時，其電阻剛好為100歐姆，導體的電阻值隨溫度的增加而成正比增加，常見有兩線制、三線制等。K型熱電偶由鎳鉻合金和鎳鋁合金兩種金屬材料組成，基本工作原理基于熱電效應，即當兩種不同金屬導體連接成回路時，如果回路的兩個端點溫度不同，就會產生一定的電勢差。這個電勢差與金屬的材料和溫度之間的關系有很強的相關性，因此可以通過測量電勢差來確定溫度。當K型熱電偶的兩端被放置在不同溫度的環境中時，就會產生一個由熱電勢差引起的微小電壓。通過測量這個電壓，就可以間接地得出溫度。通常情況下，K型熱電偶還需要校準和補償，以確保其測量結果的準確性和穩定性，在補償方案上有著很多的選擇，例如采用通用的數字溫度傳感器、熱電阻等，不同類型的器件具有不同的優、缺點，需根據具體應用進行選擇。

K型熱電偶的使用流程可以總結為控制器ADC設備采集傳感器輸出的電壓，將得到的數值通過計算或查表等方法從而得到傳感器溫度。例如計算法是利用多項式系數進行線性逼近，只是需要預先確定多項式系數，不需要存儲，因而是一種更通用的方案。缺點是需要較長時間解多階多項式，多項式階數越高，處理時間越長，這種類型的計算通常不適合使用嵌入式處理或微控制器。在許多情況下，使用查找表通過插值法來確定溫度的效率要高得多。

K型熱電偶是屬于電壓輸出型器件，所以在電路設計上較為簡單，但由于輸出電壓為毫伏級，傳感器精度很大程度上受制于ADC的分辨率，當ADC分辨率過低則無法準確的采集到傳感器信息，所以需要對電壓進行放大處理，常見的選擇是使用運算放大器對輸入信號進行一定倍率的放大后再交由單片機或其他設備的ADC進行采集后對數據進行處理。

在這里筆者使用了一顆國產的16位ADC芯片TM7705作為系統ADC設備連接K型熱電偶傳感器，該芯片具有2個16位全差分輸入通道，對外提供三線SPI接口，可配置1~128倍增益，可以配置單極性或雙極性輸入等特性，單極性輸入時測量范圍為0mV~+VREF，雙極性輸入時測量范圍為±20mV~±VREF，是當前場景下不錯的選擇，芯片初始化流程這里不詳細敘述，主要講與傳感器相關配置通道輸入極性與增益倍率的設置，輸入極性設置例如使用熱電阻類型傳感器采用分壓電路測量電阻的情況下，這時芯片的輸入全由電阻分壓得到，即全是正值，這種情況下采用單極性輸入即可正常使用，當傳感器為熱電偶時，通過查詢傳感器分度表當冷端溫度為0℃時，傳感器溫度在零下時將會產生負電壓輸出，這時則必須將通道設置為差分輸入才能采集到負電壓。關于增益倍率的設置，選取合適的增益倍率可以在一定程度上提高采集的穩定性，同樣查詢傳感器分度表，當傳感器處于最高溫度環境（1370℃）下，輸出的電壓為54.8186毫伏，傳感器最低溫度（-270℃）時，輸出電壓為-6.44577mV，所以當芯片基準電壓為2.5V時，可以設置最大增益為32倍，最大輸入為1.75V ,滿足設備測量范圍20mV~±2.5V的性能要求，關于TM7705其他具體細節芯片網上也有很多相關介紹，在這里便不再贅訴。

當TM7705數據采集完成后，雙極性模式下可以通過以下公式計算出傳感器電壓：

式中:VTC為轉換傳感器熱電勢，Code為從TM7705數據寄存器中讀取到的數據，VREF為芯片的基準電壓，此處為2.5V，Gain為增益倍率，此處為32倍。

假設當前傳感器數據為0xB1CF(H)帶入公式得：

將當前數據帶入計算得到傳感器溫度為730.42℃，但是，僅當冷端溫度已知為0℃時，該值才是正確的。

在最終的計算時，結果判定的依據須以參考端為0℃的熱電動勢,因此需要將參考端不為0℃的熱電動勢修正為參考端溫度為0℃的熱電動勢,然后帶入計算公式中,得到正確的計算結果，既所謂的冷端補償。補償公式如下：

公式中：EAB（t,0）為補償后的熱電偶電動勢；EAB（t，t0）為通過測量得到的傳感器熱電勢；EAB（t0，0）為冷端溫度t0相對與0℃時的熱電勢。

現在假設冷端測得的溫度為25°C，根據K型熱電偶表，這相當于1.000mV的熱電電壓。要獲得熱電偶電壓的精確溫度測量值，需要將熱電偶電壓與等效冷端電壓相加。

將補償后的值EAB(t,0)使用計算法或查表法即可得到傳感器溫度為754.50℃，等效熱電偶溫度和冷端溫度之間的簡單相加將得到755.42°C。由于熱電偶在工作溫度范圍內是非線性的，此處產生了0.92°C的誤差。對熱電偶曲線的非線性進行補償的唯一方法是將冷端溫度轉換為等效電壓，將熱電偶測量電壓與冷端等效電壓相加，然后將結果轉換回溫度。

審核編輯：黃飛