原创 热电偶信号的冷端补偿和线性化处理方法

一、前言

　　热电偶感应温度输出一个电压信号，但是这个信号是非线性的。这里介绍热电偶温度信号的线性化处理。热电偶有着广泛的应用，应用得较多的有S、B、K、T、E热电偶。但是，已有资料介绍N偶也有很大的应用前途。这是由于N偶在高温下抗氧化能力强，长期稳定性好，能承受大幅度的温度冲击等等。由于N偶开发应用较晚，所以没有得到充分的利用。我们相信N偶很快会加入到主要的应用范围中来。


热电偶检测到的温度信号有如下特点：

(1)能用到高温的热电偶，信号都较小，如B偶，1800°C时只有13.585mV。即使是信号较大的K偶，在1300°C时，也只有52.398mV。这就意味着对检测到的信号要进行放大。


(2)热电偶分度表中给出的数据是以0°C为参考点。实际应用时，环境常常不是0°C。为热电偶冷端创造一个0°C环境，通常的作法是进行冷端补偿。


(3)热电偶的温度信号非线性很大，尤其是B偶。并且，各种热电偶随温度的升高，在某一温度下，热电势的增加量变小。这就使线性化变得困难。


　　由于上述原因，热电偶的温度信号调理电路就比较复杂。下边我们主要介绍适用于各种热电偶信号调理电路的冷端补偿和线性化方法。


二、冷端补偿

热电偶的电势差EAB为：

式中， —Seebeck系数；

T—热端或工作端的温度；

T0—冷端或自由端的温度。

一般使用说明书给出的EAB-T曲线或数据，都是以T0=0°C给出的，因此，实际应用时若T0¹0°C应进行修正，称为冷端补偿或应用下式进行修正。



式中，t0为冷端温度。例如，利用K偶进行温度测量，当t0=30°C时，测得EAB(T,t0)=36.29mV，依K偶的分度表查得EAB(t0,0)=EAB(30,0)=1.20mV，则依前式得： mV 查表得904°C。若手上没有分度表，也可以在这里下载一个计算软件：参考温度,热电偶分度号,温度,热电势的关系-计算软件下载

利用热敏电阻进行冷端补偿有时很方便，如图1所示。校准时要将Pt100换成标准电阻100W。校准后，再换上Pt100即可。 利用AD590的冷端补偿电路如图2所示。图中的数据适用于K偶，对其它热电偶，Seebeck系数、R2、V2的值应作相应改变。

图1 利用热敏电阻进行冷端补偿




图2 利用AD590的冷端补偿电路



三、热电偶温度信号的线性化



　　热电偶温度信号非线性是比较大的，如B偶，从0°C升高到1800°C，热电势从0mV变化到13.585mV，每100°C热电势增加最大的约为最小的8倍。B偶的最大输出热电势只有13.585mV，而且当温度升高到约1700°C时，该增加值下降。其它热电偶都存在类似的问题，尽管稍有不同。这又给线性化增加了难度。



从这一特性出发，热电偶温度信号的线性化主要有如下几种方法。

(1)单反馈法

　　利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。几种非线稍小的热电偶，可以采用这种方法，特别是在温区要求不宽的情况下。有时，由于在其一温区有精度要求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在其它温区可以放宽精度要求，甚至不要求，只作监视用。



(2)折线近似法

　　这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。处理得好可以达到较高的精度。这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。



图3 折线近似法

　　该种方法的电路原理图如图3所示。该电路的工作过程是：当输入的电压信号较低时，IC1中的反相端电压较同相端(A)低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的，B点同样），IC1的输出端电压较高，D1截止。当输入信号电压接近IC1的同相端时，IC1的输出逐渐降低，随之，D1逐渐导通，V4逐渐增大，直到V4接近A点电压为止。这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。IC2的工作过程与此类似，不同的是B点电位比A点高。当输入电压在A点电压以下时，D2截止，IC2不工作；只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。工作过程与IC1相同。所用折线的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到0.5%以上。当D1、D2都导通后，可推出： 式中，VF为晶体管发射结的正向压降。



四、完整的热电偶信号调理电路



　　完整的热电偶信号调理电路，除了前边介绍的冷端补偿和线性化部分外，还应包括放大和输出电路。在前边我们曾说过，热电偶的输出信号较小，尤其是B偶，即或是K偶也不够大。此外，我们前边介绍的线性化电路，也是以信号的衰减为代价的。因此，作为信号调理电路的前级，即为放大级。放大倍数的大小是根据线性化和输出的标准要求决定的。对不同的热电偶放大倍数是不同的。

信号调理电路的最后部分，即为输出信号的标准化处理。这是由用户的要求决定的。可以是电压信号，也可以是电流信号。



五、小结



　　这里介绍了热电偶信号调理电路，主要介绍的是冷端补偿和线性化。用铂电阻作冷端补偿，简单实用；实践证明，用分段线性化方法，对各种热电偶，包括整个正信号温区，信号处理的精度都可以达到0.5%以上。这里提出的线性化方法也适用于其它非线性信号的线性化处理。



参考资料

1. 孙立红等，《传感器及其接口技术》，中国石化出版社，第二章和第八章。

2. 罗锋，《N型热电偶的技术特性及应用》，《自动化与仪表》，1998,4,P57。