热电偶的冷端补偿

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1、电偶冷端补偿2008-06-30 11:28温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与 RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与 RTD、温度传感器 IC 相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD 和温度传感器 IC 可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理

2、。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。热电偶基础热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表 1 列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。表 1. 常用的热电偶类型 类型 正端金属/合金 负端金属/合金 温度范围(C)T 铜 镍铜合金 -200 至+350J 铁 镍铜合金 0 至+750K 镍铬合金 镍基热电偶合金 -200 至+1250E 镍铬合金 镍铜合金 -200 至+900两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点，如图 1a 所示

3、，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为 Seebeck 效应，用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck 效应相对于 Peltier 效应，Peltier 效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图 1a 所示，测量电压 VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为 VH和 VC是由两个结的温度差产生的，V OUT也是温差的函数。定标因数，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck 系数。图 1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是 Seebeck 效应的结果。图 1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。 图

4、 1b 所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属( 中间 金属)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。V OUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与 Seebeck 系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。冷端温度为 0C (冰点)时是一种最简单的情况，如果 TC = 0C, 则 VOUT = VH。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类

5、型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于 0C 冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的 VH可以确定热端温度。在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是 0C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。选择冷端温度测量器件如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器 IC、电热调节器和 RTD 中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。对于精度

6、要求非常高的器件，经过校准的铂 RTD 能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器 IC 能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅 IC 具有更宽的测温范围，而传感器 IC 具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器 IC 具有出色的线性度，但测温范围很窄。总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到最佳的性价比。考虑因素一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用 NBS 提供的查找表，用软件实现查找表

7、需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度

8、取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。应用电路下面讨论了三种利用硅传感器 IC 进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄(0C 至+70C 和-40C 至+85C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。所有三个电路均采用 K 型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。示例#1图 2 所示电路中，16 位 - ADC 将低电平热电偶电压转换成 16 位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善 AD

9、C 的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测 IC 靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种方法假设 IC 温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由 ADC 的通道 2 进行数字转换。温度传感器内部的 2.56V 基准节省了一个外部电压基准 IC。 图 2. 本地温度检测 IC (MAX6610)确定冷端温度。温度检测 IC 靠近热电偶接点(冷端 )放置，热电偶和冷端温度传感器输出电压由 16 位 ADC (MX7705)转换。 工作在双极性模式时，ADC 可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道 1 输出。ADC 的通道 2 将 MAX6610 的单端输出电压转换成数字信

10、号，提供给微控制器。温度检测 IC 的输出电压与冷端温度成正比。为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过 NBS 提供的 K 型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过 PGA 增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。表 2 列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40C 至+85C，热端保持在+100C。实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测 IC 的精度和烤箱温度。表 2. 图 2 电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度 冷端温度(C)热端测量温度*(C)测量值#1 -39.9 +101.4测量值#2 0.0 +101.

11、5测量值#3 +25.2 +100.2测量值#4 +85.0 +99.0* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。示例#2图 3 所示电路中，远端温度检测 IC 测量电路的冷端温度，与本地温度检测 IC不同的是 IC 不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测 IC 将晶体管的测量温度转换成数字输出。ADC 的通道 1 将热电偶电压转换成数字输出，通道 2 没有使用，输入直接接地。外部 2.5V 基准 IC 为 ADC 提供基准电压。图 3. 远端二极管温度检测 IC 不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。

12、MAX6002 为 ADC 提供 2.5V 基准电压。表 3 列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40C 至+85C，热端保持在+100C。实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测 IC 的精度和烤箱温度。表 3. 图 3 电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度 冷端温度(C)热端测量温度*(C)测量值#1 -39.8 +99.1测量值#2 -0.3 +98.4测量值#3 +25.0 +99.7测量值#4 +85.1 +101.5* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。 示例#3图 4 电路中的 12 位 ADC 带有温度检测二极管，温度检测二极管将环境温度转换成电压量，

13、IC 通过处理热电偶电压和二极管的检测电压，计算出补偿后的热端温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果，在 0C 至+700C 温度范围内，器件温度误差保持在9 LSB 以内。虽然该器件的测温范围较宽，但它不能测量 0C 以下的温度。图 4. 集成了冷端补偿的 ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。 表 4 是 4 所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0C 至+70C，热端温度保持在+100C。表 4. 图 4 电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度 冷端温度(C)热端测量温度*(C)测量值#1 0.0 +100.25测量值#2 +25.2 +100.25测量值#3 +50.1

14、+101.0测量值#4 +70.0 +101.25* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。结论由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。热电偶所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即可确定出热端的实际温度值。冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂 RTD精度最高，但成本也最高。电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。硅温度传感器检测 IC 工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能够满足多数热电偶应用的需求。热电偶冷端的温度补偿2007-01-26来源

15、：西部工控网浏览：53 热电偶材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表距离都很远，节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶冷端（自由端）延伸到温度比较稳定控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线作用只起延伸热电极，使热电偶冷端移动到控制室仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温影响，不起补偿作用。，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度 t00时对测温影响。使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端温度不能超过100。常用热电偶补偿导线列于表 3-1 中。表 3-1 常用热电偶补偿导线配用热电偶分度号 补偿导线型号 补偿导

16、线正极 补偿导线负极 补偿导线 100热电势允许误差，mV 材料 颜色 材料 颜色 A(精密级) B(精密级) S SC 铜 红 铜镍 绿 0.6450.023 0.6450.037 K KC 铜 红 铜镍 蓝 4.0950.063 4.0950.105 K KX 镍铬 红 镍硅 黑 4.0950.063 4.0950.105 E EX 镍铬 红 铜镍 棕 6.3170.102 6.3170.170 J JX 铁 红 铜镍 紫 5.2680.081 5.2680.135 T TX 铜 红 铜镍 白 4.2770.023 4.2770.047 注：补偿导线型号头一个字母与热电偶分度号相对应；第二个字母字 X 表示延伸型补偿导线，字母 C 表示补偿型补偿导线。 1、冷端温度校正法 因各种热电偶分度关系是冷端温度为 0时到,测温热电偶热端为 t，冷端温度 t0(t00)，就不能用测 E