【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(lái)指定熱電偶輸出電壓。然而,在實(shí)踐中,冷端通常不會(huì)處于 0°C,并且需要信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備來(lái)正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的上下文中 稱(chēng)為冷端補(bǔ)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(lái)指定熱電偶輸出電壓。然而,在實(shí)踐中,冷端通常不會(huì)處于 0°C,并且需要信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備來(lái)正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的上下文中 稱(chēng)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)幕舅枷肴鐖D 1 所示。
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 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(shí)是熱敏電阻)測(cè)量并傳送到“補(bǔ)償器電路”以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓項(xiàng) V comp。該電壓被添加到熱電偶輸出 V therm;因此,ADC 測(cè)得的電壓為:
Vout=Vtherm+Vcomp
Vout=Vtherm+Vcomp
從我們之前關(guān)于冷端補(bǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)查找表或數(shù)學(xué)方程式可能極具挑戰(zhàn)性。因此,對(duì)于模擬設(shè)計(jì),V comp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。該輸出是可能的,因?yàn)槔涠藴囟韧ǔT谑覝馗浇鄬?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,我們將查看一些示例模擬 CJC 圖。
冷端補(bǔ)償示例 1—TMP35 溫度傳感器
圖 2 顯示了模擬冷端補(bǔ)償?shù)氖纠龑?shí)現(xiàn)。
圖 2. 模擬冷端補(bǔ)償?shù)膶?shí)施示例。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(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 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(yǔ)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(bǔ)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(shí),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(gè) | 2個(gè) | 3個(gè) | 4個(gè) | 5個(gè) | 6個(gè) | 7 | 8個(gè) | 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。
圖 3. K 型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。
在這個(gè)受限的溫度范圍內(nèi),熱電偶似乎具有相對(duì)線性的響應(yīng)。對(duì)于產(chǎn)生這些值的補(bǔ)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(guò)上述特性曲線中的任意點(diǎn)。您可以從表中的數(shù)據(jù)驗(yàn)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(diǎn) 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(gè)比例因子 41 μV/°C 10 mV/°C = 0.0041。該比例因子是通過(guò)由 R1 和 R2 形成的電阻分壓器實(shí)現(xiàn)的,計(jì)算如下(公式 1):
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(guò)熱電偶特性曲線中的任意點(diǎn)。TMP35 在 25°C 時(shí)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(shí)為 1 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),而無(wú)需偏移值。為了進(jìn)一步闡明這個(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)施示例。圖片 [重新創(chuàng)建] 由TI提供
為了更好地理解這個(gè)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(diǎn) C 處的電壓。在本例中,LM335用于檢測(cè)冷端溫度??缃釉?LM335 上的電位器可以在 10 mV/°C 的標(biāo)稱(chēng)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(shí)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(guò)傳感器兩端的鍋在任意溫度下通過(guò)單點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)實(shí)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(shí)具有 VA = 2.982 V 的輸出電壓,計(jì)算如下:
VA@26°C=10mV/°C×(25+273.15) 2.982V
與我們之前的示例類(lèi)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(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 V B 的溫度系數(shù)為 41 μV/°C。節(jié)點(diǎn) C 的電壓由公式 2 給出:
等式 2。
為實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償,V B應(yīng)具有與所用熱電偶相同的溫度系數(shù),并通過(guò)熱電偶輸出曲線的任意點(diǎn)。在 25 °C 時(shí),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(shí)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(bǔ)償電壓。這是通過(guò)圖 4 中的“偏移調(diào)整”部分實(shí)現(xiàn)的。
LM329 是一款精密溫度補(bǔ)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(gè)分壓器。該分壓器應(yīng)在節(jié)點(diǎn) 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(bǔ)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(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)。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
RS瑞森半導(dǎo)體在汽車(chē)充電樁上的應(yīng)用
如何快速利用藍(lán)牙 AoA 和 AoD 進(jìn)行室內(nèi)物流追蹤
使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制
通信 | 歐洲數(shù)字信號(hào)干擾器項(xiàng)目