使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補(bǔ)償

了解如何使用ADI公司和德州儀器TMP35和LM335溫度傳感器的示例實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。

熱電偶查找表和數(shù)學(xué)模型使用0°C的參考結(jié)來(lái)指定熱電偶輸出電壓。然而，在實(shí)踐中，冷端通常不是在0°C，需要信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備來(lái)正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的背景下稱為冷端補(bǔ)償（CJC）。

在本文中，我們將了解如何使用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。

模擬電路中的冷端補(bǔ)償

模擬冷端補(bǔ)償?shù)幕驹砣鐖D1所示。.

***圖1. *模擬冷端補(bǔ)償概述圖

在圖1中，我們假設(shè)熱端、冷端和測(cè)量系統(tǒng)分別位于T處h， Tc，和

T模數(shù)轉(zhuǎn)換器。冷端溫度（Tc）由溫度傳感器（通常是半導(dǎo)體傳感器，有時(shí)是熱敏電阻）測(cè)量并輸送到“補(bǔ)償器電路”以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓項(xiàng)V比較。該電壓被添加到熱電偶輸出V中熱;因此，ADC測(cè)量的電壓為：

從我們之前關(guān)于冷端補(bǔ)償?shù)奈恼轮校覀冎?V比較等于熱電偶在其熱結(jié)在T處時(shí)產(chǎn)生的電壓 c, 其冷端為0°C。 該電壓可以通過(guò)熱電偶參考表或數(shù)學(xué)模型確定。對(duì)于模擬電路，實(shí)現(xiàn)查找表或數(shù)學(xué)方程可能極具挑戰(zhàn)性。因此，采用模擬設(shè)計(jì)時(shí)，V比較只能是實(shí)際熱電偶輸出的近似值。

模擬CJC電路通常使用線性近似來(lái)產(chǎn)生接近實(shí)際熱電偶輸出的補(bǔ)償電壓。這種輸出是可能的，因?yàn)槔涠藴囟韧ǔＴ谑覝刂車鄬?duì)較窄的范圍內(nèi)變化，這意味著線性近似可以產(chǎn)生相對(duì)準(zhǔn)確的值。在接下來(lái)的幾節(jié)中，我們將看一些模擬 CJC 圖的示例。

冷端補(bǔ)償示例 1—TMP35 溫度傳感器

模擬冷端補(bǔ)償?shù)氖纠龑?shí)現(xiàn)如圖2所示。

* 圖2. 模擬冷端補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)示例。圖片[重新創(chuàng)建]由ADI公司提供*

在這種情況下，ADI公司的低壓溫度傳感器TMP35用于測(cè)量K型熱電偶的冷端。運(yùn)算放大器的同相輸入測(cè)量熱電偶輸出電壓V熱，加上 TMP35產(chǎn)生的電壓除以電阻器 R1 和 R2 （V比較）。翻譯成數(shù)學(xué)語(yǔ)言，同相輸入端的電壓，VB，由下式給出：

從冷端補(bǔ)償理論中，我們知道V比較應(yīng)等于0°C參考熱電偶在T溫度下輸出的電壓c其中 Tc通常在室溫附近的狹窄范圍內(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K型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。

***圖3. *顯示K型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。

在這個(gè)有限的溫度范圍內(nèi)，熱電偶似乎具有相對(duì)線性的響應(yīng)。為了使補(bǔ)償器電路產(chǎn)生這些值，V比較應(yīng)具有與所采用的熱電偶相同的溫度系數(shù)，并從上述特性曲線中穿過(guò)任意點(diǎn)。您可以從表中的數(shù)據(jù)中驗(yàn)證K型熱電偶的輸出在室溫（41°C）下變化約25μV/°C。

TMP35（圖 2 中的節(jié)點(diǎn) A）產(chǎn)生的電壓具有 10 mV/°C 的溫度系數(shù)。 為了將該值降低到41 μV/°C，我們需要41 μV/°C的比例因子10 mV/°C = 0.0041。該比例因子通過(guò)R1和R2形成的電阻分壓器實(shí)現(xiàn)，計(jì)算如下（公式1）：

等式 1.

現(xiàn)在 V比較具有與熱電偶相同的溫度系數(shù)，我們需要確保它也通過(guò)熱電偶特性曲線中的任意點(diǎn)。TMP35 在 250 °C 時(shí)產(chǎn)生 25 mV 的輸出。 該值乘以 0.0041（衰減因子），得出 V 比較 = 1.025 mV，接近表中的理想輸出（1 °C時(shí)為25 mV）。因此，對(duì)于TMP35，我們只需要一個(gè)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)，并且不需要偏移值。為了進(jìn)一步澄清這個(gè)討論，讓我們看另一個(gè)例子。

冷端補(bǔ)償示例 2—LM335 溫度傳感器

另一個(gè)模擬冷端補(bǔ)償電路如圖4所示。

* 圖4. 冷端補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)實(shí)現(xiàn)示例。圖片 [重新創(chuàng)建] 由 TI 提供*

為了更好地理解該電路，我們首先忽略圖4中的“失調(diào)調(diào)整”部分，并找到節(jié)點(diǎn)C處的電壓。在本例中，LM335用于檢測(cè)冷端溫度。連接在 LM335 上的電位器能夠以 10 mV/°C 的標(biāo)稱值校準(zhǔn)傳感器輸出的溫度系數(shù)。 LM335 的輸出與絕對(duì)溫度成正比，傳感器的外推輸出在 0 K （?273.15 °C） 時(shí)為零伏。

該傳感器輸出端的誤差只是斜率誤差。因此，傳感器校準(zhǔn)可以通過(guò)傳感器上的電位器在任意溫度下進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，為了在10 mV/°C下校準(zhǔn)傳感器的TC，我們可以將電位器調(diào)整為在2°C時(shí)的輸出電壓為VA = 982.25 V，計(jì)算如下：

與前面的示例類似，R3和R4產(chǎn)生的電阻分壓器將半導(dǎo)體傳感器的10 mV/°C溫度系數(shù)分頻為所采用的熱電偶的溫度系數(shù)。例如，對(duì)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 VB溫度系數(shù)為 41 μV/°C。 節(jié)點(diǎn)C處的電壓由公式2給出：

等式 2.

為了實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償，VB應(yīng)具有與所采用的熱電偶相同的溫度系數(shù)，并從熱電偶輸出曲線穿過(guò)任意點(diǎn)。在 25 °C 時(shí)，V 一個(gè) = 2.982 V，因此，V B =2.9820.0041 = 12.22 mV。根據(jù)表1，1°C時(shí)的理想輸出為25 mV。 因此，我們需要從公式11中減去22.2 mV的直流值，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓。這是通過(guò)圖4中的“失調(diào)調(diào)整”部分實(shí)現(xiàn)的。

LM329 是一款精密溫度補(bǔ)償 6.9 V 基準(zhǔn)電壓源。如果我們忽略R7，電阻R5和R6形成分壓器。該分壓器應(yīng)在節(jié)點(diǎn)D處衰減6.9 V至11.22 mV。因此，我們有：

假設(shè)R5 = 200 kΩ，我們得到R6 = 320 Ω。因此，電路的總輸出由下式給出：

其中 V B -VD是總補(bǔ)償電壓，產(chǎn)生K型熱電偶的輸出電壓與溫度的關(guān)系曲線。圖7中的R2和R4允許我們微調(diào)節(jié)點(diǎn)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(bǔ)償電路的基礎(chǔ)知識(shí)。