如今，隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，人們將其利用在各種生產(chǎn)生活中，減少人力成本投入的同時(shí)還極大的提高了生產(chǎn)效率，給生活帶來了巨大的便利。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式主要有開環(huán)控制和反饋控制等，但不管是哪一種控制方式，前級(jí)輸入都是極為重要的。工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，溫度都是非常重要的因素，如鋼鐵、化工、石油等行業(yè)中溫度往往充斥著整個(gè)生產(chǎn)流程，在溫度的測(cè)量方式上，有著接觸式和非接觸式兩種方式，其主要區(qū)別主要在準(zhǔn)確度、測(cè)量范圍等，但最重要的還是成本上的差異，當(dāng)設(shè)備需要大量應(yīng)用時(shí)，成本必然是最大的問題。所以選擇合理且低成本的測(cè)量方式是尤為重要的，熱電阻、熱電偶等傳感器即是業(yè)內(nèi)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(hào)。
圖1-1 PT100熱電阻和K型熱電偶實(shí)物圖
圖1-2 PT100熱電阻和K型熱電偶對(duì)比圖
通過上圖可以了解到二者的優(yōu)劣點(diǎn)，PT100熱電阻的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用簡(jiǎn)單，精度高，但測(cè)溫范圍有限，相比K型熱電偶成本更高，所以在超高溫場(chǎng)景測(cè)量精度要求不高的情況下采用K型熱電偶更有優(yōu)勢(shì)，兩者也有著不同的測(cè)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(guān)系,當(dāng)電阻處于0攝氏度時(shí)，其電阻剛好為100歐姆，導(dǎo)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(yīng)，即當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體連接成回路時(shí)，如果回路的兩個(gè)端點(diǎn)溫度不同，就會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差與金屬的材料和溫度之間的關(guān)系有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此可以通過測(cè)量電勢(shì)差來確定溫度。當(dāng)K型熱電偶的兩端被放置在不同溫度的環(huán)境中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由熱電勢(shì)差引起的微小電壓。通過測(cè)量這個(gè)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(zhǔn)和補(bǔ)償，以確保其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在補(bǔ)償方案上有著很多的選擇，例如采用通用的數(shù)字溫度傳感器、熱電阻等，不同類型的器件具有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)，需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。
K型熱電偶的使用流程可以總結(jié)為控制器ADC設(shè)備采集傳感器輸出的電壓，將得到的數(shù)值通過計(jì)算或查表等方法從而得到傳感器溫度。例如計(jì)算法是利用多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行線性逼近，只是需要預(yù)先確定多項(xiàng)式系數(shù)，不需要存儲(chǔ)，因而是一種更通用的方案。缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)時(shí)間解多階多項(xiàng)式，多項(xiàng)式階數(shù)越高，處理時(shí)間越長(zhǎng)，這種類型的計(jì)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(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單，但由于輸出電壓為毫伏級(jí)，傳感器精度很大程度上受制于ADC的分辨率，當(dāng)ADC分辨率過低則無法準(zhǔn)確的采集到傳感器信息，所以需要對(duì)電壓進(jìn)行放大處理，常見的選擇是使用運(yùn)算放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一定倍率的放大后再交由單片機(jī)或其他設(shè)備的ADC進(jìn)行采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
在這里筆者使用了一顆國(guó)產(chǎn)的16位ADC芯片TM7705作為系統(tǒng)ADC設(shè)備連接K型熱電偶傳感器，該芯片具有2個(gè)16位全差分輸入通道，對(duì)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(shí)測(cè)量范圍為0mV~+VREF，雙極性輸入時(shí)測(cè)量范圍為±20mV~±VREF，是當(dāng)前場(chǎng)景下不錯(cuò)的選擇，芯片初始化流程這里不詳細(xì)敘述，主要講與傳感器相關(guān)配置通道輸入極性與增益倍率的設(shè)置，輸入極性設(shè)置例如使用熱電阻類型傳感器采用分壓電路測(cè)量電阻的情況下，這時(shí)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(dāng)傳感器為熱電偶時(shí)，通過查詢傳感器分度表當(dāng)冷端溫度為0℃時(shí)，傳感器溫度在零下時(shí)將會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓輸出，這時(shí)則必須將通道設(shè)置為差分輸入才能采集到負(fù)電壓。關(guān)于增益倍率的設(shè)置，選取合適的增益倍率可以在一定程度上提高采集的穩(wěn)定性，同樣查詢傳感器分度表，當(dāng)傳感器處于最高溫度環(huán)境（1370℃）下，輸出的電壓為54.8186毫伏，傳感器最低溫度（-270℃）時(shí)，輸出電壓為-6.44577mV，所以當(dāng)芯片基準(zhǔn)電壓為2.5V時(shí)，可以設(shè)置最大增益為32倍，最大輸入為1.75V ,滿足設(shè)備測(cè)量范圍20mV~±2.5V的性能要求，關(guān)于TM7705其他具體細(xì)節(jié)芯片網(wǎng)上也有很多相關(guān)介紹，在這里便不再贅訴。
當(dāng)TM7705數(shù)據(jù)采集完成后，雙極性模式下可以通過以下公式計(jì)算出傳感器電壓：
式中:VTC 為轉(zhuǎn)換傳感器熱電勢(shì)，Code為從TM7705數(shù)據(jù)寄存器中讀取到的數(shù)據(jù)，VREF為芯片的基準(zhǔn)電壓，此處為2.5V，Gain為增益倍率，此處為32倍。
假設(shè)當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)為0xB1CF(H)帶入公式得：
將當(dāng)前數(shù)據(jù)帶入計(jì)算得到傳感器溫度為730.42℃，但是，僅當(dāng)冷端溫度已知為 0℃時(shí)，該值才是正確的。
在最終的計(jì)算時(shí)，結(jié)果判定的依據(jù)須以參考端為0℃的熱電動(dòng)勢(shì), 因此需要將參考端不為0℃的熱電動(dòng)勢(shì)修正為參考端溫度為0℃的熱電動(dòng)勢(shì), 然后帶入計(jì)算公式中, 得到正確的計(jì)算結(jié)果，既所謂的冷端補(bǔ)償。補(bǔ)償公式如下：
公式中：EAB（t,0）為補(bǔ)償后的熱電偶電動(dòng)勢(shì)；EAB（t，t0）為通過測(cè)量得到的傳感器熱電勢(shì)；EAB（t0，0）為冷端溫度t0相對(duì)與0℃時(shí)的熱電勢(shì)。
現(xiàn)在假設(shè)冷端測(cè)得的溫度為 25°C，根據(jù) K 型熱電偶表，這相當(dāng)于 1.000mV 的熱電電壓。要獲得熱電偶電壓的精確溫度測(cè)量值，需要將熱電偶電壓與等效冷端電壓相加。
將補(bǔ)償后的值EAB(t,0)使用計(jì)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(jiǎn)單相加將得到755.42°C。由于熱電偶在工作溫度范圍內(nèi)是非線性的，此處產(chǎn)生了 0.92°C 的誤差。對(duì)熱電偶曲線的非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奈ㄒ环椒ㄊ菍⒗涠藴囟绒D(zhuǎn)換為等效電壓，將熱電偶測(cè)量電壓與冷端等效電壓相加，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)換回溫度。
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