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安徽美康儀表自動化有限公司
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K型熱電偶測溫補(bǔ)償方案
2010-6-22 閱讀(6775)
將細(xì)絲狀K型熱電偶的探頭用焊料或高溫膠粘劑固定在印制板的監(jiān)測點(diǎn)上,溫度記錄器和印制板一起隨爐子的傳送網(wǎng)或傳送鏈從爐膛中穿過,與此同時(shí),記錄器自動以預(yù)定時(shí)間間隔采樣熱電偶的溫度信號,并將隨時(shí)間變化的溫度數(shù)據(jù)保存在記錄器的非易失性存儲器中。在此過程中, 溫度記錄儀的外界溫度可能達(dá)到270 ℃以上,其內(nèi)部溫度采取必要的隔熱技術(shù)后也在60 ℃左右。而熱電偶的理論冷端溫度為純水冰點(diǎn)溫度（0 ℃） ,故而必須對此給予補(bǔ)償。
1 引言 在SMT 行業(yè)中為滿足自動化大批量生產(chǎn)的需要,絕大多數(shù)企業(yè)采用隧道式連續(xù)傳送結(jié)構(gòu)的回流焊爐。這種回流焊爐普遍至少具有3 個(gè)溫區(qū)。由于印制板上的溫度變化遠(yuǎn)比儀表的顯示溫度復(fù)雜得多,因此對于回流焊爐操作者來說只憑經(jīng)驗(yàn),很難在短時(shí)間內(nèi)把這種回流焊爐的溫度和傳動速度調(diào)節(jié)到*狀態(tài)。
2 方案選擇
2.1 硬件系統(tǒng)方案
現(xiàn)有產(chǎn)品多采用3 種方法測量冷端環(huán)境溫度。
（1） 直接借用CPU 內(nèi)部溫度傳感器,如Cygnal 的CF020。然而,首先記錄儀內(nèi)部溫度場并不均勻,熱點(diǎn)偶補(bǔ)償線接入點(diǎn)的溫度與CPU 的表面溫度存在差值;其次,集成溫度傳感器的靈敏度一般為0.1 ℃,精度±2 ℃,難以滿足測量要求。
（2） 使用新型智能溫度傳感器,如美信DS1626,12bit 采樣精度,3 線串行數(shù)據(jù)通信, 0 ℃ to + 70 ℃，2.7V
（3） 高精度A/D 采樣芯片+遠(yuǎn)端溫度傳感器。
經(jīng)過理論分析和實(shí)踐,我們采用了改進(jìn)型的第3種方案。如圖1 所示,硬件系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)電壓源（ADR420） 、高精度采樣芯片（MAXIM1403） 、溫敏三極管（3DG6） 和CPU（CF320） 組成。
圖1 硬件系統(tǒng)原理圖
ADR420 提供2.048V 基準(zhǔn)電壓,精度0.05 % ,溫漂3PPM/℃。MAX1403 是一種18 位、過采樣的AD 芯片,它利用Σ-△調(diào)制器和數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)真正的16 位轉(zhuǎn)換精度。MAX1403 能夠提供具有獨(dú)立編程（ 增益從1V/V —+128V/V） 的三路真差動輸人通道,并能補(bǔ)償輸人參數(shù)電壓的直流失調(diào)。而這三路真差動輸人通道還能組成五路偽差動輸人通道。另外,該芯片還具有兩個(gè)附加的差動校正通道,以便對增益和失調(diào)誤差進(jìn)行校正。片內(nèi)數(shù)字濾波器能夠?qū)€路頻率和有關(guān)諧波頻率進(jìn)行處理,并使這些頻率的幅值為零,以使得在無需外接濾波器的條件下也能獲得較好的濾波效果,同時(shí)提高輸出端數(shù)字信號的質(zhì)量。
以本系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓2.048V 為例,MAX1403 可感知zui小電壓（1 倍PGA） ,即1LSB 對應(yīng)2.048/216 =0.03125mV ,已經(jīng)遠(yuǎn)小于溫敏三極管2mV/℃,可感知溫度變化量小于0.02 ℃,采取防波動措施后,可保證PN 結(jié)0.2 ℃和系統(tǒng)0.5 ℃的誤差要求。
2.2 軟件計(jì)算方法
總體程序流程圖,如圖2 所示。應(yīng)用前,先測定溫敏晶體管在冰點(diǎn)（冰水混合物） 和沸點(diǎn)（這兩種狀態(tài)下,水溫較恒定,可用工業(yè)高精度水銀溫度計(jì)測量） 下的電壓值,作為差值運(yùn)算的端點(diǎn);然后再利用溫敏晶體管測量儀器內(nèi)部環(huán)境溫度;zui后由溫度補(bǔ)償公式（式1） 得到測量點(diǎn)溫度。
T = TC+k·T0 （1）
其中T 為測量點(diǎn)溫度,TC為通過熱電偶得到的補(bǔ)償前的溫度,T0 為晶體管測得的熱電點(diǎn)偶冷端環(huán)境溫度,k 為比例系數(shù)（隨熱電偶介質(zhì)及溫度補(bǔ)償區(qū)間的不同而變化） 。
3 理論依據(jù)
3.1 熱電偶原理
現(xiàn)就使用熱電偶測溫儀表需要應(yīng)用的基本定律中第三條——“中間溫度定律”的闡述如下:
圖3 中,熱電偶AB 在接點(diǎn)溫度T、冷端溫度0 ℃時(shí)的熱電勢EAB（T,0） ,等于熱電偶AB 在接點(diǎn)溫度為T、冷端溫度To 的熱電勢EAB（T,To） ,以及接點(diǎn)溫度為To 、冷端溫度0 ℃時(shí)EAB（To,0） 的代數(shù)和。即EAB（T,0） = EAB（T,To） + EAB（To ,0） 。證明如下:
式中:e ——單位電荷;
k ——波樂茲曼常數(shù);
NA , NB ——導(dǎo)體A 和B 的電子密度,它們均為溫度的函數(shù)。
EAB ——熱電偶閉合回路中總的熱電動勢。
3.2 PN 結(jié)測溫原理
半導(dǎo)體理論和實(shí)驗(yàn)證明,在- 50 ℃～ + 150 ℃ 的范圍內(nèi),當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏時(shí),不管集電結(jié)反偏還是零偏,在一定的集電極電流形式下,NPN 硅晶體管的基極-發(fā)射極正向電壓UBE 隨溫度T 的增加而減小。并有良好的線性關(guān)系,其電壓溫度系數(shù)約-2.1mv/ ℃,如圖4 所示。
因此,晶體管3DG6 不但可以作為通常的電子器件使用,而且也是一種價(jià)格低廉,取材方便,性能良好的溫度傳感器。于是,當(dāng)前熱電偶冷端溫度值T0 ,便可按式3 由線性插值計(jì)算得出。
式中:N 為測量輸出, T0 是晶體管測出的當(dāng)前熱電偶冷端溫度值,Nf 對應(yīng)本地水在沸點(diǎn)Tf 時(shí)的輸出電壓,Nb 則對應(yīng)本地水在冰點(diǎn)Tb 時(shí)的輸出電壓。
4 測試結(jié)果
測試熱電偶的型號為美國OMEGA 公司的SMT微型熱電偶（Φ0.127mm） ,測試用溫度計(jì)為分辨率0.1 ℃的水銀溫度計(jì),簡化測試數(shù)據(jù)如下。
