K型熱電偶冷端補償方案

1 引言
    在SMT 行業中為滿足自動化大批量生產的需要,絕大多數企業採用隧道式連續傳送結構的迴流焊爐。這種迴流焊爐普遍至少具有3 個溫區。由於印製板上的溫度變化遠比儀錶的顯示溫度複雜得多,因此對於迴流焊爐操作者來說只憑經驗,很難在短時間內把這種迴流焊爐的溫度和傳動速度調節到最佳狀態。
    因此,須將細絲狀K型熱電偶的探頭用焊料或高溫膠粘劑固定在印製板的監測點上,溫度記錄器和印製板一起隨爐子的傳送網或傳送鏈從爐膛中穿過,與此同時,記錄器自動以預定時間間隔採樣熱電偶的溫度信號,並將隨時間變化的溫度數據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到270 ℃以上,其內部溫度採取必要的隔熱技術后也在60 ℃左右。而熱電偶的理論冷端溫度為純水冰點溫度(0 ℃) ,故而必須對此給予補償。

2 方案選擇
2.1 硬體系統方案
    現有產品多採用3 種方法測量冷端環境溫度。
(1) 直接借用CPU 內部溫度感測器,如Cygnal 的CF020。然而,首先記錄儀內部溫度場並不均勻,熱點偶補償線接入點的溫度與CPU 的表面溫度存在差值;其次,集成溫度感測器的靈敏度一般為0.1 ℃,精度±2 ℃,難以滿足測量要求。
(2) 使用新型智能溫度感測器,如美信DS1626,12bit 採樣精度,3 線串列數據通信, 0 ℃ to + 70 ℃，2.7V<VDD<3.0V 的條件下,靈敏度0.0625 ℃,最大誤差±0.5 ℃。但此方法同樣存在晶元外殼對環境溫度的滯后性影響問題。另外,儀器內部的環境溫度最大變化率可能達到1 ℃/S ,而晶元電氣特性要求採樣周期超過0.75S ,周期相對過長。
(3) 高精度A/D 採樣晶元+遠端溫度感測器。
    經過理論分析和實踐,我們採用了改進型的第3種方案。如圖1 所示,硬體系統主要由基準電壓源(ADR420) 、高精度採樣晶元(MAXIM1403) 、溫敏三極體(3DG6) 和CPU(CF320) 組成。
 
圖1 　硬體系統原理圖
    ADR420 提供2.048V 基準電壓,精度0.05 % ,溫漂3PPM/℃。MAX1403 是一種18 位、過採樣的AD 晶元,它利用Σ-△調製器和數字濾波器可實現真正的16 位轉換精度。MAX1403 能夠提供具有獨立編程( 增益從1V/V —+128V/V) 的三路真差動輸人通道,並能補償輸人蔘數電壓的直流失調。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,該晶元還具有兩個附加的差動校正通道,以便對增益和失調誤差進行校正。片內數字濾波器能夠對線路頻率和有關諧波頻率進行處理,並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,同時提高輸出端數字信號的質量。
    以本系統基準電壓2.048V 為例,MAX1403 可感知最小電壓(1 倍PGA) ,即1LSB 對應2.048/216 =0.03125mV ,已經遠小於溫敏三極體2mV/℃,可感知溫度變化量小於0.02 ℃,採取防波動措施后,可保證PN 結0.2 ℃和系統0.5 ℃的誤差要求。

2.2 軟體計算方法
    總體程序流程圖,如圖2 所示。應用前,先測定溫敏晶體管在冰點(冰水混合物) 和沸點(這兩種狀態下,水溫較恆定,可用工業高精度水銀溫度計測量) 下的電壓值,作為差值運算的端點;然後再利用溫敏晶體管測量儀器內部環境溫度;最後由溫度補償公式(式1) 得到測量點溫度。
T = TC+k·T0 (1)
其中T 為測量點溫度,TC為通過熱電偶得到的補償前的溫度,T0 為晶體管測得的熱電點偶冷端環境溫度,k 為比例係數(隨熱電偶介質及溫度補償區間的不同而變化) 。
 
圖2 　軟體程序流程圖

3 理論依據
3.1 熱電偶原理
    現就使用熱電偶測溫儀錶需要應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 在接點溫度T、冷端溫度0 ℃時的熱電勢EAB(T,0) ,等於熱電偶AB 在接點溫度為T、冷端溫度To 的熱電勢EAB(T,To) ,以及接點溫度為To 、冷端溫度0 ℃時EAB(To,0) 的代數和。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;
NA , NB ——導體A 和B 的電子密度,它們均為溫度的函數。
EAB ——熱電偶閉合迴路中總的熱電動勢。

3.2 　PN 結測溫原理
    半導體理論和實驗證明,在- 50 ℃～ + 150 ℃ 的範圍內,當發射結正偏時,不管集電結反偏還是零偏,在一定的集電極電流形式下,NPN 硅晶體管的基極-發射極正向電壓UBE 隨溫度T 的增加而減小。並有良好的線性關係,其電壓溫度係數約-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,而且也是一種價格低廉,取材方便,性能良好的溫度感測器。於是,當前熱電偶冷端溫度值T0 ,便可按式3 由線性插值計算得出。
 
式中:N 為測量輸出, T0 是晶體管測出的當前熱電偶冷端溫度值,Nf 對應本地水在沸點Tf 時的輸出電壓,Nb 則對應本地水在冰點Tb 時的輸出電壓。

4 　測試結果
　測試熱電偶的型號為美國OMEGA 公司的SMT專用微型熱電偶(Φ0.127mm) ,測試用溫度計為解析度0.1 ℃的水銀溫度計,簡化測試數據如下。
 
    從上表可以看出, PN 結測溫的誤差通常小於0.2 ℃,可以滿足系統誤差0.5 ℃的要求。

5 　結束語
    雖然熱電阻在0 ℃～450 ℃有更高的測溫精度,例如PT100 ,無須冷端補償,在不使用軟體校正措施的情況下,精度就可達到0.75 ℃(300 ℃時) ,但每一路熱電阻都必須配備恆流源的前提,卻限制了其在多路測溫場合中的應用。
    熱電偶依靠測量端與冷端溫差所引起的電動勢,來反映測量端相對於冷端的溫度。在SMT 測溫領域的多通道(有的超過12 通道) 應用中,只要能夠提高冷端補償精度,其便捷的設計和使用方法就會顯示出不可替代的優越性。