使用模拟温度传感器的热电偶冷端补偿

了解如何使用ADI公司和德州仪器TMP35和LM335温度传感器的示例实现冷端补偿。

热电偶查找表和数学模型使用0°C的参考结来指定热电偶输出电压。然而，在实践中，冷端通常不是在0°C，需要信号调理电子设备来正确解释输出电压。这在热电偶的背景下称为冷端补偿（CJC）。

在本文中，我们将了解如何使用模拟电路来实现冷端补偿。

模拟电路中的冷端补偿

模拟冷端补偿的基本原理如图1所示。.

***图1. *模拟冷端补偿概述图

在图1中，我们假设热端、冷端和测量系统分别位于T处h， Tc，和

T模数转换器。冷端温度（Tc）由温度传感器（通常是半导体传感器，有时是热敏电阻）测量并输送到“补偿器电路”以产生适当的补偿电压项V比较。该电压被添加到热电偶输出V中热;因此，ADC测量的电压为：

从我们之前关于冷端补偿的文章中，我们知道 V比较等于热电偶在其热结在T处时产生的电压 c, 其冷端为0°C。 该电压可以通过热电偶参考表或数学模型确定。对于模拟电路，实现查找表或数学方程可能极具挑战性。因此，采用模拟设计时，V比较只能是实际热电偶输出的近似值。

模拟CJC电路通常使用线性近似来产生接近实际热电偶输出的补偿电压。这种输出是可能的，因为冷端温度通常在室温周围相对较窄的范围内变化，这意味着线性近似可以产生相对准确的值。在接下来的几节中，我们将看一些模拟 CJC 图的示例。

冷端补偿示例 1—TMP35 温度传感器

模拟冷端补偿的示例实现如图2所示。

* 图2. 模拟冷端补偿的实现示例。图片[重新创建]由ADI公司提供*

在这种情况下，ADI公司的低压温度传感器TMP35用于测量K型热电偶的冷端。运算放大器的同相输入测量热电偶输出电压V热，加上 TMP35产生的电压除以电阻器 R1 和 R2 （V比较）。翻译成数学语言，同相输入端的电压，VB，由下式给出：

从冷端补偿理论中，我们知道V比较应等于0°C参考热电偶在T温度下输出的电压c其中 Tc通常在室温附近的狭窄范围内。表1显示了K型热电偶在0 °C至50 °C温度范围内的输出电压。

* 表 1. 数据由REOTEMP提供。*

°C	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
热电电压（mV）
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

图3使用上述数据（表1）绘制K型热电偶输出与温度的关系图。

***图3. *显示K型热电偶输出与温度的关系图。

在这个有限的温度范围内，热电偶似乎具有相对线性的响应。为了使补偿器电路产生这些值，V比较应具有与所采用的热电偶相同的温度系数，并从上述特性曲线中穿过任意点。您可以从表中的数据中验证K型热电偶的输出在室温（41°C）下变化约25μV/°C。

TMP35（图 2 中的节点 A）产生的电压具有 10 mV/°C 的温度系数。 为了将该值降低到41 μV/°C，我们需要41 μV/°C的比例因子10 mV/°C = 0.0041。该比例因子通过R1和R2形成的电阻分压器实现，计算如下（公式1）：

等式 1.

现在 V比较具有与热电偶相同的温度系数，我们需要确保它也通过热电偶特性曲线中的任意点。TMP35 在 250 °C 时产生 25 mV 的输出。 该值乘以 0.0041（衰减因子），得出 V 比较 = 1.025 mV，接近表中的理想输出（1 °C时为25 mV）。因此，对于TMP35，我们只需要一个电阻分压器即可将半导体温度传感器的温度系数调整为所采用的热电偶的温度系数，并且不需要偏移值。为了进一步澄清这个讨论，让我们看另一个例子。

冷端补偿示例 2—LM335 温度传感器

另一个模拟冷端补偿电路如图4所示。

* 图4. 冷端补偿的另一个实现示例。图片 [重新创建] 由 TI 提供*

为了更好地理解该电路，我们首先忽略图4中的“失调调整”部分，并找到节点C处的电压。在本例中，LM335用于检测冷端温度。连接在 LM335 上的电位器能够以 10 mV/°C 的标称值校准传感器输出的温度系数。 LM335 的输出与绝对温度成正比，传感器的外推输出在 0 K （−273.15 °C） 时为零伏。

该传感器输出端的误差只是斜率误差。因此，传感器校准可以通过传感器上的电位器在任意温度下进行单点校准来实现。例如，为了在10 mV/°C下校准传感器的TC，我们可以将电位器调整为在2°C时的输出电压为VA = 982.25 V，计算如下：

与前面的示例类似，R3和R4产生的电阻分压器将半导体传感器的10 mV/°C温度系数分频为所采用的热电偶的温度系数。例如，对于K型热电偶（41 μV/°C），我们需要41 μV/°C 10 mV/°C = 0.0041的比例因子。因此，我们应该有：

假设R3 = 200 kΩ，我们得到R4 = 823 Ω。这确保了 VB温度系数为 41 μV/°C。 节点C处的电压由公式2给出：

等式 2.

为了实现冷端补偿，VB应具有与所采用的热电偶相同的温度系数，并从热电偶输出曲线穿过任意点。在 25 °C 时，V 一个 = 2.982 V，因此，V B =2.9820.0041 = 12.22 mV。根据表1，1°C时的理想输出为25 mV。 因此，我们需要从公式11中减去22.2 mV的直流值，以产生适当的补偿电压。这是通过图4中的“失调调整”部分实现的。

LM329 是一款精密温度补偿 6.9 V 基准电压源。如果我们忽略R7，电阻R5和R6形成分压器。该分压器应在节点D处衰减6.9 V至11.22 mV。因此，我们有：

假设R5 = 200 kΩ，我们得到R6 = 320 Ω。因此，电路的总输出由下式给出：

其中 V B -VD是总补偿电压，产生K型热电偶的输出电压与温度的关系曲线。图7中的R2和R4允许我们微调节点D的直流电压，并消除电阻值等的任何恒定误差。在本文中，我们解释了模拟冷端补偿电路的基础知识。