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使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償

發(fā)布時間:2023-04-18 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】熱電偶查找表和數(shù)學(xué)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(xué)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。


使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償
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(dāng)?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(xué)模型中確定。使用模擬電路實現(xiàn)查找表或數(shù)學(xué)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(zhǔn)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)。


使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償
圖 2. 模擬冷端補償?shù)膶嵤┦纠?。圖片 [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(xué)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(dāng)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。


攝氏度

0

1個

2個

3個

4個

5個

6個

7

8個

9

10

以 mV 為單位的熱電壓

0

0.000

0.039

0.079

0.119

0.158

0.198

0.238

0.277

0.317

0.357

0.397

10

0.397

0.437

0.477

0.517

0.557

0.597

0.637

0.677

0.718

0.758

0.798

20

0.798

0.838

0.879

0.919

0.960

1.000

1.041

1.081

1.122

1.163

1.203

30

1.203

1.244

1.285

1.326

1.366

1.407

1.448

1.489

1.530

1.571

1.612

40

1.612

1.653

1.694

1.735

1.776

1.817

1.858

1.899

1.941

1.982

2.023

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。


使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償

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):



使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償


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。


使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償
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(biāo)稱值下校準(zhǔn)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 style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
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(zhǔn)來實現(xiàn)傳感器校準(zhǔn)。例如,要在 10 mV/°C 下校準(zhǔn)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:



使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償



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:


使用模擬溫度傳感器的熱電偶冷端補償



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(dāng)?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(zhǔn)。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。


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