夏勝德

（永旭騰風(fēng)新能源科技（上海）有限公司，上海 201800）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)在將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，燃料的燃燒充分度，燃燒室器件的工作狀態(tài)，系統(tǒng)有無超溫等狀態(tài)均能通過監(jiān)視其排氣溫度來判斷，監(jiān)視排氣溫度有著重要的意義，在選擇測量元件上，熱電偶因其測溫范圍廣、堅固耐用、響應(yīng)快、無自發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，溫度監(jiān)測被廣泛應(yīng)用，但在寬溫度區(qū)間其呈現(xiàn)了較為明顯的非線性，同時依賴對冷端溫度的識別也即是冷端補(bǔ)償，本文采用帶內(nèi)部溫度補(bǔ)償?shù)母呔饶?shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)這一過程的準(zhǔn)確測量，對于非線性溫度在小步長溫度范圍區(qū)間采用線性差值算法進(jìn)行溫度換算，整個硬件系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 測溫系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1 測量原理及硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 測量原理

熱電偶是由兩種不同的合金導(dǎo)體其中的一端端點(diǎn)焊接在一起而另一端保持?jǐn)嚅_的測溫元件，通常由鉻鎳組成。如圖1所示是塞貝克效應(yīng)呈現(xiàn)的導(dǎo)體冷端和熱端不同區(qū)域的電子分布示意圖，只要一個導(dǎo)體從一端到另外一端經(jīng)歷了一個溫度梯度，就會產(chǎn)生一個電動勢。這個電動勢由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子以不同的速率（取決于溫度）擴(kuò)散而上升。導(dǎo)體熱端上具有更高能量的電子擴(kuò)散的速度，快于冷端上具有較低能量電子的擴(kuò)散速度。凈效應(yīng)就是在導(dǎo)體的一端上出現(xiàn)電荷的堆積，并且在熱端和冷端之間產(chǎn)生一個電動勢。不同類型的金屬以不同的強(qiáng)度水平表現(xiàn)出這個效應(yīng)。當(dāng)兩個不同類型的金屬被配對使用并且在一個特定點(diǎn)上被連接在一起時，較短部分的相對端點(diǎn)上的電壓差與導(dǎo)體對的任一端點(diǎn)上形成的溫度梯度成正比。塞貝克效應(yīng)表明熱電偶并不是實(shí)際測量一個絕對溫度，它只是測量兩個點(diǎn)之間的溫度差，這兩個點(diǎn)通常稱為熱端和冷端。為了確定熱電偶任一端上的溫度，必須知道相對端點(diǎn)上的準(zhǔn)確溫度，也即是冷端補(bǔ)償，本文正是基于這一原理進(jìn)行溫度測量系統(tǒng)設(shè)計。

圖1 塞貝克效應(yīng)

1.2 ADS1118 簡介

ADS1118 是德州儀器推出的一款超小型、低功耗、16 位、ΔΣ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可使用在-40 ℃至+125 ℃環(huán)境中。內(nèi)部由一個增益可調(diào)節(jié)的ΔΣADC 內(nèi)核、一個內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、一個時鐘振蕩器以及一個SPI 通信接口組成，具備一個多路復(fù)用器，提供雙路全差分或四路單端模擬輸入，同時內(nèi)部集成了一款線性度較高的溫度傳感器，功能框圖如圖2所示，值得重點(diǎn)說明的是ADS1118 采用開關(guān)電容輸入級，通過對電容持續(xù)進(jìn)行充電和放電測量AINP 和AINN 之間的電壓。ADS1118 具有一個頻率為1 MHz 的內(nèi)部振蕩器。內(nèi)部對此頻率進(jìn)一步進(jìn)行

圖2 ADS1118 功能框圖

四分頻可生成250 kHz 的調(diào)制器頻率。為了提高系統(tǒng)的可靠性，特別要求輸入差分信號在250 kHz 頻率附近噪聲信號有較大衰減，這也就是本次設(shè)計中提到的在250 kHz 頻率附近噪聲抑制達(dá)到60 dB 的核心原因。

1.3 輸入信號調(diào)理電路設(shè)計

圖3 為使用一階低通濾波器信號調(diào)理框架，熱電偶兩端通過上下拉電阻接入低通濾波器，信號輸入采用全差分輸入，以減少共模干擾并提高差模分量。輸入端提供濾波、偏置、傳感器開路檢測，熱電偶兩冷端一個被R上拉，一個被R下拉，如果熱電偶被斷開，上下拉電阻將自動驅(qū)動輸入信號到電源和地電位，從而為ADC 提供一個明顯的傳感器斷開指示。為了進(jìn)一步減少共模和差模噪聲分量，輸入端設(shè)置有差動濾波器。在具體電路實(shí)施過程中選用的差模電容器比共模電容器大10 倍，可以有效避免共模電容器的不匹配導(dǎo)致產(chǎn)生差模噪聲。同時為了實(shí)現(xiàn)良好的電磁干擾抗擾度，要求應(yīng)具備低等效串聯(lián)電阻和低介電吸收特性，其具體設(shè)計詳見下文。

圖3 一階低通濾波器信號調(diào)理框架

根據(jù)ADS1118 芯片手冊電氣特性可知，在-40 ℃至+125 ℃區(qū)間，VDD=3.3 V，全差分量程FSR 為±0.256 V時，典型的差分輸入阻抗為710 kΩ，而0.256 V 的電勢差足夠覆蓋K 型熱電偶在0 ～1 000 ℃的溫度范圍，本設(shè)計采用FSR=±0.256 V 進(jìn)行設(shè)計。輸入信號調(diào)理電路要求在250 kHz 帶寬附近噪聲抑制保持在低于60 dB，也即是250 kHz帶寬附近噪聲被信號調(diào)理一階低通濾波器抑制到小于1 LSB峰值。

具體的，要求濾波器將250 kHz 時噪聲減少1 000 倍（-60 dB），ADS1118 為16 bitADC，故：

由于1 LSB 與7.182 5 μV 等效，所以在250 kHz 附近的有限帶寬內(nèi)有7.812 5 mV 噪聲被抑制到小于1 LSB，由于輸入端調(diào)理濾波器為一階濾波器，每十倍頻抑制20 dB，對應(yīng)的-3 dB 頻率將從250 kHz 下推3 個十倍頻程得到，也即是250 Hz，若選定和分別為常規(guī)陶瓷電容，容值取=1 μF，=0.1 μF，并取和阻值相同為，根據(jù)圖2、圖3 可知，差模截止頻率為：

則：

也即是：當(dāng)大于或等于303 Ω 時，在250 kHz 時噪聲至少有60 dB 的衰減。

根據(jù)芯片手冊提供的信息，ADS1118 的模擬輸入通道最高能承受高達(dá)10 mA 的持續(xù)電流，芯片正常供電最大值為5.5 V，基于可靠性考慮，經(jīng)差分輸入電阻輸入的電壓高于或低于地電位5 V 時，此電路仍能夠正常穩(wěn)定工作。

所以，為了將輸入至ADS1118 的電流限制在小于10 mA，串聯(lián)電阻修正為：

取==499 Ω，代入式（2）中得到濾波器實(shí)際截止頻率為132 Hz，在250 kHz 處噪聲抑制64.3 dB。

接下來考慮上下拉電阻和的取值，在不引入過多額外噪聲情況下，和應(yīng)該越大越好，根據(jù)電阻熱噪聲公式：

其中，為玻爾茲曼常數(shù)，=1.38×10J/K；為絕對溫度273 K；為電阻值；為帶寬；將截止頻率132 Hz帶入式（3）中，可得：

也即是：

故和為15 MΩ 之內(nèi)取值即可，考慮到不過多增加熱噪聲取==1 MΩ 即能滿足要求。

本設(shè)計中一階低通濾波在整個信號鏈上帶來了額外的差分輸入阻抗，這些差分阻抗與芯片內(nèi)部的710 kΩ 差分阻抗進(jìn)行串聯(lián)，導(dǎo)致信號并非全部輸入至芯片內(nèi)部，這里存在濾波器誤差，也即是：

這個誤差將隨輸入信號變化，當(dāng)0 V 差分輸入時，沒有誤差。然而，一個在1 000 ℃的OmegaK 型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生41.275 6 mV 的熱電勢時，標(biāo)準(zhǔn)熱電勢41.275 6 mV 的信號將被衰減為：

其中產(chǎn)生了54.9 μV的誤差，也即是產(chǎn)生了1.339 ℃的誤差。

根據(jù)以上推算得到的輸入前端信號鏈及ADC如圖4所示。

圖4 輸入端信號鏈及ADC 框圖

1.4 后端處理

在1.3 節(jié)中的信號鏈設(shè)計的基礎(chǔ)上，后端只需要適配帶SPI 通信的MCU 與ADS1118 進(jìn)行數(shù)字通信并經(jīng)軟件換算后即可得到熱電偶探測的實(shí)時溫度，考慮到可靠性，ADS1118與MCU 通信采用隔離通信方式，本設(shè)計中采用專有的磁隔離通信芯片，隔離通信框架圖如圖5所示。

圖5 ADS1118 與MCU 通信框架

本設(shè)計實(shí)例中采用笙泉8 位單片機(jī)MA82G5D16AS16作為控制器，數(shù)字隔離芯片采用上海矽朋SSP5841ED，在其他設(shè)計場合只需要更換對應(yīng)的MCU 即可實(shí)現(xiàn)本案例的移植，前端信號鏈無須做任何更改。

2 軟件設(shè)計

由1.1 節(jié)測量原理可知，塞貝克熱電效應(yīng)最終表現(xiàn)在冷端和熱端的熱電勢差上，測量溫度的過程轉(zhuǎn)換為基于冷端的溫度和差分輸入的熱電勢，并根據(jù)熱電勢與溫度特性曲線反向求解熱端溫度的過程。具體的操作步驟為：

步驟1：通過MCU 對ADS1118 的每個SPI 通信周期內(nèi)（考慮到溫度變化的頻率一般情況下不會太快本案例設(shè)置為50 ms 足以應(yīng)對多數(shù)場合）獲取其內(nèi)部溫度傳感器的溫度TCJC(也即是冷端溫度)和ADC 的差分輸入電壓(也即是熱電偶冷端熱電勢)。

步驟2：基于按溫度與熱電勢的特性曲線換算為冷端熱電勢。并結(jié)合得到補(bǔ)償后實(shí)際的熱端熱電勢。

步驟3：根據(jù)熱電偶熱電勢與溫度特性曲線將換算為熱端溫度。

由于K 型熱電偶在0 ～1 000 ℃的塞貝克溫度特性曲線并非完全線性，基于廠家提供的溫度熱電勢表用MATLAB推導(dǎo)出溫度與電勢差的高階多項式應(yīng)用在51 單片機(jī)中，8位MCU 計算高階乘法，需要耗費(fèi)大量的處理器時間和內(nèi)存，本設(shè)計中，步驟2 和步驟3 采用區(qū)間線性差值算法來計算準(zhǔn)確的溫度。具體的做法是，在MCU 運(yùn)行的RAM 中建立一張以1 ℃為步長的熱電勢表（該表由熱電偶廠商提供），如圖6所示。

圖6 求解算法示意圖

根據(jù)已知的熱電勢求解溫度和已知的溫度求解熱電勢的線性差值算法分別為：

其中[]為根據(jù)輸入的第次查找熱電勢表對應(yīng)的溫度值；

其中[]為根據(jù)輸入的第次查找熱電勢表對應(yīng)的熱電勢值；

至此，根據(jù)ADS1118 提供的編程手冊，用MCU 通過SPI 通信接口配置好ADS1118 的寄存器，按上述步驟1 至步驟3 中的步驟和線性差值算法即可得到連接到ADS1118 上的兩路熱電偶的溫度。

3 驗(yàn)證分析

將調(diào)試完畢的電路板和兩個0 ～1 000 ℃量程的K 型熱電偶連接在一起，并將冷端放置在恒溫箱中，熱端放置在另一個恒溫箱中，當(dāng)從0 ℃至+800 ℃調(diào)節(jié)熱端恒溫箱溫度并將冷端固定在恒溫25 ℃時得到測量值與恒溫箱設(shè)定值差值曲線，如圖7所示。

圖7 冷端固定在25 ℃環(huán)境中熱端從0 ℃至800 ℃調(diào)節(jié)熱端溫度測得兩通道與設(shè)定值溫差曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于上述原理設(shè)計的ADS1118 熱電偶測溫系統(tǒng)在0 ～800 ℃范圍內(nèi)最大誤差不到1.6 ℃，并且兩個通道均呈現(xiàn)較好的一致性，在大范圍的溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)溫度測量，有較高的可靠性。

4 結(jié)論

本文針對寬范圍溫度測量提出了精度在±2.5 ℃的溫度測量系統(tǒng)，應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度監(jiān)測，具有較好的可靠性和一致性，同時因測量系統(tǒng)核心采集電路不依賴于特有系統(tǒng)，本設(shè)計中提到的方案通過更換主控制器即可實(shí)現(xiàn)便捷移植，對寬范圍多通道采集的工業(yè)應(yīng)用場景具有較好的參考價值。