Компенсация холодного спая термопары с использованием аналоговых датчиков температуры

В справочных таблицах и математических моделях термопар используется опорный спай при температуре 0 °C для определения выходного напряжения термопары. Однако на практике температура холодного спая обычно не равна 0 °C, и для правильной интерпретации выходного напряжения требуется электроника формирования сигнала. В контексте термопар это известно как компенсация холодного спая (CJC).

В этой статье мы увидим, как можно использовать аналоговые схемы для реализации компенсации холодного спая.

Основная идея аналоговой компенсации холодного спая показана на рисунке 1.

На рисунке 1 мы предполагаем, что горячий спай, холодный спай и измерительная система находятся соответственно в точках Th, Tc и TADC. Температура холодного спая (Tc) измеряется датчиком температуры (часто полупроводниковым датчиком, иногда термистором) и передается в «схему компенсатора» для создания соответствующего компенсирующего напряжения Vcomp. Это напряжение добавляется к выходному сигналу термопары Vtherm; таким образом, напряжение, измеряемое АЦП, равно:

$$V_{out}=V_{therm}+V_{comp}$$

Из нашей предыдущей статьи о компенсации холодного спая мы знаем, что Vcomp равно напряжению, создаваемому термопарой, когда ее горячий спай находится при температуре Tc, а холодный спай — при 0 °C. Это напряжение можно определить по справочной таблице термопар или по математической модели. Реализация справочной таблицы или математического уравнения в аналоговых схемах может оказаться чрезвычайно сложной задачей. Следовательно, в аналоговой конструкции Vcomp может быть лишь приблизительным значением фактического выхода термопары.

Аналоговые схемы CJC обычно используют линейную аппроксимацию для создания компенсирующего напряжения, близкого к фактическому выходному сигналу термопары. Такой результат возможен, поскольку температура холодного спая обычно изменяется в относительно узком диапазоне от комнатной температуры, а это означает, что линейное приближение может давать относительно точные значения. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько примеров аналоговых диаграмм CJC.

Пример реализации аналоговой компенсации холодного спая показан на рисунке 2.

В этом случае TMP35, низковольтный датчик температуры от Analog Devices, используется для измерения холодного спая термопары типа K. Неинвертирующий вход операционного усилителя измеряет выходное напряжение термопары Vtherm плюс напряжение, создаваемое TMP35, деленное на резисторы R1 и R2 (Vcomp). В переводе на математический язык напряжение на неинвертирующем входе VB определяется выражением:

$$V_{B}=V_{терм}+V_{комп}$$

Из теории компенсации холодного спая мы знаем, что Vcomp должно быть равно напряжению, которое выдает эталонная термопара при температуре 0 °C, когда она находится при температуре Tc, где Tc обычно находится в узком диапазоне около комнатной температуры. В таблице 1 показано выходное напряжение термопары типа К в диапазоне температур от 0 °C до 50 °C.

На рисунке 3 использованы приведенные выше данные (таблица 1) для построения зависимости выходного сигнала термопары типа К от температуры.

В этом ограниченном температурном диапазоне термопара имеет относительно линейный отклик. Чтобы схема компенсатора выдавала эти значения, Vcomp должен иметь тот же температурный коэффициент, что и используемая термопара, и проходить через произвольную точку приведенной выше характеристической кривой. По данным таблицы можно убедиться, что выходной сигнал термопары типа К изменяется примерно на 41 мкВ/°C при комнатной температуре (25°C).

Напряжение, создаваемое TMP35 (узел A на рисунке 2), имеет температурный коэффициент 10 мВ/°C. Чтобы уменьшить это значение до 41 мкВ/°C, нам нужен коэффициент масштабирования 41 мкВ/°C = 10 мВ/°C = 0,0041. Этот коэффициент масштабирования достигается за счет резистивного делителя напряжения, образованного R1 и R2, как рассчитано ниже (уравнение 1):

$$Attenuation\,Factor = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0.102\,k\Omega}{24.9\,k\Omega+0.102\,l\ Омега}\около0,0041$$