K型热电偶的使用流程 PT100热电阻和K型热电偶对比

如今，随着自动化技术的快速发展，人们将其利用在各种生产生活中，减少人力成本投入的同时还极大的提高了生产效率，给生活带来了巨大的便利。自动控制系统的基本控制方式主要有开环控制和反馈控制等，但不管是哪一种控制方式，前级输入都是极为重要的。工业生产活动中，温度都是非常重要的因素，如钢铁、化工、石油等行业中温度往往充斥着整个生产流程，在温度的测量方式上，有着接触式和非接触式两种方式，其主要区别主要在准确度、测量范围等，但最重要的还是成本上的差异，当设备需要大量应用时，成本必然是最大的问题。所以选择合理且低成本的测量方式是尤为重要的，热电阻、热电偶等传感器即是业内使用最广泛的传感器之一，常见的热电阻型传感器有PT100\PT1000等，热电偶有T、J、K、E等型号。

图PT100热电阻和K型热电偶对比图

通过上图可以了解到二者的优劣点，PT100热电阻的优势在于应用简单，精度高，但测温范围有限，相比K型热电偶成本更高，所以在超高温场景测量精度要求不高的情况下采用K型热电偶更有优势，两者也有着不同的测量原理。

PT100热电阻是利用铂金电阻体的温度和电阻值之间的线性关系,当电阻处于0摄氏度时，其电阻刚好为100欧姆，导体的电阻值随温度的增加而成正比增加，常见有两线制、三线制等。K型热电偶由镍铬合金和镍铝合金两种金属材料组成，基本工作原理基于热电效应，即当两种不同金属导体连接成回路时，如果回路的两个端点温度不同，就会产生一定的电势差。这个电势差与金属的材料和温度之间的关系有很强的相关性，因此可以通过测量电势差来确定温度。当K型热电偶的两端被放置在不同温度的环境中时，就会产生一个由热电势差引起的微小电压。通过测量这个电压，就可以间接地得出温度。通常情况下，K型热电偶还需要校准和补偿，以确保其测量结果的准确性和稳定性，在补偿方案上有着很多的选择，例如采用通用的数字温度传感器、热电阻等，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。

K型热电偶的使用流程可以总结为控制器ADC设备采集传感器输出的电压，将得到的数值通过计算或查表等方法从而得到传感器温度。例如计算法是利用多项式系数进行线性逼近，只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，这种类型的计算通常不适合使用嵌入式处理或微控制器。在许多情况下，使用查找表通过插值法来确定温度的效率要高得多。

K型热电偶是属于电压输出型器件，所以在电路设计上较为简单，但由于输出电压为毫伏级，传感器精度很大程度上受制于ADC的分辨率，当ADC分辨率过低则无法准确的采集到传感器信息，所以需要对电压进行放大处理，常见的选择是使用运算放大器对输入信号进行一定倍率的放大后再交由单片机或其他设备的ADC进行采集后对数据进行处理。

在这里笔者使用了一颗国产的16位ADC芯片TM7705作为系统ADC设备连接K型热电偶传感器，该芯片具有2个16位全差分输入通道，对外提供三线SPI接口，可配置1~128倍增益，可以配置单极性或双极性输入等特性，单极性输入时测量范围为0mV~+VREF，双极性输入时测量范围为±20mV~±VREF，是当前场景下不错的选择，芯片初始化流程这里不详细叙述，主要讲与传感器相关配置通道输入极性与增益倍率的设置，输入极性设置例如使用热电阻类型传感器采用分压电路测量电阻的情况下，这时芯片的输入全由电阻分压得到，即全是正值，这种情况下采用单极性输入即可正常使用，当传感器为热电偶时，通过查询传感器分度表当冷端温度为0℃时，传感器温度在零下时将会产生负电压输出，这时则必须将通道设置为差分输入才能采集到负电压。关于增益倍率的设置，选取合适的增益倍率可以在一定程度上提高采集的稳定性，同样查询传感器分度表，当传感器处于最高温度环境（1370℃）下，输出的电压为54.8186毫伏，传感器最低温度（-270℃）时，输出电压为-6.44577mV，所以当芯片基准电压为2.5V时，可以设置最大增益为32倍，最大输入为1.75V ,满足设备测量范围20mV~±2.5V的性能要求，关于TM7705其他具体细节芯片网上也有很多相关介绍，在这里便不再赘诉。

当TM7705数据采集完成后，双极性模式下可以通过以下公式计算出传感器电压：

式中:VTC为转换传感器热电势，Code为从TM7705数据寄存器中读取到的数据，VREF为芯片的基准电压，此处为2.5V，Gain为增益倍率，此处为32倍。

假设当前传感器数据为0xB1CF(H)带入公式得：

将当前数据带入计算得到传感器温度为730.42℃，但是，仅当冷端温度已知为0℃时，该值才是正确的。

在最终的计算时，结果判定的依据须以参考端为0℃的热电动势,因此需要将参考端不为0℃的热电动势修正为参考端温度为0℃的热电动势,然后带入计算公式中,得到正确的计算结果，既所谓的冷端补偿。补偿公式如下：

公式中：EAB（t,0）为补偿后的热电偶电动势；EAB（t，t0）为通过测量得到的传感器热电势；EAB（t0，0）为冷端温度t0相对与0℃时的热电势。

现在假设冷端测得的温度为25°C，根据K型热电偶表，这相当于1.000mV的热电电压。要获得热电偶电压的精确温度测量值，需要将热电偶电压与等效冷端电压相加。

将补偿后的值EAB(t,0)使用计算法或查表法即可得到传感器温度为754.50℃，等效热电偶温度和冷端温度之间的简单相加将得到755.42°C。由于热电偶在工作温度范围内是非线性的，此处产生了0.92°C的误差。对热电偶曲线的非线性进行补偿的唯一方法是将冷端温度转换为等效电压，将热电偶测量电压与冷端等效电压相加，然后将结果转换回温度。

审核编辑：黄飞