热电偶的冷端补偿和线性化

一、前言

温度信号的检测和控制，除了利用有源元件外，多数是采用热电阻或热电偶。这里介绍热电偶温度信号的处理。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、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。

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，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，VOUT也是温差的函数。定标因数，α，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

图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。VOUT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0°C (冰点)时是一种最简单的情况，如果TC = 0°C, 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0°C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0°C，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。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。

三、冷端补偿

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T0 0°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。 利用热敏电阻进行冷端补偿有时很方便，如图2所示。校准时要将Pt100换成标准电阻100W。校准后，再换上Pt100即可。

图2 利用热敏电阻进行冷端补偿 利用AD590的冷端补偿电路如图3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3 利用AD590的冷端补偿电路