整合訊號調節是正確溫度測量的關鍵因素
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在測量溫度、壓力、流量等真實世界中的物理參數時，往往必須從許多訊號特性差異很大的換能器中擷取數據。這些換能器所產生的訊號可能包括高壓、低壓、電流、頻率或者脈衝數據，而每一種訊號都會為工程師的測量帶來一系列獨特的挑戰。其中，溫度是迄今為止最常被測量的參數，熱電偶則是在溫度測量應用中最主要的測量設備。
熱電偶的物理特性對用戶的使用提出了許多獨特的挑戰。首先，必須將它產生的低電平訊號放大，然後還要濾除其中的高頻分量和噪音，同時，還必須小心降低鄰道的干擾。很明顯，要保證熱電偶測量的結果準確並可重覆，訊號調節是十分關鍵的一環。
熱電偶換能器在兩片異金屬相互接觸時產生一個低電平的電壓，該電壓通常被稱作溫差電動勢，訊號強度在毫伏級。例如，一個滿幅工作範圍約為60mV的K型熱電偶在1℃下會產生39uV的電壓。典型類比數位轉換器(ADC)的輸入電壓範圍一般為±10V，因而為了獲得最佳電壓解析度，就必須將訊號電平放大。
放大級的作用就是保證將訊號放大到即使十分精細的溫度變化都能被分辨出來的程度。當增益為100時，一個K型熱電偶在1200℃時的測量結果(48.838 mV)將被放大到4.8838 V。如果沒有經過這一必需的放大環節，測量結果的解析度就會大幅降低，也更容易受噪音波動影響。
圖1：高準確度熱電偶和高速電壓測量。
類比濾波
熱電偶輸出的毫伏級訊號也很容易受60Hz干擾的影響，因此儀器必須提供很好的頻寬限制才能對抗這種干擾。這一點在工業環境下尤其重要，因為在工業環境下，熱電偶暴露在發動機、發電機、焊接設備、照明設備等干擾源產生的嚴重電子干擾之下。
諸如基於DMM的系統之類的許多熱電偶測量設備都能提供一定程度的可程式60Hz濾波能力，但這種頻寬限制是透過設置ADC的積分速度來實現的。透過在整數個公頻週期(power line cycle，PLC)上積分，能夠改善60Hz濾波的性能，降低60 Hz噪音的影響，但卻會嚴重降低通道採樣率。而且由於60Hz濾波設置是一個全域設置，即便只有一個通道需要60Hz濾波，系統中所有通道都只能按照降低了的速度採樣。
那些顯然是用於降低成本的基於PC的中繼多工器(relay multiplexer)通常並不提供任何類比濾波，而是依靠平均的辦法或者其他軟體技術來處理數據。在測量頻譜內需要獲得十分準確和乾淨的數據時，這種處理方式就會產生問題，這時若想提高訊號完整性，就必需添加額外的外部濾波電路。
真正領先的儀器設計師們並不會依靠ADC，也不靠軟體過採樣和平均技術，而是在每個通道的訊號調節通路上提供頻寬限制，這樣就能獨立設置每個通道的截止頻率。
有一種靈活的方法(例如在VXI技術公司的EX1048中採用的方法)，能對不同通道設置不同的截止頻率範圍，即在4 Hz頻寬 和 1 kHz頻寬之間作出選擇。4 Hz適合大多數熱電偶和低電壓測量，它對60 Hz的濾波性能最好；1 kHz則適合高精密度熱電偶和高速電壓測量(圖1)。
冷端補償(Cold Junction Compensation)
在高準確度溫度測量中，濾波抗噪和訊號放大只是其中的一部份。事實證明，冷端補償(CJC)電路才是高準確度熱電偶的核心。即使是熱品質很大的隔熱模組，其溫度也會緩慢隨周圍環境同向變化，因此如果過低估計或者不能正確處理這些效應，那麼測量誤差就在所難免。
PC卡多工器和基於DMM的系統測量精密度通常約為1.0°-1.5°，這個精密度範圍所表達的不確定性源於多種原因，其中包括隔熱模組熱品質過低， CJC感測器位置錯誤或個數不足，終端模組與相鄰熱源(例如電源)的相對位置不佳，以及顯示的問題。另外，大多數儀器中測量誤差過大都歸因於CJC感測器電路設計不佳和CJC輸入的熱耦合機制不良。
像EX1048這樣的精確測溫儀器通常都結合了多種高精密度的CJC機制，具有較大的熱品質，產生內部溫度梯度的元件放置位置講究，而且還具備自校準功能。CJC感測器通常採用高準確度熱感應電阻，這些感測器往往放在隔熱模組上的關鍵位置處。當系統中通道個數較多時，具熱感應電阻的隔熱模組數目也會增多，以消除不同連接點之間的溫度測量造成的誤差(圖2)。注意了這些細節之後，儀器的系統級測量精密度就可能達到0.2℃ 到 0.4℃。
訊號多工化
當訊號經過了良好的濾波和放大，而且得到的CJC訊號也很精確時，從訊號調節的角度來看，ADC仍可能對測量的精確性造成嚴重影響。由於採樣要求相對較慢，大多數測溫儀器都不會在每個通道上採用一個單獨的ADC，而是透過一個多工器配置使多通道共用同一個ADC，典型的通道配置數目有16、32、48和64通道。因此就需要在儀器中添加高速固態多工器電路。
圖2：當系統中通道個數較多時，具熱感應電阻的隔熱模組數目也會增多，以消除不同連接點之間的溫度測量造成的誤差。
熱電偶訊號的大小只有毫伏級，當硬體設計不佳時，這一性質就會帶來系統級的問題。如果與熱電偶通道相鄰的通道上產生了高電平或過載條件，那麼在熱電偶通道進行測量時就會產生錯誤。出現這種情況的原因可能是線路上的寄生電容器和電荷，而用戶可能根本無法了解這一情況。如果硬體設計無法處理這類典型的問題，就只能要求用戶在一個通道上多停留一段時間，先過採樣然後再平均，這樣得到測量結果。
高品質的熱電偶測量儀器則無需依靠過採樣和軟體平均來得到一個留有裕量的測量結果。EX1048(圖3*)的設計採用了每通道獨立濾波和放大的方法，將通道與通道的執行隔離開來。這樣，送至ADC的訊號和由多工器來的訊號都不會產生干擾。這類設計就能保證不論相鄰通道是否可能出現過壓或過載情況，ADC轉換得到的數據對每個通道都是有效的。
本文小結
熱電偶測量是一種十分普通也很常見的測量，正因為如此，許多儀器廠商往往都忽略了基礎訊號調節的重要性。於是，終端用戶就不得不負起這一責任，提供外部訊號調節和冷端補償設備，結果往往造成測量系統成本過高也過於複雜，而且長期維護和系統校準也會受到影響。
內部訊號調節是精密熱電偶儀器設計(例如EX1048)中的一個關鍵問題，它與開放式熱電偶監測和自校準功能等特性緊密相關。一台熱電偶測量儀，如果具備這樣全面的功能，就能簡化設置和除錯作業，避免出現由外部互連電纜引發的問題，並按需要提供完全的現場校準。熱電偶測量應用有很多種解決方法，但採用一台整合好的儀器來完成測量才是能夠降低成本和簡化建置的方法。
作者：Jon N. Semancik
VXI Technology公司