基于集成温度传感器的热电偶冷端补偿方法

　　0　引　言

　　在温度测量中,热电偶是使用最普通的传感器之一,其输出电势是两端结点温度差的函数。为了使冷端在非零状态下输出的电势是被测温度的单值函数,必须进行冷端补偿。传统的热电偶温度补偿器是由分立元件构成的,其体积大、使用不够方便,且在改变桥路电源或热电偶类型时,需要重新调整电路的元件值,而对于大多数集成温度传感器,其输出电信号随温度的变化具有良好的线性特性,可作为理想的冷端补偿元件。因此,模拟式温度传感器和数字式集成温度传感器在热电偶冷端补偿中得到了广泛的应用[1]。本文从应用的角度,以K型镍铬镍硅热电偶为例,总结了集成温度传感器冷端补偿方法。

    因热电偶种类和型号较多,特性各不相同,又为突出实用,故以下讨论均结合实例。

　　1　冷端补偿原理

　　如前所述,热电偶输出电势是两结点温度差的函数,可表示为[1]：

　　式中　E(t,0)为冷端补偿后的热电势,mV;E(t, t0)为通过测量得出的热电势,mV;E(t0,0)为冷端温度t0相对0℃时的热电势,mV。

　　其补偿原理是在热电偶冷端人为地加入一个受同环境温度t0控制的温度传感器,使之产生的电参数的大小正好抵消因冷端温度变化而改变的E(t, t0)的变化大小,保持E(t,0)不变,即：

　　式中　f(t)为温度函数。这表明E(t,0)只与热端温度t有关,而与冷端温度t0无关,从而消除冷端温度对E(t,0)的影响,实现了冷端补偿。

　　2　模拟式冷端补偿方法

　　2.1　电流型模拟温度传感器冷端补偿方法

　　电流型模拟温度传感器冷端补偿电路如图1。图1中,R1,R1,R3和R4是低温度系数的精密电阻器,AD581是高精度的稳压电压源,电流型模拟温度传感器选用AD590,W1和W2是低温度系数的多圈精密电位器, IC1是低温漂高精度的运算放大器LM308A。AD590提供的电流在W1上产生上正下负的电压VW1：

　　式中　t0为摄氏温度,℃;T为绝对温度,K。

　　设热电偶为K型镍铬镍硅热电偶,其电压温度系数a=+41. 269μV/℃。当W1值被调节到41. 269Ω时,VW1=-(1μV/℃)×41. 269t0=-41. 269μV/℃·t0。此时,VW1+at0=0,相互抵消,V0=f(E(t,0)),其中,f(·)是放大电路的运算函数,即实现了冷端温度的自动全补偿。

    需要注意的是:使用其他类型热电偶时,应根据其电压温度系数重新调节W1的阻值。

　　另外,其他电流型集成温度传感器,如, LM134, LM234和LM334等的冷端温度补偿原理与AD590类似,此处不再赘述,可参阅文献[2]。

　　2.2　电压型模拟集成电路冷端补偿方法