基于PN结的热电偶补偿电路设计

更新时间：2023-08-27 21:11:01 阅读量：教育文库文档下载

说明：文章内容仅供预览，部分内容可能不全。下载后的文档，内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的，是否完整无缺。

热电偶冷端补偿电路推荐度：
相关推荐

研羝．弗镤计

电子测量技术

ＥＩ。ＥＣＴＲＯＮＩＣ

第３３卷第１１期２０１０年１１月

ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

基于ＰＮ结的热电偶补偿电路设计

包晔峰

单明东

杨

可常州

蒋永锋

２１３０２２）

（河海大学机电工程学院

摘要：热电偶在温控系统中得到了广泛应用，但在实际测温过程中对热电偶的冷端补偿是必不可少的。分析了几种常用的热电偶冷端补偿方法的优缺点，根据１Ｎ４１４８在恒流条件下其管压降与温度的线性关系设计了一种基于ＰＮ结的热电偶冷端补偿电路。该补偿方法具有成本低、精度高、通用性强等优点，该电路可以对不同型号的热电偶进行冷端补偿，同时具有断偶检测功能。对Ｅ型热电偶进行了冷端补偿试验，结果表明，该补偿电路对热电偶冷端补偿后使得温度偏差≤１℃。

关键词：热电偶；冷端补偿；ＰＮ结；恒流源；断偶检测中图分类号：ＴＭ９３０．１１５

文献标识码：Ａ

。

Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄ

ＢａｏＹｅｆｅｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ

ｏｆ

ｏｎ

ＰＮ

ｊｕｎｃｔｉｏｎ

Ｓｈａｎ

ａｎｄ

Ｍｉｎｇｄｏｎｇ

ＹａｎｇＫｅ

ＪｉａｎｇＹｏｎｇｆｅｎｇ

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ

ｔｈｅｍｏｃｏｕｐｌｅｈａｄｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔｔｈｅｃｏｌｄ

ｊｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ

ｃｏｌｄ

ｃｉｒｃｕｉｔｍｕｓｔｂｅｕｓｅｄｉｎａｃｔｕａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅａｄＶａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｓｅｖｅｒａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅ

ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓ

ａｒｔｉｃｌｅ，

ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ

ｔｈｅｍｏｃｏｕｐｌｅ

ｊｕｎｃｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ１Ｎ４１４８’ｓＦｏｒｗａｒｄＶｏｌｔａｇｅａｎｄ

ｔｏ

ＪｕｎｃｔｉｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｌｉｎｅａｒｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔ

ｃｏｌｄ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｆｌｏｗｓｔｈｅｄｉｏｄｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ａｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ

ａｃｃｕｒａｃｙ

ｊｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄ

ｃａｎ

ｏｎ

ｔｈｅＰＮ

ｊｕｎｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｗａｓｌｏｗｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ

ｔｈｅｃｉｆｃｕｉｔａｌｓｏ

ｔｅｓｔ

ｔｏ

ａｎｄ

ｓｔｒｏｎｇｕｎｉｖｅｒｓａｌ，ａｎｄｉｔｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ’ｓ

ｒｕｐｔｕｒｅ

ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ，

ａ

ｈａｄｔｈｅｄｕａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｒＩ．ＡｔＩａｓｔｈａｖｅｃｏｌｄ

ｊｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｈｅＥ＿－ｔｙｐｅｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ，ａｎｄｔｈｅ

ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｒｕＤｔｕｒｅ

ｔｈｅ

ｔｈｅｍｏｃｏｕｐｌｅ

ｃｏｌｄ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒ≤１

℃

ａｆｔｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ

ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ；ｊｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；

ＰＮ

ｊｕｎｃｔｉｏｎ；

ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔ

ｓｏｕｒｃｅ；

ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ’ｓ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

Ｏ

引言

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ｏ．２５℃，温度测量范围ｏ～１０２３．７５℃，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“１；软件补偿法哺１１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∞］。‘

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Ⅲ。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［”，使冷端温度恒定为ｏ℃，这种方法补偿精度高，误差小于Ｏ．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

１０

万方数据

包晔峰等：基于ＰＮ结的热电偶补偿电路设计

第１１期

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。

图１热电偶测温等效电路

由图１可以推出热电偶测温时的输出电势为：

Ｅ（ｆ，岛）＝Ｅ（ｔ，Ｏ）一Ｅ（￡。，Ｏ）

（１）

式中：ｆ为热端温度；ｆ。为冷端温度；Ｅ（ｆ，岛）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（ｆ，ｏ）为热电偶热端相对于０℃的绝对电势，下文简称热端电势ｆＥ（￡。，ｏ）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（ｆ，￡。）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（ｆ，ｏ），由式（１）得：

Ｅ（￡，Ｏ）一Ｅ（￡，￡。）＋Ｅ（￡。，Ｏ）

（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呻１，可以看出在一３０～５０℃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（岛，ｏ）可以用式（３）近似表示：

Ｅ（％，Ｏ）＝口ｒ。

（３）

式中：口为热电偶的温变系数，口＞ｏ，其数值与热电偶的类型有关。

将式（３）代入式（２），得：

Ｅ（ｔ，０）一Ｅ（ｆ，岛）＋口￡。

（４）

由式（４）可以看出，只要找到在一３０～５０℃的室温范围内输出电势与温度成正比的器件，即满足式（３）的关系，就能通过式（４）得到热电偶测的热端电势，而ＰＮ结的结电压与温度的特性正是线性的，可以利用ＰＮ结的结电压温度特性实现热电偶的冷端补偿，式（４）即为利用ＰＮ结对热电偶冷端补偿的数学模型。

１－２

ＰＮ结电压的温度特性

图２为１Ｎ４１４８的管压降与温度之间的关系曲线。由图２可知当恒定电流正向流过１Ｎ４１４８时，其管压

降有负的温变系数，对温度有较高的灵敏度、较好的线性，管压降与温度之间的关系可以表示为：

Ｕ＝Ｕ。＋幻。

（５）

式中：Ｕｏ为ｏ℃时，ｌＮ４１４８的管压降；志为１Ｎ４１４８温变系数，惫＜ｏ，通常为一２．ｏ～一２．５ｍＶ／℃。

万方数据

节点温度ｆ／。Ｃ

图２

１Ｎ４１４８管压降与温度之间的关系曲线

从式（５）可以看出，只要对１Ｎ４１４８的管压降Ｕ做简单的处理即可以使其满足式（３）的关系，再通过加法运算即可以完成对热电偶的冷端补偿。

２

基于１Ｎ４１４８的热电偶冷端补偿电路设计

图３为基于１Ｎ４１４８的热电偶冷端补偿电路的功能

框图。

Ｉ…一……‘’…一一…一……１

Ｉ………………………＿

图３基于１Ｎ４１４８的热电偶冷端补偿原理

图３中恒流源为１Ｎ４１４８提供恒定的电流，保证

１Ｎ４１４８的管压降与温度保持线性关系；调零衰减电路的

功能是消去式（５）中的常数项玑，并将温变系数忌值衰减

到与热电偶温变系数口相等，使式（５）变换成式（３）的形式；后级处理电路包括运算放大电路和偶断检测电路，运算放大电路通过加法电路实现式（４）的运算，即完成对热电偶的冷端补偿，得到热端电势并将热端电势放大一定的倍数，偶断检测电路的功能是检测偶丝是否断裂。由图２可见，正向流过１Ｎ４１４８的电流保持恒定是保证其管压降和温度有良好线性关系的前提，也就是说恒流源的性能是影响热电偶冷端补偿精度的重要因素。为此，流源，如图４所示。

由图４知，集成电源Ｕ１提供恒定电压，运放Ｕ２Ａ对电压进行负反馈，使得Ｒ。两端的电压降恒定为ＵｏＵＴ一

】】

２．１恒流源电路

设计了一个基于稳压集成电路Ｌ７８０５和运放ＬＭ３２４的恒

第３３卷电子测量技术

ＵＲＥＦ，流过ＲＬ的电流Ｊ与流过Ｒ：的电流近似相等，所以

Ｊ＝（Ｕ。一Ｌ，。ＥＦ）／Ｒ：，只需调节电位器Ｒ。，使得Ｕ。一

Ｕｍ＝１Ｖ，取Ｒｚ＝１０ｋＱ，即可得到Ｉ＝１００弘Ａ。

Ｄ

图６调零衰减电路

在图６中，ｌｏｏ弘Ａ的恒定电流由图３中的恒流源电路提供，取Ｒ。＝Ｒ。，Ｒ４＝Ｒ６，根据差分电路的原理得到：

图４恒流源电路

Ｕ：＝忌。（Ｕ，一Ｕ）

（６）

通过改变负载电阻ＲＬ测得恒流源的电流——负载特

性如图５所示。

式中：Ｕ是二极管１Ｎ４１４８正向管压降的凋零电压；志。一

燕×是，为衰减系数。

将式（５）带入式（６）得：

（８）：

乩＝愚，（Ｕ。一砜）一忌，忌。

（７）

当调零电压ｕ。＝ｕ。，一忌。忌＝口时，上式可以变换为式

Ｕ＝口。

（８）

调零电压仉可以通过桥式调零电路获得精确的调零

电压。图６中电阻Ｒ３、Ｒ。、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８和运放ＬＭ３２４组成的是衰减电路。由于不同型号的热电偶的温变系数是不同的（如表ｌ所示），为了能够使得该补偿电路与不同型号的热

图５恒流特性

电偶均能匹配，衰减系数惫，需保持在较大范围可调。

表１

热电偶温度系数（单位：ｐＶ／。Ｃ）

由图５可见该恒流源在负载电阻ＲＬ小于１２ｋＱ时，有比较理想的恒流特性，能满足用１Ｎ４１４８进行冷端补偿时对供电电源的要求。２．２调零衰减电路

基于式（４）分析的原理及１Ｎ４１４８的温度特性所设计的调零衰减电路如图６所示。

２．３后级处理电路

后级处理电路主要包括运算放大电路和偶断检测电路。如图７所示。

图７后级处理电路

１２

万方数据

包晔峰等：基于ＰＮ结的热电偶补偿电路设计

第１１期

后级由运放Ｕ２Ｃ和Ｕ２Ｄ及电阻Ｒ，。～Ｒ，。组成的电路主要是对热电偶信号的放大，图７中取Ｒ。。＝Ｒ。由加法放大电路原理可以得：

乩：＝乜［Ｕ＋Ｅ（￡，岛）］

（９）Ｄ

Ｄ

式中：愚：为热电偶信号的放大系数，曼。＝等×等。

１、ｌＯ

１、１４

将式（８）代入式（９）得：

Ｕ。。＝矗。［口ｏ＋Ｅ（￡，￡。）］＝矗：Ｅ（ｆ，Ｏ）

（１０）

式（１０）即为对热电偶冷端补偿后得到所需要热电偶热端电势。根据实际需要，同时调节Ｒ。和Ｒ一即可以使得放大系数是：满足后级电路的要求。在实际工作条件下，热电偶断裂是不可避免的，如果没有断偶检测功能，则会导致设备误操作，使系统失控。图７中的电阻Ｒ。和Ｃ：组成热电偶的断偶检测电路，当偶丝断裂时，由Ｒ，的上拉使得放大电路的后级输出较高的电势，后续电路通过检测电势就可以判断偶丝是否断裂。

３试验测试

用ＰＩＣｌ６Ｆ８７７Ａ单片机对热电偶冷端补偿后的信号Ｕ伽。进行Ａ／Ｄ采集，Ａ／Ｄ转换的分辨率为１０位，转换精度为１／２ＬＳＢ，试验时的基准温度值是通过温度传感器Ｄｓｌ８８２０测出的，ＤＳｌ８８２０的测量范围一５５～１２５℃，分辨率最大可达Ｏ．０６２５．ｃ［１０］，为了减少测量时带来误差，单片机对Ａ／Ｄ转换后的数据采用数值滤波处理，然后将滤波后的数值通过查热电偶热电势转温度表得出实际的温度值。试验所测得的数据如表２所示。

表２可见：本文设计的基于１Ｎ４１４８的热电偶冷端补偿电路对Ｅ型热电偶冷端补偿的误差≤１℃，误差率≤１％。

裹２实验数据

４结

论

１）通过分析得到１Ｎ４１４８在正向流过恒定电流的条件下其管压降具有负的、线性的温度系数。利用ｌＮ４１４８

万方数据

的温度特性可以实现对热电偶冷端补偿。

２）设计了基于稳压集成电路Ｌ７８０５和运放ＬＭ３２４的恒流源电路，该电路在负载小于１２ｋＱ时，其电流特性能

够满足热电偶冷端补偿电路对恒流特性的要求。

３）调零衰减电路能够实现对１Ｎ４１４８温度系数进行大范围的衰减，使得设计的热电偶冷端补偿电路可以对不同型号的热电偶进行冷端补偿。

４）通过试验数据表明该热电偶冷端补偿电路对Ｅ型热电偶冷端补偿的误差≤１℃，同时还具有断偶报警功能。

参考文献