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 ℃，

2.7V

3.0V 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。

3.2 PN 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。