【導讀】熱電偶測溫易受冷端溫度的干擾，所以需在PCB布板和結(jié)構(gòu)上合理的設(shè)計才能消除干擾。熱電偶的物理特性決定了，它和其它的傳感器測溫不一樣，熱電偶只能檢測溫度差，是需要冷端的溫度作為參考的，冷端溫度的檢測是否可靠，直接影響熱電偶測溫的準確性和穩(wěn)定性。那么，這個冷端的設(shè)計就顯得尤為重要。所以，一個高性能的熱電偶測溫，不是只要有一個好的電路方案就夠了。
有些小伙伴在電路設(shè)計之初，選擇了性能優(yōu)越的測溫芯片和ADC，理論上要達到性能要求應(yīng)綽綽有余，但實際測試卻不盡如意，這是為什么呢？其實，這大概率是冷端溫度的設(shè)計不合理導致的。熱電偶的物理特性決定了，它和其它的傳感器測溫不一樣，熱電偶只能檢測溫度差，是需要冷端的溫度作為參考的，冷端溫度的檢測是否可靠，直接影響熱電偶測溫的準確性和穩(wěn)定性。那么，這個冷端的設(shè)計就顯得尤為重要，我們以ZAM6218A的Demo評估板為例，一起了解高性能的熱電偶測溫應(yīng)如何設(shè)計。
如何保證冷端溫度精度
熱電偶線與測量電路連接的端為熱電偶的冷端（參比端），冷端的溫度作為參考溫度，對其檢測的精準性直接影響了整個測溫方案的精度。常規(guī)冷端溫度的檢測一般采用鉑電阻、NTC、數(shù)字測溫芯片等，冷端溫度的檢測越接近真實的冷端溫度，熱電偶整體的測溫精度也就越高。那么，在相同的冷端檢測方案下，如何讓冷端的檢測溫度接近真實冷端溫度呢？方法其實不難，通過調(diào)整PCB布局便可輕易達到。
我們以圖1中ZAM6218A的Dome評估板PCB布板圖為例進行說明，圖中的冷端溫度檢測芯片為TMP116，其旁邊為熱電偶線與檢測電路連接的冷端。通過下圖的方式布板后，數(shù)字測溫芯片TM116的檢測溫度與實際的冷端溫度誤差小于0.1℃。
圖1 TMP116測溫芯片冷端溫度檢測PCB布板
PCB布板要點：
● 冷端溫度檢測傳感器要靠近熱電偶冷端的位置放置，在電氣耐壓間距允許的情況下，越近越好；
● 冷端溫度檢測傳感器和冷端的連接點處要盡可能的增加鋪銅面積，不僅可以將真實冷端溫度與數(shù)字測試芯片檢測的溫度拉到同一水平，還能降低因環(huán)境溫度變化帶來的干擾；
● 熱電偶冷端連接處的鋪銅區(qū)與檢測電路的鋪銅區(qū)要完全隔離開，避免檢測電路產(chǎn)生的熱量通過鋪銅傳遞到冷端。
如何保持冷端溫度穩(wěn)定
在熱電偶溫度采集過程中，環(huán)境溫度穩(wěn)定也非常重要。由于冷端傳感器并不是直接通過電氣連接的方式來檢測真實冷端的溫度，當真實冷端處在溫度分布不均的空間環(huán)境下，冷端傳感器檢測的溫度與冷端的實際溫度之間是有較大偏差的，這就導致熱電偶產(chǎn)生了極大的測溫偏差，在環(huán)境相對惡劣的情況下甚至會產(chǎn)生2℃以上的測溫偏差，如帶有散熱風扇的機柜，其風扇產(chǎn)生分布不均的風速嚴重影響冷端溫度的檢測。那么我們?nèi)绾伪３汁h(huán)境溫度相對穩(wěn)定呢？
我們還是以ZAM6218A的Dome評估板為例，圖2為評估板實物圖，在評估板冷端位置設(shè)計一個金屬結(jié)構(gòu)件，以降低環(huán)境的干擾，同時還可將多通道的冷端溫度拉到同一溫度線。
圖2 ZAM6218A的Dome評估板實物
結(jié)構(gòu)件設(shè)計要點：
● 熱電偶測溫電路板的兩面增加類似于保護罩的結(jié)構(gòu)件，選用常規(guī)塑膠的即可，對精度要求比較高的，可以選用導熱率高的金屬結(jié)構(gòu)件，實際測試塑膠件和金屬件對精度影響差別不大；
● 結(jié)構(gòu)件要具有一定的氣密性，空氣中的氣流不能輕易透過電路板，尤其是冷端；
● 結(jié)構(gòu)件是金屬類的，需要在結(jié)構(gòu)件與冷端之間增加導熱率高的絕緣材料；
● 結(jié)構(gòu)件是塑膠類的；結(jié)構(gòu)件與冷端之間需要留有一定空間，不要與之接觸。
ZAM6218A評估板測試
接下來我們通過實際的測試波形來檢驗通過上述設(shè)計后，熱電偶的測溫精度和穩(wěn)定性。我們依然以ZAM6218A的Dome評估板為例，ZAM6218A支持8通道K/T型熱電偶測溫，將評估板置于常溫下，并將8通道的熱電偶熱端的測溫探頭放置在0℃冰水混合物中，CH1~CH4通道接K型熱電偶，CH5~CH8接T型熱電偶。
圖3 ZAM6218A冰水混合物測溫曲線
圖3為8通道熱電偶模塊檢測冰水混合物溫度的曲線圖，檢測時長為5min，從圖中曲線可以看出，每通道溫度的跳動值小于0.05℃，檢測冰水混合物的實際測溫誤差為0.12℃。
理論上，熱電偶線自身的最大誤差為27*0.4%=0.108℃，冷端測溫芯片常溫最大測溫誤差為0.1℃，電路常溫最大測溫誤差為0.1℃，整體測溫最大誤差應(yīng)為0.308℃。實際測溫最大誤差為0.12℃，說明通過PCB布板與增加結(jié)構(gòu)件后，大大降低了環(huán)境中溫度分布不均或空氣氣流對電路測溫性能的干擾。
想要一個高性能的熱電偶測溫，除了有一個好的電路方案，還需要合理的PCB布板和結(jié)構(gòu)。
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