K型热电偶冷端补偿方案

K型热电偶冷端补偿方案时间:2007-12-07来源:作者:郭锐徐玉斌点击：1742字体大小:【大中小】1引言在SMT行业中为满足自动化大批量生产的需要,绝大多数企业采用隧道式连续传送结构的回流焊炉。这种回流焊炉普遍至少具有3个温区。由于印制板上的温度变化远比仪表的显示温度复杂得多,因此对于回流焊炉操作者来说只凭经验,很难在短时间内把这种回流焊炉的温度和传动速度调节到最佳状态。因此,须将细丝状K型热电偶的探头用焊料或高温胶粘剂固定在印制板的监测点上,温度记录器和印制板一起随炉子的传送网或传送链从炉膛中穿过,与此同时,记录器自动以预定时间间隔采样热电偶的温度信号,并将随时间变化的温度数据保存在记录器的非易失性存储器中。在此过程中,温度记录仪的外界温度可能达到270℃以上,其内部温度采取必要的隔热技术后也在60℃左右。而热电偶的理论冷端温度为纯水冰点温度(0℃),故而必须对此给予补偿。2方案选择2.1硬件系统方案现有产品多采用3种方法测量冷端环境温度。(1)直接借用CPU内部温度传感器,如Cygnal的CF020。然而,首先记录仪内部温度场并不均匀,热点偶补偿线接入点的温度与CPU的表面温度存在差值;其次,集成温度传感器的灵敏度一般为0.1℃,精度±2℃,难以满足测量要求。(2)使用新型智能温度传感器,如美信DS1626,12bit采样精度,3线串行数据通信,0℃to+70℃，2.7VVDD3.0V的条件下,灵敏度0.0625℃,最大误差±0.5℃。但此方法同样存在芯片外壳对环境温度的滞后性影响问题。另外,仪器内部的环境温度最大变化率可能达到1℃/S,而芯片电气特性要求采样周期超过0.75S,周期相对过长。(3)高精度A/D采样芯片+远端温度传感器。经过理论分析和实践,我们采用了改进型的第3种方案。如图1所示,硬件系统主要由基准电压源(ADR420)、高精度采样芯片(MAXIM1403)、温敏三极管(3DG6)和CPU(CF320)组成。图1硬件系统原理图ADR420提供2.048V基准电压,精度0.05%,温漂3PPM/℃。MAX1403是一种18位、过采样的AD芯片,它利用Σ-△调制器和数字滤波器可实现真正的16位转换精度。MAX1403能够提供具有独立编程(增益从1V/V—+128V/V)的三路真差动输人通道,并能补偿输人参数电压的直流失调。而这三路真差动输人通道还能组成五路伪差动输人通道。另外,该芯片还具有两个附加的差动校正通道,以便对增益和失调误差进行校正。片内数字滤波器能够对线路频率和有关谐波频率进行处理,并使这些频率的幅值为零,以使得在无需外接滤波器的条件下也能获得较好的滤波效果,同时提高输出端数字信号的质量。以本系统基准电压2.048V为例,MAX1403可感知最小电压(1倍PGA),即1LSB对应2.048/216=0.03125mV,已经远小于温敏三极管2mV/℃,可感知温度变化量小于0.02℃,采取防波动措施后,可保证PN结0.2℃和系统0.5℃的误差要求。2.2软件计算方法总体程序流程图,如图2所示。应用前,先测定温敏晶体管在冰点(冰水混合物)和沸点(这两种状态下,水温较恒定,可用工业高精度水银温度计测量)下的电压值,作为差值运算的端点;然后再利用温敏晶体管测量仪器内部环境温度;最后由温度补偿公式(式1)得到测量点温度。T=TC+k·T0(1)其中T为测量点温度,TC为通过热电偶得到的补偿前的温度,T0为晶体管测得的热电点偶冷端环境温度,k为比例系数(随热电偶介质及温度补偿区间的不同而变化)。图2软件程序流程图3理论依据3.1热电偶原理现就使用热电偶测温仪表需要应用的基本定律中第三条——“中间温度定律”的阐述如下:图3中,热电偶AB在接点温度T、冷端温度0℃时的热电势EAB(T,0),等于热电偶AB在接点温度为T、冷端温度To的热电势EAB(T,To),以及接点温度为To、冷端温度0℃时EAB(To,0)的代数和。即EAB(T,0)=EAB(T,To)+EAB(To,0)。证明如下:式中:e——单位电荷;k——波乐兹曼常数;NA,NB——导体A和B的电子密度,它们均为温度的函数。EAB——热电偶闭合回路中总的热电动势。3.2PN结测温原理半导体理论和实验证明,在-50℃～+150℃的范围内,当发射结正偏时,不管集电结反偏还是零偏,在一定的集电极电流形式下,NPN硅晶体管的基极-发射极正向电压UBE随温度T的增加而减小。并有良好的线性关系,其电压温度系数约-2.1mv/℃,如图4所示。因此,晶体管3DG6不但可以作为通常的电子器件使用,而且也是一种价格低廉,取材方便,性能良好的温度传感器。于是,当前热电偶冷端温度值T0,便可按式3由线性插值计算得出。式中:N为测量输出,T0是晶体管测出的当前热电偶冷端温度值,Nf对应本地水在沸点Tf时的输出电压,Nb则对应本地水在冰点Tb时的输出电压。4测试结果测试热电偶的型号为美国OMEGA公司的SMT专用微型热电偶(Φ0.127mm),测试用温度计为分辨率0.1℃的水银温度计,简化测试数据如下。从上表可以看出,PN结测温的误差通常小于0.2℃,可以满足系统误差0.5℃的要求。5结束语虽然热电阻在0℃～450℃有更高的测温精度,例如PT100,无须冷端补偿,在不使用软件校正措施的情况下,精度就可达到0.75℃(300℃时),但每一路热电阻都必须配备恒流源的前提,却限制了其在多路测温场合中的应用。热电偶依靠测量端与冷端温差所引起的电动势,来反映测量端相对于冷端的温度。在SMT测温领域的多通道(有的超过12通道)应用中,只要能够提高冷端补偿精度,其便捷的设计和使用方法就会显示出不可替代的优越性。