电路对检测点附近的热电偶输出进行数字化处理

本应用笔记定义了热电偶并解释了其历史渊源。本文介绍了一种电路，该电路通过在温度检测点附近对热电偶输出进行数字化处理来最小化噪声，而不是在数字化之前通过长电缆返回低电平信号。

热电偶是工业温度测量的常用传感器，因为它准确、经济高效、广泛可用且适用于广泛的温度范围。它由两根不同金属或金属合金的导线组成，在感应端焊接在一起（通常称为热端）。热电偶输出是导线另一端（称为冷端）的电压差，必须保持在已知温度。产生热电偶电压的塞贝克效应（约1921年）结合了珀尔帖效应（约1834年）和汤普森效应（约1851年）。

术语热端和冷端是通过历史使用产生的。事实上，如果应用需要，冷端可以比热端更暖。在这种情况下，热电偶输出电压的极性只是反转。因此，热电偶测量其热端和冷端之间的温差，而不是冷端的绝对温度。

热电偶输出电压已列出许多金属和合金对的表格。1标准对由单个大写字母表示，例如“K”表示铬铝-铝合金热电偶。表格数据基于0°C的假设冷端温度。

要获得热端检测点的绝对温度，必须测量冷端温度并相应地调整热电偶的输出。这种技术称为冷端补偿。当热电偶在 1800 年代中期首次使用时，通过将冷端保持在冰和蒸馏水的平衡混合物中来获得绝对测量值，从而建立一个真正的 0°C 参考点。

热电偶温度传感器需要使用与热电偶线相同的材料制成的特殊电缆和连接器。因此，市场提供了一系列商用热电偶，代表各种封装、尺寸和类型的组合，以及完整的电缆、连接器和配件选择。2,3

位于热电偶信号处理模块输入端的冷端等温通常由具有高导热性的小块材料维持。铜的导热系数为381W/m°K。 （一度在摄氏度、摄氏度和开尔文尺度中具有相同的星等。输入连接必须电气隔离，但与板坯热连接。理想情况下，整个信号处理模块应包含在这种等温环境中。

信号处理电路由一个低电平直流放大器（热电偶信号在μV/°C范围内）、一个温度传感器、一个冷端补偿电路、一个带内部基准的ADC、一个热电偶开路检测器和报警指示器以及一个数字输出接口组成。所有这些功能现在都集成在MAX6674和MAX6675等小型IC中，需要连接热电偶和电源电压。串行输出是热电偶检测点温度的数字表示。

MAX6674/MAX6675热电偶数字转换器内部电路可与铬铝（K型）热电偶配合使用。MAX6674的温度范围为0至+128°C，分辨率为0.125°C;MAX6675的温度范围为0至1024°C，分辨率为0.25°C。 两款IC均具有SPI™兼容接口，可与微控制器或类似的本地智能配合使用。如果感应点远离控制器，则在其感测点附近对热电偶信号进行数字化处理。

与其他低电平电路一样，热电偶的信号处理模块对EMI敏感，热电偶线经常暴露在EMI中。（电线拾取的干扰噪声水平与其长度成正比。EMI的存在增加了接收信号的不确定性，并破坏了采集的温度数据的准确性。这种连接所需的特殊热电偶电缆价格昂贵，如果无意中被另一根电缆替换，则结果可能难以诊断。

最小化噪声的常用选项包括将控制电路移动到检测点附近;在传感点附近添加具有本地智能的远程板;并引入复杂的信号滤波和电缆屏蔽。更好的是，图1所示电路对检测点附近的热电偶输出进行数字化处理。

图1.MAX6674/MAX6675由3000英尺电缆远端的电源电压供电，通过在检测点附近对热电偶信号进行数字化处理，将EMI的影响降至最低。

MAX6674/MAX6675的SPI接口由本地脉冲序列发生器（IC2和IC3）驱动。IC2和IC3共同迫使MAX6674/MAX6675以4800波特、每秒4个字符产生一系列异步串行字符：1个起始位、11个数据位和1个停止位（MAX6675为13个数据位）。MAX6674的11个数据位包括10个用于温度的直二进制数据位（MSB优先）和1位用于警告开路热电偶。MAX6675提供12个数据位和1位报警。

晶体稳定振荡器保证了数据的波特率精度。热电偶的传感尖端必须电绝缘，电路才能正常工作。还必须确保MAX6674/MAX6675始终保持在-20°C至+85°C的工作温度范围内。

该电路通过双绞线电缆连接到远处的电源和数据接收器，双绞线电缆将电源路由到电路并将数字数据带回数据接收器。温度测量由MAX6674/MAX6675内部的10位ADC进行单次转换，并以串行数据字的形式提供给电缆。图2所示为MAX6674产生的温度数据，这些数据由远端数字化仪通过3000英尺长的双绞线传输。数据表明热电偶处于良好的工作状态，并检测到21.875°C的温度。

图2.该串行数据字在图1中的数据接收器终端A和B处接收。数据表示温度为21.875°C，由电缆另一端的热电偶感测。

审核编辑：郭婷