热电偶冷端温度补偿电路的优化设计研究

热电偶冷端温度补偿电路的优化设计研究

                                 ,陈杰萍,龚明

               浙江春晖仪表股份有限公司 浙江绍兴312300

摘要：热电偶可将温度转化为电动势，属于传感器的一种，因其具有稳定性、准确性等优势，被广泛应用到工业领域。热电偶冷端受环境因素影响，经常出现温度变化，通过温度补偿措施，可确保热电偶应用效果良好。本文设计一种集成电路，可应用到热电偶冷端温度补偿中，电路结构简单，投入成本较低、补偿效果显著。

关键词：热电偶；温度补偿；集成电路；冷端

引言：传统热电偶冷端补偿器因体积大、效果差，无法确保热电偶应用最佳效果。国内外学者积极投入到补偿电路设计研究中，但由于电路结构较为复杂，故调试工作难度加大。国外推出的MAX、AD系列芯片，具备温度补偿和非线性误差调整功能，将其应用到补偿电路优化设计中，可提高热电偶的灵敏度。

1SPI总线温度补偿及转换器设计

1.1工作原理

    基于SPI总线的芯片，具有冷端温度补偿功能，且可实现信号的数字化处理。将该系统作为冷端温度补偿的核心装置，同时具备温度测量、温度补偿两种功能。内置二极管可将温度信号转化为补偿电压信号，利用数模转换器可以将电势、电压转换为温度数据，通过SPI串口连接方式，测定热电偶冷端区域的温度参数。芯片配置使用12为              ADC，支持测量温度最高达到1000℃左右，且在700℃范围内可以确保精度在8个字段之内，信号转换仅需要0.15s左右即可完成。芯片具备自动故障监测功能，在热电偶处于开路、闭路中，输出数据值不同。芯片采用SPI串行接口方式，外部配置控制器，支持智能控制器安装，可将芯片挂在总线上，形成补偿系统。芯片内连接地线、电压正极、电容器，电容器内部接地。热电偶冷端外部接地。热端为SCK串行连接，片选端为CS连接，设置空脚。当热电偶产生热电势之后，会经过电压放大器放大，并得到电势信号，经过处理后，将其输送至ADC之中，完成温度测量过程。数字控制器启动，会将温度转化为补偿电压值，实现冷端温度补偿的过程。本文研究所选择的热电偶型号为K型，芯片类型为AD8495[1]。

1.2测温系统

    测量补偿系统电路设计通过译码驱动器、电位驱动器、声光报警器、按钮的组合，形成温度测量补偿电路系统。热点与芯片的正极端和负极端相连接，采用冷端接地的连接方式。主机控制应用单片机，芯片在电路系统中发挥从机的作用。系统运行过程中会从端口内向芯片发送串行时钟，接收芯片所输出的温度数据。此时，端口的低电平会处于重置状态。电力系统内设置LED数码管，定位在10位以上。配置五根阴极管，使得系统可测量温度最高值达到1000℃以上，且误差值可以控制在0.1℃以内。端口安装译码驱动器和位驱动器，利用端口驱动的方式解码。同时在端口位置安装声光报警装置，与扬声器连接，当热电偶出现温度过高、开路故障时，信号会经由电路传输到扬声器内，为相关人员报警。

2隔离式温度补偿及信号调理器设计

2.1温度补偿器

    温度补偿器选择应用AC1226型号元件，由美国ADI公司生产。温度补偿器与信号调理器组合应用，可以起到补偿和调理的基本功能。温度补偿器内设传感器装置，电压、温度之间数据呈正比例关系，可外接数字电压表，用于显示环境温度数值。该装置连接于热电偶冷端，可实现自动补偿的作用。支持多种型号热电偶冷端电压补偿。元件具备修正、校准功能，适配隔离式信号调理器，可实现信号的放大、调制等功能，抑制电路运行期间所产生的噪声。元件配置内置温度传感器、修正电路、缓冲装置、电阻分压装置等，可对热电偶中的非线性参数进行修正，精度可以达到0.5℃以内。缓冲器采用两路输出模式，并通过电阻分压器实现电压温度系数的调整。当冷端温度为0℃时，输出电压值为0，当温度在0℃以上时，在50℃范围内实现温度补偿，才能够提供补偿电压。根据热电偶的最佳修正系数计算，为冷端提供精准的温度补偿。

2.2信号调理器

    隔离式信号调理器选择配置型号为1B51，该元件具有隔离性能良好、精度高等优势。支持多通道热电偶温度数据的采集和应用。输入信号范围最高可以达到5V，最低为10mV。该元件可实现外部设定增益，对噪声的抑制比可以达到150dB以上，并可承受连续1500V的电压干扰，在恶劣的环境中应用效果良好。将温度补偿器与信号调理器共同配置应用到热电偶冷端温度补偿之中，内部结构包括保护电路、调制器、隔离变压器、振荡器、隔离电源等。振荡器功率值为25kHz，由15V电源供给电力，定时为信号解调器提供信号，同时驱动变压器运转。次级电压经过整流、滤波处理后，剩余未稳压电源从两端出线，利用保护电路限制电压值在8V以内。噪声滤波器具备过滤噪音的作用，使得温度测量和温度补偿更加精准。选择配置的噪声滤波器为单极性，数量为两个，同时具备限流保护的作用，在信号调制、过滤、处理之后，在解调器的作用下，将其恢复成为基频信号，最终过滤掉高频干扰，将最终结果输出

[2]。

2.3调理电路

热电偶冷端温度补偿电路优化设计将温度补偿器和信号调理装置相连接，实现冷端温度的精准测量、精准补偿，实现补偿过程中的电气隔离，滤除对温度补偿有所影响的干扰及噪声，具体调理电路设计如图1所示。

图 1 热电偶冷端温度补偿及调理电路图

电路图中的温度补偿器使用AC1226型号设备，可以根据热电偶的类型，配置其他不同类型的温度补偿器。温度补偿电路结构中应用1B51型号信号调节器，可实现仪表装置、冷端温度补偿过程中的电气隔离，并将电力系统运行过程中产生的噪音、信号干扰等进行滤除。同时，在正向电压输入模式下，为满足零下温度的测量，通过串联高电阻和配置隔离电源的方式，满足该要求。线路电阻值为150KΩ，隔离电源参数为5V。

结论：综上所述，目前可应用到热电偶冷端温度补偿的芯片功能强大，且适用性较广，同时具备补偿功能和故障报警功能。本文将补偿芯片应用到集成电路的设计之中，通过转换器、信号调理器的设计，实现传感器的温度补偿。该电路因功能强大、结构简单，在工业配置、温度补偿等领域中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]肖晖,史凌云,孙标,等.多轴运动机械臂及定位装置在热电偶自动检校领域的应用方案探究[J].计量与测试技术,2023,50(01):13-16.

[2]周洪琴,王勇,尹怀鑫.碳素焙烧炉内N型铠装热电偶的失效机理研究[J].自动化仪表,2022,43(12):118-122.