使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償

熱電偶查找表和數學模型使用 0 °C 的參考結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，并且需要信號調理電子設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)。

熱電偶查找表和數學模型使用 0 °C 的參考結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，并且需要信號調理電子設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冷端補償。
模擬電路中的冷端補償
模擬冷端補償的基本思想如圖 1 所示。

圖 1. 模擬冷端補償概覽圖。

在圖 1 中，我們假設熱端、冷端和測量系統分別位于 T h、T c和 T ADC。冷端溫度 (T c ) 由溫度傳感器（通常是半導體傳感器，有時是熱敏電阻）測量并傳送到“補償器電路”以產生適當的補償電壓項 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
從我們之前關于冷端補償的文章中，我們知道 Vcomp等于熱電偶在熱端溫度為 Tc 而冷端溫度為 0°C 時產生的電壓。該電壓可以從熱電偶參考表或數學模型中確定。使用模擬電路實現查找表或數學方程式可能極具挑戰性。因此，對于模擬設計，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變化，這意味著線性近似可以產生相對準確的值。在接下來的幾節中，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的示例實現。

圖 2. 模擬冷端補償的實施示例。圖片 [重新創建] 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 產生的電壓，該電壓由電阻器 R1 和 R2 (V comp )分壓。翻譯成數學語言，非反相輸入端的電壓 V B由下式給出：
VB=Vtherm+Vcomp
根據冷端補償理論，我們知道 V comp應該等于 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。表 1 顯示了 K 型熱電偶在 0 °C 至 50 °C 溫度范圍內的輸出電壓。

表 1.數據由REOTEMP提供。

圖 3 使用上述數據（表 1）繪制了 K 型熱電偶輸出與溫度的關系圖。

圖 3.  K 型熱電偶輸出與溫度的關系圖。 

在這個受限的溫度范圍內，熱電偶似乎具有相對線性的響應。對于產生這些值的補償器電路，V comp應具有與所用熱電偶相同的溫度系數，并通過上述特性曲線中的任意點。您可以從表中的數據驗證 K 型熱電偶的輸出在室溫 (25 °C) 下變化約 41 μV/°C。
TMP35（圖 2 中的節點 A）產生的電壓具有 10 mV/°C 的溫度系數。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的，計算如下（公式 1）：

等式 1。
現在 V comp具有與熱電偶相同的溫度系數，我們需要確保它也經過熱電偶特性曲線中的任意點。TMP35 在 25°C 時產生 250mV 的輸出。該值乘以 0.0041（衰減系數）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體溫度傳感器的溫度系數調整為所采用的熱電偶的溫度系數，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. 冷端補償的另一個實施示例。圖片 [重新創建] 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“失調調整”部分，并找出節點 C 處的電壓。在本例中，LM335用于檢測冷端溫度。跨接在 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。LM335 的輸出與溫度成正比，傳感器的外推輸出在 0 K (?273.15 °C) 時變為零伏。
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 創建的電阻分壓器將半導體傳感器的 10 mV/°C 溫度系數分壓至所用熱電偶的溫度系數。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，我們應該有：

假設 R3 = 200 kΩ，我們得到 R4 = 823 Ω。這確保了 V B 的溫度系數為 41 μV/°C。節點 C 的電壓由公式 2 給出：

等式 2。
為實現冷端補償，V B應具有與所用熱電偶相同的溫度系數，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 的直流值以產生適當的補償電壓。這是通過圖 4 中的“偏移調整”部分實現的。
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。該分壓器應在節點 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 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 允許我們微調節點 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知識。