CN204043810U - 一种热电偶信号冷端温度补偿装置 - Google Patents

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奚志勇
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Abstract

本实用新型涉及一种热电偶信号冷端温度补偿装置，包括冷端补偿运算电路，冷端补偿运算电路分别连接有冷端温度输入电路和调零偏置电压电路；冷端补偿运算电路包括运算放大器，运算放大器的负输入端通过电阻R6与其输出端连接，运算放大器的正输入端分别连接电阻R5和R7的一端，电阻R7的另一端接地，电阻R5的另一端与热电偶信号连接，运算放大器的正输入端还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端与所述冷端温度输入电路连接，运算放大器的负输入端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端与所述调零偏置电压电路连接。本设计具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便。

Description

一种热电偶信号冷端温度补偿装置
技术领域
本实用新型涉及一种热电偶信号冷端温度补偿装置，属于传感器信号处理技术领域。
背景技术
热电偶作为一种接触式温度传感器应用非常普遍。它具有测量精度高、响应时间快、测量范围大、性能可靠、机械强度好、使用寿命长、安装方便等优点。热电偶最常用指定的大写字母来指示其组成，例如K型用镍铬和镍铝制成。
传统的冷端补偿方法是热电阻电桥补偿法。由分立元件构成的，其体积大、使用不够方便、且在改变热电偶类型时，需要重新调整电路的元件值。电桥补偿方式是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的总电势的变化，它是一种能随着温度变化而自动补偿的方法。如将热电偶冷端置于相同环境温度中，电桥的输出端串接在热电偶回路中，其中3个桥臂电阻与限流电阻均用锰铜丝绕制，其阻值几乎不随温度变化。另一电桥臂电阻R是由电阻温度系数较大的镍丝绕制的补偿电阻，其阻值随着温度升高而增大，电桥由直流稳压电源供电。
热电偶热电势和补偿电桥输出电压两者随温度变化特性不完全一致，故冷端补偿器补偿温度范围内不到完全补偿，误差较大。因而热电阻的非线性特征，导致了补偿的精度较低。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：为克服上述问题，提供一种自动补偿的热电偶信号冷端温度补偿装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种热电偶信号冷端温度补偿装置，包括冷端补偿运算电路，所述冷端补偿运算电路分别连接有冷端温度输入电路和调零偏置电压电路；
所述调零偏置电压电路包括基准电压源，所述基准电压源一端与外接5V电源连接，其另一端与电位器RP1的一端连接，所述电位器RP1的另一端与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地；
所述冷端温度输入电路包括温度传感器，所述温度传感器一端与外接5V电源连接，其另一端与电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端接地；
所述冷端补偿运算电路包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端通过电阻R6与其输出端连接，所述运算放大器的正输入端分别连接电阻R5和R7的一端，所述电阻R7的另一端接地，所述运算放大器的正输入端还连接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端连接在所述温度传感器和所述电阻R1之间，所述运算放大器的负输入端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接在所述电位器RP1和电阻R2之间。
优选地，所述温度传感器为AD590温度传感器。
优选地，所述基电压源为AD584基准电压源。
优选地，所述运算放大器为OP07运算放大器。
本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单，与电桥补偿相比，本设计具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型一个实施例的结构示意图；
图2是本实用新型所述冷端温度输入电路的电路图；
图3是本实用新型所述调零偏置电压电路的电路图；
图4是本实用新型所述冷端补偿运算电路的电路图。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
如图1所示的本实用新型所述一种热电偶信号冷端温度补偿装置，包括冷端补偿运算电路，所述冷端补偿运算电路分别连接有冷端温度输入电路和调零偏置电压电路；
所述冷端补偿运算电路包括运算放大器，如图4所示，所述运算放大器的负输入端通过电阻R6与其输出端连接，所述运算放大器的正输入端分别连接电阻R5和R7的一端，所述电阻R7的另一端接地，所述电阻R5的另一端与热电偶信号连接，所述运算放大器的正输入端还连接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端与所述冷端温度输入电路连接，所述运算放大器的负输入端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端与所述调零偏置电压电路连接；
在本实施例中，以K型镍铬镍铝热电偶为例，本新型分析了集成温度传感器冷端补偿方法，进而提高了温度测量准确性，并给出具体实现方案。使用其他类型热电偶时,需要调整相关电阻的阻值。
所述调零偏置电压电路包括基准电压源，如图3所示，所述基准电压源一端与外接5V电源连接，其另一端与电位器RP1的一端连接，所述电位器RP1的另一端与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电阻R3的另一端连接在电位器RP1和电阻R2之间，所述基准电压源在本实施例中可以产生精准2.5V电压，其调节电位器RP1，使得电阻R2上产生的调零偏置电压U0为10.65mV，可以作为冷端温度输入电路的调零偏置电压；
所述冷端温度输入电路包括温度传感器，如图2所示，所述温度传感器一端与外接5V电源连接，其另一端与电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R4的另一端连接在所述温度传感器和所述电阻R1之间，在本实施例中，电阻R1是39Ω低温度系数的精密电阻器。当测量点的温度发生变化时，所述温度传感器的输出电流I随之发生变化，其变化率与K氏温度成正比，即1μA/K。
所述温度传感器提供的电流在电阻R1上产生电压差ΔU，其电压变化率与摄氏温度成正比，即0.039mV/℃。其电压变化率与热电偶的冷端电压变化率一致，因此可以线性补偿冷端温度。
ΔU＝(1μA/K)*R1＝(1μA/℃)*R1＝(1μA/℃)*39＝0.039mv/℃(1)。
当测量点为0℃(K氏温度为273K)时，所述温度传感器提供的电流在电阻R1上产生电压UL，即10.65mV。
UL＝(1μA/K)*273*R1＝(1μA/K)*273*39＝10.65mV(2)。
将冷端温度输入电压、温度传感器调零偏置电压、热电偶冷端温度电压进行加减运算，实现热电偶冷端温度的补偿。其运算公式为：
E＝ET+UL-U0＝ET0+ΔE+ΔU(3)；
式中：ET为随冷端温度变化的热电偶电压，其电压由ET0+ΔE组成，ET0为冷端温度T0为0℃时的热电偶电压，ΔE为冷端温度T相对于T0的相对电压差，UL-U0的值ΔU为随温度而变化的冷端补偿电压。
热电偶冷端温度补偿过程，就是在冷端加入一个受同一环境温度控制、相反极性的补偿电势，从而使冷端的总热电势不再随环境温度而变化，实现冷端温度自动全补偿。
当热电偶的冷端温度测量点为0℃(K氏温度为273K)时，温度传感器提供的电流在电阻R1上产生电压UL，即10.65mV，温度传感器调零偏置电压U0为10.65mV，代入运算公式(3)可以得出冷端补偿电压为0V。
查找K分度表，可知冷端温度为0℃时，E＝ET0。
当热电偶的冷端温度测量点为25℃(K氏温度为298K)时，温度传感器提供的电流在R1上产生电压UL，即11.62mV，温度传感器调零偏置电压U0为10.65mV，代入运算公式(3)可以得出冷端补偿电压为0.97mV。
查找K分度表，可知冷端温度为25℃时，ET为随温度变化的电压，ΔE为-0.968mV，由公式可知：
E＝ET0+ΔE+ΔU＝ET0-0.968mV+0.97mV＝ET0-0.002mV。
热电偶冷端补偿电压误差为0.002mV，对应为0.05℃，误差极小，线性度高，补偿效果好。
在优选的实施方案中，所述温度传感器为AD590温度传感器，利用集成温度传感器AD590对热电偶进行冷端温度补偿，具有精度高、成本低、体积小、调试简单、使用灵活、冷端温度补偿范围大等优点，在使用中，只需将热电偶的冷端与集成温度传感器AD590置于同一环境中，不论环境温度如何改变，均可在电路的输出端得到正比于热电偶工作端温度的电压值。
在优选的实施方案中，所述基电压源为AD584基准电压源，AD584基准电压源是一款八引脚精密基准电压源，提供引脚可编程的四种常用输出电压选择：10.000 V、7.500 V、5.000 V和2.500 V。
在优选的实施方案中，所述运算放大器为OP07运算放大器，OP07运算放大器最显著的特点是失调电压低为10μV，失调电压温度系数为0.2μV/℃，无需外补偿和外接器件保护元件。广泛应用于稳定积分、精密加法器、比较器、阈值电压检测电路和对微弱信号精确放大等电路。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种热电偶信号冷端温度补偿装置，其特征在于，包括冷端补偿运算电路，所述冷端补偿运算电路分别连接有冷端温度输入电路和调零偏置电压电路；
所述调零偏置电压电路包括基准电压源，所述基准电压源一端与外接5V电源连接，其另一端与电位器RP1的一端连接，所述电位器RP1的另一端与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地；
所述冷端温度输入电路包括温度传感器，所述温度传感器一端与外接5V电源连接，其另一端与电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端接地；
所述冷端补偿运算电路包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端通过电阻R6与其输出端连接，所述运算放大器的正输入端分别连接电阻R5和R7的一端，所述电阻R7的另一端接地，所述运算放大器的正输入端还连接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端连接在所述温度传感器和所述电阻R1之间，所述运算放大器的负输入端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接在所述电位器RP1和电阻R2之间。
2.如权利要求1所述的热电偶信号冷端温度补偿装置，其特征在于，所述温度传感器为AD590温度传感器。
3.如权利要求1所述的热电偶信号冷端温度补偿装置，其特征在于，所述基准电压源为AD584基准电压源。
4.如权利要求1所述的热电偶信号冷端温度补偿装置，其特征在于，所述运算放大器为OP07运算放大器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105651409A (zh) * 2016-04-06 2016-06-08 中国南方航空工业(集团)有限公司 热电偶冷端补偿测温电路和装置
RU2623196C1 (ru) * 2016-05-31 2017-06-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" Устройство для измерения температуры
CN108007596A (zh) * 2017-11-27 2018-05-08 陕西电器研究所 一种热电偶温度信号调理电路

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