如今，隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展，人們將其利用在各種生產(chǎn)生活中，減少人力成本投入的同時還極大的提高了生產(chǎn)效率，給生活帶來了巨大的便利。自動控制系統(tǒng)的基本控制方式主要有開環(huán)控制和反饋控制等，但不管是哪一種控制方式，前級輸入都是極為重要的。工業(yè)生產(chǎn)活動中，溫度都是非常重要的因素，如鋼鐵、化工、石油等行業(yè)中溫度往往充斥著整個生產(chǎn)流程，在溫度的測量方式上，有著接觸式和非接觸式兩種方式，其主要區(qū)別主要在準(zhǔn)確度、測量范圍等，但最重要的還是成本上的差異，當(dāng)設(shè)備需要大量應(yīng)用時，成本必然是最大的問題。所以選擇合理且低成本的測量方式是尤為重要的，熱電阻、熱電偶等傳感器即是業(yè)內(nèi)使用最廣泛的傳感器之一，常見的熱電阻型傳感器有PT100\PT1000等，熱電偶有T、J、K、E等型號。
圖1-1 PT100熱電阻和K型熱電偶實物圖
圖1-2 PT100熱電阻和K型熱電偶對比圖
通過上圖可以了解到二者的優(yōu)劣點，PT100熱電阻的優(yōu)勢在于應(yīng)用簡單，精度高，但測溫范圍有限，相比K型熱電偶成本更高，所以在超高溫場景測量精度要求不高的情況下采用K型熱電偶更有優(yōu)勢，兩者也有著不同的測量原理。
PT100熱電阻是利用鉑金電阻體的溫度和電阻值之間的線性關(guān)系,當(dāng)電阻處于0攝氏度時，其電阻剛好為100歐姆，導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而成正比增加，常見有兩線制、三線制等。K型熱電偶由鎳鉻合金和鎳鋁合金兩種金屬材料組成，基本工作原理基于熱電效應(yīng)，即當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體連接成回路時，如果回路的兩個端點溫度不同，就會產(chǎn)生一定的電勢差。這個電勢差與金屬的材料和溫度之間的關(guān)系有很強的相關(guān)性，因此可以通過測量電勢差來確定溫度。當(dāng)K型熱電偶的兩端被放置在不同溫度的環(huán)境中時，就會產(chǎn)生一個由熱電勢差引起的微小電壓。通過測量這個電壓，就可以間接地得出溫度。通常情況下，K型熱電偶還需要校準(zhǔn)和補償，以確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在補償方案上有著很多的選擇，例如采用通用的數(shù)字溫度傳感器、熱電阻等，不同類型的器件具有不同的優(yōu)、缺點，需根據(jù)具體應(yīng)用進行選擇。
K型熱電偶的使用流程可以總結(jié)為控制器ADC設(shè)備采集傳感器輸出的電壓，將得到的數(shù)值通過計算或查表等方法從而得到傳感器溫度。例如計算法是利用多項式系數(shù)進行線性逼近，只是需要預(yù)先確定多項式系數(shù)，不需要存儲，因而是一種更通用的方案。缺點是需要較長時間解多階多項式，多項式階數(shù)越高，處理時間越長，這種類型的計算通常不適合使用嵌入式處理或微控制器。在許多情況下，使用查找表通過插值法來確定溫度的效率要高得多。
K型熱電偶是屬于電壓輸出型器件，所以在電路設(shè)計上較為簡單，但由于輸出電壓為毫伏級，傳感器精度很大程度上受制于ADC的分辨率，當(dāng)ADC分辨率過低則無法準(zhǔn)確的采集到傳感器信息，所以需要對電壓進行放大處理，常見的選擇是使用運算放大器對輸入信號進行一定倍率的放大后再交由單片機或其他設(shè)備的ADC進行采集后對數(shù)據(jù)進行處理。
在這里筆者使用了一顆國產(chǎn)的16位ADC芯片TM7705作為系統(tǒng)ADC設(shè)備連接K型熱電偶傳感器，該芯片具有2個16位全差分輸入通道，對外提供三線SPI接口，可配置1~128倍增益，可以配置單極性或雙極性輸入等特性，單極性輸入時測量范圍為0mV~+VREF，雙極性輸入時測量范圍為±20mV~±VREF，是當(dāng)前場景下不錯的選擇，芯片初始化流程這里不詳細敘述，主要講與傳感器相關(guān)配置通道輸入極性與增益倍率的設(shè)置，輸入極性設(shè)置例如使用熱電阻類型傳感器采用分壓電路測量電阻的情況下，這時芯片的輸入全由電阻分壓得到，即全是正值，這種情況下采用單極性輸入即可正常使用，當(dāng)傳感器為熱電偶時，通過查詢傳感器分度表當(dāng)冷端溫度為0℃時，傳感器溫度在零下時將會產(chǎn)生負電壓輸出，這時則必須將通道設(shè)置為差分輸入才能采集到負電壓。關(guān)于增益倍率的設(shè)置，選取合適的增益倍率可以在一定程度上提高采集的穩(wěn)定性，同樣查詢傳感器分度表，當(dāng)傳感器處于最高溫度環(huán)境（1370℃）下，輸出的電壓為54.8186毫伏，傳感器最低溫度（-270℃）時，輸出電壓為-6.44577mV，所以當(dāng)芯片基準(zhǔn)電壓為2.5V時，可以設(shè)置最大增益為32倍，最大輸入為1.75V ,滿足設(shè)備測量范圍20mV~±2.5V的性能要求，關(guān)于TM7705其他具體細節(jié)芯片網(wǎng)上也有很多相關(guān)介紹，在這里便不再贅訴。
當(dāng)TM7705數(shù)據(jù)采集完成后，雙極性模式下可以通過以下公式計算出傳感器電壓：
式中:VTC 為轉(zhuǎn)換傳感器熱電勢，Code為從TM7705數(shù)據(jù)寄存器中讀取到的數(shù)據(jù)，VREF為芯片的基準(zhǔn)電壓，此處為2.5V，Gain為增益倍率，此處為32倍。
假設(shè)當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)為0xB1CF(H)帶入公式得：
將當(dāng)前數(shù)據(jù)帶入計算得到傳感器溫度為730.42℃，但是，僅當(dāng)冷端溫度已知為 0℃時，該值才是正確的。
在最終的計算時，結(jié)果判定的依據(jù)須以參考端為0℃的熱電動勢, 因此需要將參考端不為0℃的熱電動勢修正為參考端溫度為0℃的熱電動勢, 然后帶入計算公式中, 得到正確的計算結(jié)果，既所謂的冷端補償。補償公式如下：
公式中：EAB（t,0）為補償后的熱電偶電動勢；EAB（t，t0）為通過測量得到的傳感器熱電勢；EAB（t0，0）為冷端溫度t0相對與0℃時的熱電勢。
現(xiàn)在假設(shè)冷端測得的溫度為 25°C，根據(jù) K 型熱電偶表，這相當(dāng)于 1.000mV 的熱電電壓。要獲得熱電偶電壓的精確溫度測量值，需要將熱電偶電壓與等效冷端電壓相加。
將補償后的值EAB(t,0)使用計算法或查表法即可得到傳感器溫度為754.50℃，等效熱電偶溫度和冷端溫度之間的簡單相加將得到755.42°C。由于熱電偶在工作溫度范圍內(nèi)是非線性的，此處產(chǎn)生了 0.92°C 的誤差。對熱電偶曲線的非線性進行補償?shù)奈ㄒ环椒ㄊ菍⒗涠藴囟绒D(zhuǎn)換為等效電壓，將熱電偶測量電壓與冷端等效電壓相加，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)換回溫度。
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