使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497時(shí)的熱電偶線性化

Reem Malik

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497熱電偶放大器為測(cè)量熱電偶溫度提供了一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。這些放大器簡(jiǎn)化了測(cè)量熱電偶的許多困難。固定增益儀表放大器放大小熱電偶電壓，集成溫度傳感器執(zhí)行冷端補(bǔ)償。

AD849x經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可測(cè)量和放大J型和K型熱電偶信號(hào)，實(shí)現(xiàn)5 mV/°C線性響應(yīng)，從而

其中TMJ是熱電偶測(cè)量結(jié)處的溫度。

AD849x輸出在表2所列的整個(gè)測(cè)量和環(huán)境溫度范圍內(nèi)精度在1°C以內(nèi) 本應(yīng)用筆記介紹了使用AD849x在規(guī)定范圍之外工作或測(cè)量溫度之外時(shí)實(shí)現(xiàn)更高精度的方法。

熱電偶非線性

熱電偶產(chǎn)生的電壓本質(zhì)上是非線性的。例如，J型熱電偶在52°C時(shí)變化25 μV/°C，在55°C時(shí)變化150 μV/°C。 K型熱電偶的線性度往往要高得多，當(dāng)溫度高于41°C時(shí)，溫度保持在0μV/°C附近。 熱電偶對(duì)溫度梯度的電壓響應(yīng)可以用大于六階多項(xiàng)式來(lái)描述（見圖1）。

圖1.塞貝克熱電偶系數(shù)與溫度的關(guān)系

AD849x線性放大（冷端補(bǔ)償熱電偶信號(hào)。這意味著輸出信號(hào)與來(lái)自熱電偶的輸入信號(hào)一樣是d）非線性的。

在該溫度范圍內(nèi)，應(yīng)用可能需要比熱電偶直接提供的更好的非線性度（意味著更高的精度）。在這種情況下，需要對(duì)熱電偶測(cè)量進(jìn)行線性化或校正。

熱電偶測(cè)量是否需要線性化取決于所選熱電偶的類型、所需的系統(tǒng)精度和被測(cè)溫度范圍。熱電偶信號(hào)的非線性得到了很好的研究，并且對(duì)于特定的熱電偶類型是恒定的。因此，測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

AD849x 熱電偶非線性補(bǔ)償

雖然AD849x不能主動(dòng)校正熱電偶非線性，但放大器經(jīng)過(guò)精密調(diào)整，以匹配J型和K型熱電偶的傳輸特性。這意味著AD849x通過(guò)選擇熱電偶曲線的特定部分并對(duì)該部分執(zhí)行線性最佳擬合來(lái)補(bǔ)償非線性，以產(chǎn)生5 mV°/C輸出。

表1顯示了所選的溫度范圍，導(dǎo)致熱電偶非線性誤差小于±2°C。 圖2以圖形方式顯示了非線性誤差。

圖2.AD849x熱電偶非線性引起的輸出誤差

AD849x系列中的每個(gè)器件都經(jīng)過(guò)精密調(diào)整，以優(yōu)化特定熱電偶類型以及特定測(cè)量和環(huán)境溫度范圍的線性工作范圍。對(duì)以下三個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以最小誤差實(shí)現(xiàn)5 mV/°C輸出：

放大器增益

放大器的失調(diào)（0°C時(shí)的誤差電壓在125°C時(shí)達(dá)到25 mV）

溫度傳感器/冷端補(bǔ)償器的比例因子

熱電偶電壓，VTC，是熱電偶類型的函數(shù)，測(cè)量結(jié)溫（T美杰）和參考結(jié)溫（TRJ).

以下傳遞函數(shù)可用于確定AD849x測(cè)量的實(shí)際熱電偶電壓（各器件的具體值見表2）。

其中：
CJC是冷端補(bǔ)償比例因子。
VOFFSET是0°C時(shí)的誤差電壓，在125°C時(shí)達(dá)到25 mV。
VREF是用戶輸入電壓。
增益是放大器的增益。

線性校正算法

熱電偶非線性通常由數(shù)字域中的微控制器進(jìn)行校正。可以使用兩種校正算法之一。

AD849x輸出查找表

第一種方法是使用表3，其中列出了理想AD849x輸出電壓與具有指定結(jié)溫的J型和K型熱電偶的溫度的函數(shù)關(guān)系。

例如，室溫（8495°C）下的AD25將接地基準(zhǔn)電壓引腳連接到K型熱電偶，輸出1 V，使用5 mV/°C傳遞函數(shù)時(shí)，1 V表示200°C。 為了獲得更高的精度，用戶必須計(jì)算對(duì)應(yīng)于1 V輸出的溫度，如下所示：

表3顯示，測(cè)量結(jié)溫為200°C時(shí)，AD8495的實(shí)際輸出為0.999 V，測(cè)量結(jié)溫為220°C時(shí)，實(shí)際輸出為1.097 V。

這兩點(diǎn)之間的線性外推得出200 V時(shí)2.1°C的答案。

NIST熱電電壓查找表

第二種方法是使用以下等式，其中 T美杰是熱電偶測(cè)量結(jié)處的溫度，f美國(guó)國(guó)家情報(bào)防護(hù)系統(tǒng)是基于標(biāo)準(zhǔn)查找表或美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)布的方程的毫伏-溫度函數(shù)。

回想一下，VTC ∝ TMJ ? TRJ，這樣

中間溫度的輸出值可以使用AD849x輸出方程和NIST熱電電壓表（以0°C為參考）進(jìn)行插值或計(jì)算。

AD8494的公式如下：

AD8495的公式如下：

AD8496的公式如下：

AD8497的公式如下：

使用與第一種方法相同的示例（室溫下的AD8495，接地基準(zhǔn)電壓引腳連接到讀數(shù)為1 V的K型熱電偶），校正過(guò)程如下：

查閱標(biāo)準(zhǔn)K型熱電偶表表明，在200°C的測(cè)量結(jié)溫下，熱電偶的熱電電壓為8.138 mV，在201°C的測(cè)量結(jié)溫下，熱電電壓為8.178 mV。

線性外推得出的最終答案為 200.5°C。

審核編輯：郭婷