热电偶测温电路图大全（环路供电/传感器/OP07热电偶测温放大电路详解） - 全文

热电偶测温电路图（一）

高精度热电偶测温电路图

此设计概括了提供传感器诊断所必需的抗混叠滤波器和偏置电阻器。此示例还提供了一种新颖的方式，即使用ADS1118上的板载温度传感器完成对系统的冷端补偿。对于热电偶线性化，此设计还提供了一种非常简单的、可以在大多数微控制器上实施的线性算法。

特性

测量K型热电偶温度

精度1°C

高精度/可重复性0.2°C

包含冷端补偿

包含软件算法

使用ADS111816位ADC（带PGA）

原理图/方框图

热电偶测温电路图（二）

OP07构成的高稳定热电偶测温放大电路

OP07为低漂移（最大电压漂移25vV、最大温漂0.6pcV/C）、低噪声（最大0.6v咋一P）、超稳定性（最大0.6pLV门C．月）、宽电源电压范围（t3~±18V）的高性能运算放大器。

OP07构成的高稳定热电偶测温放大电路如图所示。

由于R3/Rl=R4/R2，因此，OP07构成差分放大器，测温部分为“测温”热电偶和“参考”热电偶，后者置于环境中，前者置于被测物体上，“测温”热电偶上的温度变化转换为热电势，经放大后输出电压。

热电偶测温电路图（三）

电路功能与优势

图1所示电路是一个基于24位Σ-Δ型ADCAD7793的完整热电偶系统。AD7793是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置PGA、基准电压源、时钟和激励电流，从而大大简化了热电偶系统设计。系统峰峰值噪声约为0.02°C。

AD7793的最大功耗仅500μA，因而适合低功耗应用，例如整个发送器的功耗必须低于4mA的智能发送器等。AD7793还具有关断选项。在这种模式下，整个ADC及其辅助功能均关断，器件的最大功耗降至1μA。

AD7793提供一种集成式热电偶解决方案，可以直接与热电偶接口。冷结补偿由一个热敏电阻和一个精密电阻提供。该电路只需要这些外部元件来执行冷结测量，以及一些简单的R-C滤波器来满足电磁兼容性（EMC）要求。

图1.带冷结补偿的热电偶测量系统

电路描述

本电路使用T型热电偶。该热电偶由铜和康铜构成，温度测量范围为−200°C至+400°C，产生的温度相关电压典型值为40μV/°C。

热电偶的传递函数不是线性的。在0°C至+60°C的温度范围，其响应非常接近线性。但是，在更宽的温度范围内，必须使用一个线性化程序处理。

测试电路不包括线性化功能，因此，本电路的有用测量范围是0°C到+60°C。在该温度范围内，热电偶产生0mV至2.4mV的电压。内部1.17V基准电压用于热电偶转换。因此，AD7793的增益配置为128。

AD7793采用单电源供电，热电偶产生的信号必须被偏置到地以上，从而处于该ADC支持的范围。对于128倍的增益，模拟输入端的绝对电压必须在GND+300mV至AVDD–1.1V范围内。

AD7793片上集成的偏置电压发生器偏置热电偶信号，使其共模电压为AVDD/2，确保以相当大的裕量满足输入电压限值要求。

热敏电阻在+25°C时的值为1kΩ，0°C时的典型值为815Ω，+30°C时的典型值为1040Ω。假设0°C至30°C的传递函数为线性，则冷结温度与热敏电阻R之间的关系为：

冷结温度=30×（R–815）/（1040–815）

AD7793的1mA激励电流用于为热敏电阻和2kΩ精密电阻供电。基准电压利用该2kΩ外部精密电阻产生。这种架构提供一种比率式配置，激励电流用于为热敏电阻供电，并产生基准电压。因此，激励电流值的偏差不会改变系统的精度。

对热敏电阻通道进行采样时，AD7793以1倍的增益工作。对于+30°C的最大冷结温度，热敏电阻上产生的最大电压为1mA&TImes;1040Ω=1.04V。

热敏电阻的选择条件是：热敏电阻上产生的最大电压乘以PGA增益的结果小于或等于精密电阻上产生的电压。

对于ADC_CODE的转换值，相应的热敏电阻值R等于：

R=（ADC_CODE–0x800000）&TImes;2000/223

还需要考虑AD7793IOUT1引脚的输出顺从电压。使用1mA激励电流时，输出顺从电压等于AVDD–1.1V。从上述计算可知，电路满足这一要求，因为IOUT1的最大电压等于精密电阻上的电压加上热敏电阻上的电压，等于2V+1.04V=3.04V。　　AD7793以16.7Hz的输出数据速率工作。每读取10个热电偶转换结果，就读取1个热敏电阻转换结果。相应的温度等于：

温度=热电偶温度+冷结温度

AD7793的转换结果由模拟微控制器ADuC832处理，所得的温度显示在LCD显示器上。

该热电偶设计采用6V（2节3V锂电池）电池供电。一个二极管将6V电压降至适合AD7793和模拟微控制器ADuC832的电平。ADuC832电源与AD7793电源之间有一个RC滤波器，用以降低进入AD7793的电源数字噪声。

图2显示了T型热电偶上产生的电压与温度的关系。圆圈内的区域是从0°C到+60°C，该区域内的传递函数接近线性。

图2.热电偶电动势与温度的关系

当系统处于室温时，热敏电阻应指示室温的值。热敏电阻指示的是相对于冷结温度的相对温度，即冷结（热敏电阻）与热电偶的温差。因此，在室温时，热电偶应指示0°C。。

如果将热电偶放在一个冰桶中，热敏电阻仍旧测量环境（冷结）温度。热电偶应指示热敏电阻值的负值，使得总温度等于0。

最后，对于16.7Hz的输出数据速率和128倍的增益，AD7793的均方根噪声等于0.088μV。峰峰值噪声等于：

6.6&TImes;均方根噪声=6.6&TImes;0.088μV=0.581μV

如果热电偶的灵敏度恰好为40μV/°C，则热电偶的温度测量分辨率为：

0.581μV÷40μV=0.014°C

图3所示为实际的测试板。系统评估如下：分别在室温时以及将热电偶放入冰桶的情况下，测量热敏电阻温度、热电偶温度和分辨率。结果如表1所示。

图3.采用AD7793的热电偶系统

从表1可知，热电偶报告的温度正确，热敏电阻则有0.3°C的误差。这是未包括线性化处理时的系统精度。如果对热电偶和热敏电阻进行线性化处理，系统精度将会提高，系统将能测量更宽的温度范围。

如果每读取10次就计算一次最小与最大温度读数之差，则用温度表示的峰峰值噪声为0.02°C。因此，实际的峰峰值分辨率非常接近期望值。

热电偶测温电路图（四）

热电偶测温电路图

热电偶测温电路图（五）

电路功能与优势

图1中的电路在功能上可提供高精度、多通道的热电偶测量解决方案。精确的热电偶测量要求采用精密元件组成信号链，该信号链应当能够放大微弱的热电偶电压、降低噪声、校正非线性度并提供精确的基准结补偿（通常称为冷结补偿）。本电路可解决热电偶温度测量的全部这些难题，并具有±0.25°C以上的精度。

图1中的电路显示将3个K型热电偶连接至AD7793精密24位Σ-Δ型模数转换器（ADC），以测量热电偶电压。由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件，必须知道基准结温才能获得精确的绝对温度读数。这一过程被称为基准结补偿，通常称为冷结补偿。本电路中ADT7320精密16位数字温度传感器用于冷结基准测量，并提供所需的精度。

对于需要在热电偶提供的宽温度范围内进行高性价比的精确温度测量而言，这类应用非常受欢迎。

图1.多通道热电偶测量系统

电路描述

图1中的电路专为使用ADT7320同时测量3个K型热电偶而设计，该器件是一款±0.25°C精度、16位数字SPI温度传感器。

热电偶电压测量

采用热电偶连接器和滤波器作为热电偶与AD7793ADC之间的接口。每个连接器（J1、J2和J3）都直接与一组差分ADC输入相连。AD7793输入端的滤波器可在信号到达ADC的AIN（+）和AIN（−）输入端之前降低任何热电偶引脚上叠加的噪声。AD7793集成片内多路复用器、缓冲器和仪表放大器，可放大来自热电偶测量结点的小电压信号。

冷结测量

ADT7320精密16位数字温度传感器用于测量基准结（冷结）温度，其精度在−20°C至+105°C温度范围内可达±0.25°C。ADT7320完全经过工厂校准，用户无需自行校准。它内置一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位Σ-Δ型ADC，用来测量温度并进行数字转换，分辨率为0.0078°C。

AD7793和ADT7320均利用系统演示平台（EVAL-SDP-CB1Z）由SPI接口控制。此外，这两个器件也可由微控制器控制。

图2.EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板

图2显示带有3个K型热电偶连接器的EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板，AD7793ADC，和ADT7320温度传感器安装在独立柔性印刷电路板（PCB）的两块铜触点之间，用于基准温度测量。

图3是安装在独立柔性PCB上ADT7320的侧视图，该器件插在热电偶连接器的两个铜触点之间。图3中的柔性PCB更薄更灵活，比小型FR4类PCB更具优势。它允许将ADT7320巧妙地安装在热电偶连接器的铜触点之间，以尽量降低基准结和ADT7320之间的温度梯度。

图3.安装在柔性PCB上ADT7320的侧视图

小而薄的柔性PCB还能使ADT7320快速响应基准结的温度变化。图4显示ADT7320的典型热响应时间。

图4.ADT7320典型热响应时间

本解决方案较为灵活，允许使用其它类型的热电偶，如J型或T型。本电路笔记中，选择K型是考虑到其更受欢迎。实际选用的热电偶具有裸露尖端。测量结位于探头壁（probewall）之外，暴露在目标介质中。

采用裸露尖端的优势在于，它能提供最佳的热传导率、具有最快的响应时间，并且成本低、重量轻。不足之处是容易受到机械损坏和腐蚀的影响。因此，不适合用于恶劣环境。但在需要快速响应时间的场合下，裸露尖端是最佳选择。若在工业环境中使用裸露尖端，则可能需对信号链进行电气隔离。可使用数字隔离器达到这一目的。

不同于传统的热敏电阻或电阻式温度检测器（RTD），ADT7320是一款完全即插即用型解决方案，无需在电路板装配后进行多点校准，也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或内存资源。它在3.3V电源下工作时的典型功耗仅为700μW，避免了会降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。

热电偶测温电路图（六）

本文为大家带来的是一款14位4-20mA环路供电型热电偶温度测量系统电路设计图，该电路是一完整的环路供电型热电偶温度测量系统，使用精密模拟微控制器的PWM功能控制4mA至20mA输出电流。具有更高分辨率的PWM驱动4mA至20mA环路的优势，支持温度范围为−200°C至+350°C的T型热电偶。

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的环路供电型热电偶温度测量系统，使用精密模拟微控制器的PWM功能控制4mA至20mA输出电流。

图1.ADuCM360控制4mA至20mA基于环路的温度监控电路

电路原理：本电路将绝大部分电路功能都集成在精密模拟微控制器ADuCM360上，包括双通道24位Σ-Δ型ADC、ARMCortex™-M3处理器内核以及用于控制环路电压高达28V的4mA至20mA环路的PWM/DAC特性，提供一种低成本温度监控解决方案。其中，ADuCM360连接到一个T型热电偶和一个100Ω铂电阻温度检测器（RTD）。RTD用于冷结补偿。低功耗Cortex-M3内核将ADC读数转换为温度值。支持的T型热电偶温度范围是−200°C至+350°C，而此温度范围是4mA至20mA。本电路具有以更高分辨率的PWM驱动4mA至20mA环路的优势。基于PWM的输出提供14位分辨率。电路采用线性稳压器ADP1720供电，可将环路加电源调节至3.3V，为ADuCM360、运算放大器OP193和可选基准电压源ADR3412提供电源。