使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償

熱電偶查找表和數(shù)學模型使用 0 °C 的參考結(jié)來指定熱電偶輸出電壓。然而，在實踐中，冷端通常不會處于 0°C，并且需要信號調(diào)理電子設(shè)備來正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的上下文中 稱為冷端補償(CJC)。

熱電偶查找表和數(shù)學模型使用 0 °C 的參考結(jié)來指定熱電偶輸出電壓。然而，在實踐中，冷端通常不會處于 0°C，并且需要信號調(diào)理電子設(shè)備來正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的上下文中 稱為冷端補償(CJC)。
在本文中，我們將了解如何使用模擬電路來實現(xiàn)冷端補償。
模擬電路中的冷端補償
模擬冷端補償?shù)幕舅枷肴鐖D 1 所示。

圖 1. 模擬冷端補償概覽圖。

在圖 1 中，我們假設(shè)熱端、冷端和測量系統(tǒng)分別位于 T h、T c和 T ADC。冷端溫度 (T c ) 由溫度傳感器（通常是半導(dǎo)體傳感器，有時是熱敏電阻）測量并傳送到“補償器電路”以產(chǎn)生適當?shù)难a償電壓項 V comp。該電壓被添加到熱電偶輸出 V therm；因此，ADC 測得的電壓為：
Vout=Vtherm+Vcomp
Vout=Vtherm+Vcomp
從我們之前關(guān)于冷端補償?shù)奈恼轮?，我們知?Vcomp等于熱電偶在熱端溫度為 Tc 而冷端溫度為 0°C 時產(chǎn)生的電壓。該電壓可以從熱電偶參考表或數(shù)學模型中確定。使用模擬電路實現(xiàn)查找表或數(shù)學方程式可能極具挑戰(zhàn)性。因此，對于模擬設(shè)計，V comp只能是實際熱電偶輸出的近似值。
模擬 CJC 電路通常使用線性近似來產(chǎn)生接近實際熱電偶輸出的補償電壓。該輸出是可能的，因為冷端溫度通常在室溫附近相對較窄的范圍內(nèi)變化，這意味著線性近似可以產(chǎn)生相對準確的值。在接下來的幾節(jié)中，我們將查看一些示例模擬 CJC 圖。
冷端補償示例 1—TMP35 溫度傳感器
圖 2 顯示了模擬冷端補償?shù)氖纠龑崿F(xiàn)。

圖 2. 模擬冷端補償?shù)膶嵤┦纠D片 [重新創(chuàng)建] 由Analog Devices友情提供

在這種情況下， Analog Devices 的低壓溫度傳感器TMP35用于測量K 型熱電偶的冷端。運算放大器的同相輸入測量熱電偶輸出電壓 V therm加上 TMP35 產(chǎn)生的電壓，該電壓由電阻器 R1 和 R2 (V comp )分壓。翻譯成數(shù)學語言，非反相輸入端的電壓 V B由下式給出：
VB=Vtherm+Vcomp
根據(jù)冷端補償理論，我們知道 V comp應(yīng)該等于 0 °C 參考熱電偶輸出的電壓，當放置在溫度 T c時，其中 T c通常在室溫附近的窄范圍內(nèi)。表 1 顯示了 K 型熱電偶在 0 °C 至 50 °C 溫度范圍內(nèi)的輸出電壓。

表 1.數(shù)據(jù)由REOTEMP提供。

圖 3 使用上述數(shù)據(jù)（表 1）繪制了 K 型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。

圖 3.  K 型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。 

在這個受限的溫度范圍內(nèi)，熱電偶似乎具有相對線性的響應(yīng)。對于產(chǎn)生這些值的補償器電路，V comp應(yīng)具有與所用熱電偶相同的溫度系數(shù)，并通過上述特性曲線中的任意點。您可以從表中的數(shù)據(jù)驗證 K 型熱電偶的輸出在室溫 (25 °C) 下變化約 41 μV/°C。
TMP35（圖 2 中的節(jié)點 A）產(chǎn)生的電壓具有 10 mV/°C 的溫度系數(shù)。要將此值降低至 41 μV/°C，我們需要一個比例因子 41 μV/°C 10 mV/°C = 0.0041。該比例因子是通過由 R1 和 R2 形成的電阻分壓器實現(xiàn)的，計算如下（公式 1）：

等式 1。
現(xiàn)在 V comp具有與熱電偶相同的溫度系數(shù)，我們需要確保它也經(jīng)過熱電偶特性曲線中的任意點。TMP35 在 25°C 時產(chǎn)生 250mV 的輸出。該值乘以 0.0041（衰減系數(shù)）得出 Vcomp =  1.025 mV，接近表中的理想輸出（25 °C 時為 1 mV）。因此，對于 TMP35，我們只需要一個電阻分壓器即可將半導(dǎo)體溫度傳感器的溫度系數(shù)調(diào)整為所采用的熱電偶的溫度系數(shù)，而無需偏移值。為了進一步闡明這個討論，讓我們看另一個例子。
冷端補償示例 2—LM335 溫度傳感器
另一個模擬冷端補償電路如圖 4 所示。

圖 4. 冷端補償?shù)牧硪粋€實施示例。圖片 [重新創(chuàng)建] 由TI提供

為了更好地理解這個電路，我們首先忽略圖 4 中的“失調(diào)調(diào)整”部分，并找出節(jié)點 C 處的電壓。在本例中，LM335用于檢測冷端溫度?？缃釉?LM335 上的電位器可以在 10 mV/°C 的標稱值下校準傳感器輸出的溫度系數(shù)。LM335 的輸出與溫度成正比，傳感器的外推輸出在 0 K (?273.15 °C) 時變?yōu)榱惴?br/>該傳感器輸出端的誤差只是斜率誤差。因此，可以通過傳感器兩端的鍋在任意溫度下通過單點校準來實現(xiàn)傳感器校準。例如，要在 10 mV/°C 下校準傳感器的 TC，我們可以調(diào)整電位器以在 25 °C 時具有 VA = 2.982 V 的輸出電壓，計算如下：
VA@26°C=10mV/°C×(25+273.15) 2.982V
與我們之前的示例類似，由 R3 和 R4 創(chuàng)建的電阻分壓器將半導(dǎo)體傳感器的 10 mV/°C 溫度系數(shù)分壓至所用熱電偶的溫度系數(shù)。例如，對于 K 型熱電偶 (41 μV/°C)，我們需要 41 μV/°C 10 mV/°C = 0.0041 的比例因子。因此，我們應(yīng)該有：

假設(shè) R3 = 200 kΩ，我們得到 R4 = 823 Ω。這確保了 V B 的溫度系數(shù)為 41 μV/°C。節(jié)點 C 的電壓由公式 2 給出：

等式 2。
為實現(xiàn)冷端補償，V B應(yīng)具有與所用熱電偶相同的溫度系數(shù)，并通過熱電偶輸出曲線的任意點。在 25 °C 時，V A  = 2.982 V，因此 V B = 2.9820.0041 = 12.22 mV。從表 1 可以看出，25°C 時的理想輸出為 1 mV。因此，我們需要從等式 2 中減去 11.22 mV 的直流值以產(chǎn)生適當?shù)难a償電壓。這是通過圖 4 中的“偏移調(diào)整”部分實現(xiàn)的。
LM329 是一款精密溫度補償 6.9 V 電壓基準。如果我們忽略 R7，電阻 R5 和 R6 將形成一個分壓器。該分壓器應(yīng)在節(jié)點 D 處將 6.9 V 衰減至 11.22 mV。因此，我們有：
R6R6+R5=11.22mV6.9V=0.0016R6R6+R5=11.22mV6.9V=0.0016
假設(shè) R5 = 200 kΩ，我們得到 R6 = 320 Ω。因此，電路的總輸出為：
Vout=VC?VD=Vtherm+VB?VDVout=VC?VD=Vtherm+VB?VD
其中 V B -V D是總補償電壓，并產(chǎn)生輸出電壓與 K 型熱電偶的溫度曲線。圖 4 中的 R7 和 R2 允許我們微調(diào)節(jié)點 D 的直流電壓并消除電阻值等的任何恒定誤差。在本文中，我們解釋了模擬冷端補償電路的基礎(chǔ)知識。