K型热电偶测温补偿方案

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【导读】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,...

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。

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Z佳状态。

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）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Z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;Z后由温度补偿公式（式1）得到测量点温度。

T=TC+kT0（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）。

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SY温度计为分辨率0.1℃的水银温度计,简化测试数据如下。

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2004-08-30 09:23:04

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