了解如何使用ADI公司和德州儀器TMP35和LM335溫度傳感器的示例實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。
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,冷端通常不是在0°C,需要信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備來(lái)正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的背景下稱為冷端補(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)幕驹砣鐖D1所示。.
***圖1. *模擬冷端補(bǔ)償概述圖
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處h, Tc,和
T模數(shù)轉(zhuǎn)換器。冷端溫度(Tc)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)量并輸送到“補(bǔ)償器電路”以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓項(xiàng)V比較。該電壓被添加到熱電偶輸出V中熱;因此,ADC測(cè)量的電壓為:
從我們之前關(guān)于冷端補(bǔ)償?shù)奈恼轮?,我們知?V比較等于熱電偶在其熱結(jié)在T處時(shí)產(chǎn)生的電壓 c, 其冷端為0°C。 該電壓可以通過(guò)熱電偶參考表或數(shù)學(xué)模型確定。對(duì)于模擬電路,實(shí)現(xiàn)查找表或數(shù)學(xué)方程可能極具挑戰(zhàn)性。因此,采用模擬設(shè)計(jì)時(shí),V比較只能是實(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。這種輸出是可能的,因?yàn)槔涠藴囟韧ǔT谑覝刂車(chē)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,我們將看一些模擬 CJC 圖的示例。
冷端補(bǔ)償示例 1—TMP35 溫度傳感器
模擬冷端補(bǔ)償?shù)氖纠龑?shí)現(xiàn)如圖2所示。
* 圖2. 模擬冷端補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)示例。圖片[重新創(chuàng)建]由ADI公司提供*
在這種情況下,ADI公司的低壓溫度傳感器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熱,加上 TMP35產(chǎn)生的電壓除以電阻器 R1 和 R2 (V比較)。翻譯成數(shù)學(xué)語(yǔ)言,同相輸入端的電壓,VB,由下式給出:
從冷端補(bǔ)償理論中,我們知道V比較應(yīng)等于0°C參考熱電偶在T溫度下輸出的電壓c其中 Tc通常在室溫附近的狹窄范圍內(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。*
°C | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
熱電電壓(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 |
圖3使用上述數(shù)據(jù)(表1)繪制K型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。
***圖3. *顯示K型熱電偶輸出與溫度的關(guān)系圖。
在這個(gè)有限的溫度范圍內(nèi),熱電偶似乎具有相對(duì)線性的響應(yīng)。為了使補(bǔ)償器電路產(chǎn)生這些值,V比較應(yīng)具有與所采用的熱電偶相同的溫度系數(shù),并從上述特性曲線中穿過(guò)任意點(diǎn)。您可以從表中的數(shù)據(jù)中驗(yàn)證K型熱電偶的輸出在室溫(41°C)下變化約25μV/°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)。 為了將該值降低到41 μV/°C,我們需要41 μV/°C的比例因子10 mV/°C = 0.0041。該比例因子通過(guò)R1和R2形成的電阻分壓器實(shí)現(xiàn),計(jì)算如下(公式1):
等式 1.
現(xiàn)在 V比較具有與熱電偶相同的溫度系數(shù),我們需要確保它也通過(guò)熱電偶特性曲線中的任意點(diǎn)。TMP35 在 250 °C 時(shí)產(chǎn)生 25 mV 的輸出。 該值乘以 0.0041(衰減因子),得出 V 比較 = 1.025 mV,接近表中的理想輸出(1 °C時(shí)為25 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),并且不需要偏移值。為了進(jìn)一步澄清這個(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)現(xiàn)示例。圖片 [重新創(chuàng)建] 由 TI 提供*
為了更好地理解該電路,我們首先忽略圖4中的“失調(diào)調(diào)整”部分,并找到節(jié)點(diǎn)C處的電壓。在本例中,LM335用于檢測(cè)冷端溫度。連接在 LM335 上的電位器能夠以 10 mV/°C 的標(biāo)稱值校準(zhǔn)傳感器輸出的溫度系數(shù)。 LM335 的輸出與絕對(duì)溫度成正比,傳感器的外推輸出在 0 K (?273.15 °C) 時(shí)為零伏。
該傳感器輸出端的誤差只是斜率誤差。因此,傳感器校準(zhǔn)可以通過(guò)傳感器上的電位器在任意溫度下進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如,為了在10 mV/°C下校準(zhǔn)傳感器的TC,我們可以將電位器調(diào)整為在2°C時(shí)的輸出電壓為VA = 982.25 V,計(jì)算如下:
與前面的示例類(lèi)似,R3和R4產(chǎn)生的電阻分壓器將半導(dǎo)體傳感器的10 mV/°C溫度系數(shù)分頻為所采用的熱電偶的溫度系數(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 VB溫度系數(shù)為 41 μV/°C。 節(jié)點(diǎn)C處的電壓由公式2給出:
等式 2.
為了實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償,VB應(yīng)具有與所采用的熱電偶相同的溫度系數(shù),并從熱電偶輸出曲線穿過(guò)任意點(diǎn)。在 25 °C 時(shí),V 一個(gè) = 2.982 V,因此,V B =2.9820.0041 = 12.22 mV。根據(jù)表1,1°C時(shí)的理想輸出為25 mV。 因此,我們需要從公式11中減去22.2 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“失調(diào)調(diào)整”部分實(shí)現(xiàn)的。
LM329 是一款精密溫度補(bǔ)償 6.9 V 基準(zhǔn)電壓源。如果我們忽略R7,電阻R5和R6形成分壓器。該分壓器應(yīng)在節(jié)點(diǎn)D處衰減6.9 V至11.22 mV。因此,我們有:
假設(shè)R5 = 200 kΩ,我們得到R6 = 320 Ω。因此,電路的總輸出由下式給出:
其中 V B -VD是總補(bǔ)償電壓,產(chǎn)生K型熱電偶的輸出電壓與溫度的關(guān)系曲線。圖7中的R2和R4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)。
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