【導(dǎo)讀】熱電偶測溫易受冷端溫度的干擾，所以需在PCB布板和結(jié)構(gòu)上合理的設(shè)計(jì)才能消除干擾。熱電偶的物理特性決定了，它和其它的傳感器測溫不一樣，熱電偶只能檢測溫度差，是需要冷端的溫度作為參考的，冷端溫度的檢測是否可靠，直接影響熱電偶測溫的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。那么，這個(gè)冷端的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。所以，一個(gè)高性能的熱電偶測溫，不是只要有一個(gè)好的電路方案就夠了。
有些小伙伴在電路設(shè)計(jì)之初，選擇了性能優(yōu)越的測溫芯片和ADC，理論上要達(dá)到性能要求應(yīng)綽綽有余，但實(shí)際測試卻不盡如意，這是為什么呢？其實(shí)，這大概率是冷端溫度的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的。熱電偶的物理特性決定了，它和其它的傳感器測溫不一樣，熱電偶只能檢測溫度差，是需要冷端的溫度作為參考的，冷端溫度的檢測是否可靠，直接影響熱電偶測溫的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。那么，這個(gè)冷端的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，我們以ZAM6218A的Demo評估板為例，一起了解高性能的熱電偶測溫應(yīng)如何設(shè)計(jì)。
如何保證冷端溫度精度
熱電偶線與測量電路連接的端為熱電偶的冷端（參比端），冷端的溫度作為參考溫度，對其檢測的精準(zhǔn)性直接影響了整個(gè)測溫方案的精度。常規(guī)冷端溫度的檢測一般采用鉑電阻、NTC、數(shù)字測溫芯片等，冷端溫度的檢測越接近真實(shí)的冷端溫度，熱電偶整體的測溫精度也就越高。那么，在相同的冷端檢測方案下，如何讓冷端的檢測溫度接近真實(shí)冷端溫度呢？方法其實(shí)不難，通過調(diào)整PCB布局便可輕易達(dá)到。
我們以圖1中ZAM6218A的Dome評估板PCB布板圖為例進(jìn)行說明，圖中的冷端溫度檢測芯片為TMP116，其旁邊為熱電偶線與檢測電路連接的冷端。通過下圖的方式布板后，數(shù)字測溫芯片TM116的檢測溫度與實(shí)際的冷端溫度誤差小于0.1℃。
圖1 TMP116測溫芯片冷端溫度檢測PCB布板
PCB布板要點(diǎn)：
● 冷端溫度檢測傳感器要靠近熱電偶冷端的位置放置，在電氣耐壓間距允許的情況下，越近越好；
● 冷端溫度檢測傳感器和冷端的連接點(diǎn)處要盡可能的增加鋪銅面積，不僅可以將真實(shí)冷端溫度與數(shù)字測試芯片檢測的溫度拉到同一水平，還能降低因環(huán)境溫度變化帶來的干擾；
● 熱電偶冷端連接處的鋪銅區(qū)與檢測電路的鋪銅區(qū)要完全隔離開，避免檢測電路產(chǎn)生的熱量通過鋪銅傳遞到冷端。
如何保持冷端溫度穩(wěn)定
在熱電偶溫度采集過程中，環(huán)境溫度穩(wěn)定也非常重要。由于冷端傳感器并不是直接通過電氣連接的方式來檢測真實(shí)冷端的溫度，當(dāng)真實(shí)冷端處在溫度分布不均的空間環(huán)境下，冷端傳感器檢測的溫度與冷端的實(shí)際溫度之間是有較大偏差的，這就導(dǎo)致熱電偶產(chǎn)生了極大的測溫偏差，在環(huán)境相對惡劣的情況下甚至?xí)a(chǎn)生2℃以上的測溫偏差，如帶有散熱風(fēng)扇的機(jī)柜，其風(fēng)扇產(chǎn)生分布不均的風(fēng)速嚴(yán)重影響冷端溫度的檢測。那么我們?nèi)绾伪３汁h(huán)境溫度相對穩(wěn)定呢？
我們還是以ZAM6218A的Dome評估板為例，圖2為評估板實(shí)物圖，在評估板冷端位置設(shè)計(jì)一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)件，以降低環(huán)境的干擾，同時(shí)還可將多通道的冷端溫度拉到同一溫度線。
圖2 ZAM6218A的Dome評估板實(shí)物
結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
● 熱電偶測溫電路板的兩面增加類似于保護(hù)罩的結(jié)構(gòu)件，選用常規(guī)塑膠的即可，對精度要求比較高的，可以選用導(dǎo)熱率高的金屬結(jié)構(gòu)件，實(shí)際測試塑膠件和金屬件對精度影響差別不大；
● 結(jié)構(gòu)件要具有一定的氣密性，空氣中的氣流不能輕易透過電路板，尤其是冷端；
● 結(jié)構(gòu)件是金屬類的，需要在結(jié)構(gòu)件與冷端之間增加導(dǎo)熱率高的絕緣材料；
● 結(jié)構(gòu)件是塑膠類的；結(jié)構(gòu)件與冷端之間需要留有一定空間，不要與之接觸。
ZAM6218A評估板測試
接下來我們通過實(shí)際的測試波形來檢驗(yàn)通過上述設(shè)計(jì)后，熱電偶的測溫精度和穩(wěn)定性。我們依然以ZAM6218A的Dome評估板為例，ZAM6218A支持8通道K/T型熱電偶測溫，將評估板置于常溫下，并將8通道的熱電偶熱端的測溫探頭放置在0℃冰水混合物中，CH1~CH4通道接K型熱電偶，CH5~CH8接T型熱電偶。
圖3 ZAM6218A冰水混合物測溫曲線
圖3為8通道熱電偶模塊檢測冰水混合物溫度的曲線圖，檢測時(shí)長為5min，從圖中曲線可以看出，每通道溫度的跳動(dòng)值小于0.05℃，檢測冰水混合物的實(shí)際測溫誤差為0.12℃。
理論上，熱電偶線自身的最大誤差為27*0.4%=0.108℃，冷端測溫芯片常溫最大測溫誤差為0.1℃，電路常溫最大測溫誤差為0.1℃，整體測溫最大誤差應(yīng)為0.308℃。實(shí)際測溫最大誤差為0.12℃，說明通過PCB布板與增加結(jié)構(gòu)件后，大大降低了環(huán)境中溫度分布不均或空氣氣流對電路測溫性能的干擾。
想要一個(gè)高性能的熱電偶測溫，除了有一個(gè)好的電路方案，還需要合理的PCB布板和結(jié)構(gòu)。
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