基于PN结的热电偶补偿电路设计

　　0　引　　言

　　热电偶测量温度的基本原理是应用材料的热电现象,即当两根不同材料的导体组成闭合回路时,如果它们的两个结点的温度不同,则在该回路中就会产生热电势[1]。热电偶具有结构简单、成本低、使用方便、精度高等优点,是工业上最常用的测温元件。热电偶的热电势不仅与测量端的温度有关,还与冷端的温度有关。实际测量时冷端温度是随环境温度随时变化的,因而为了提高测温精度,必须对热电偶进行冷端补偿。

　　目前常用的热电偶冷端补偿方法有:冰点法、电桥法、专用集成芯片法、软件法等。冰点法将热电偶的冷端置于冰水混合物中[2],使冷端温度恒定为0℃,这种方法补偿精度高,误差小于0.001℃,但是由于工作条件的限制,这种方法只适用于对热电偶的校准;桥式补偿电路是一种传统的补偿方法[3],电路简单,在许多仪表中得到了应用,但是由于桥臂上电阻的精度和温漂以及热敏电阻的线性度等问题,桥式补偿电路的补偿精度较低,而且对于不同型号的热电偶必须作相应的匹配调整;集成芯片补偿法是采用热电偶冷端补偿专用芯片进行冷端补偿,如美芯公司的MAX6675,是一款专门用于K型热电偶冷端补偿的芯片,转换精度可以达到0.25℃,温度测量范围0~1 023.75℃,可以通过SPI串行接口总线直接与单片机进行通信,但是其成本较高、通用性较差,当用于其他型号热电偶测温时需要一些特殊处理[4];软件补偿法[5-7]通过另一个高精度温度传感器测出冷端温度,然后通过软件算法来补偿热电偶的冷端误差。此方法简单、精度高、成本低,但是软件开销大,不适合实时性要求高或复杂的系统。本文利用PN结的温度特性设计了一种精度高、通用性强的热电偶冷端补偿电路[8]。

　　1　热电偶冷端补偿原理

　　1.1　热电偶测温原理

　　热电偶测温电路可等效成图1。

　　由图1可以推出热电偶测温时的输出电势为:E(t,t0) = E(t,0)-E(t0,0)(1)式中:t为热端温度;t0为冷端温度;E(t,t0)为热电偶热端相对于冷端的相对电势,下文简称输出电势;E(t,0)为热电偶热端相对于0℃的绝对电势,下文简称热端电势;E(t0,0)为热电偶冷端相对于0℃的绝对电势,下文简称冷端电势。由式(1)可以看出热电偶的输出电势E(t,t0)等于热端电势与冷端电势之差,并不是测量热端温度需要的电势,测量热端温度需要的是热端电势E(t,0),由式(1)得:

　　E(t,0) = E(t,t0)+E(t0,0)(2)

　　由式(2)可见,热端电势为输出电势与冷端电势之和,冷端电势即为补偿电势。一般情况下,冷端为室温。分析热电偶的热电势数据[9],可以看出在-30~50℃的室温范围内,热电偶的热电势与温度之间有良好的线性关系,即E(t0,0)可以用式(3)近似表示:E(t0,0) =αt0(3)式中:α为热电偶的温变系数,α>0,其数值与热电偶的类型有关。将式(3)代入式(2),得: