基于晶体管PN结温度特性的热电偶冷端补偿

　　在信号检测的科研和教学实验工作中,经常遇到采用热电偶作为检测温度的敏感元件。它是基于热电效应原理工作的一个温度检测关键部件之一。最突出的特点是价格低廉、检测速度快、测量范围大,可以从-200℃~+1800℃进行连续温度测量。在工业现场中得到了广泛的应用。但是,热电偶温度检测应用中需要有一些条件限制,就是必须要进行一定的预处理技术,才能确保温度检测正常进行,如采用热电偶测温时必须进行相应的冷端温度补偿。否则严重影响其检测精度,甚至无法得到准确有效的结果[1-3]。本文提出的是采用晶体管PN结温度特性设计出热电偶冷端补偿电路,可以有效地解决温度检测中冷端补偿的问题。

　　1　热电偶传统冷端补偿原理

　　为了使热电偶的热电势EAB和被测温度(工作端) T呈现出明显的单值函数关系,即EAB(T,T0)=f(T),需要使热电偶的冷端的温度(参考端)T0保持恒定或进行其他预处理措施。冷端补偿是补偿周围介质温度波动给温度测量带来的误差。一般补偿方法是利用冷端补偿器件获得补偿电势,然后与热电偶测得的热电势相叠加,从而得到真正电势。

　　(1)冷端恒温方式

　　将热电偶的冷端置于温度恒定于0℃的保温环境中,在一个大气压条件下即可保证热电偶冷端在0℃。这时热电偶输出的热电势符合单值函数关系并符合该热电偶的分度表的对应关系。这种方法一般适用于实验室。

　　(2)冷却的延伸,即采用补偿导线技术

　　在工业测温时,被测温度点与指示仪表之间往往有较长的距离。为避免冷端温度受到被测温度和环境温度变化而带来的影响,也将热电偶的冷端适当远离工作端。为解决这一问题,一般采用专用补偿导线将热电偶的冷端延伸出来。为保证所接入的补偿导线在使用中不影响原热电偶回路的热电势的测量值,要求必须满足三个条件:①补偿导线与热电偶的两个连接点的温度必须相同;②补偿导线的正负极必须与热电偶保持严格一致;③补偿导线的热电特性必须保证在一定的工作范围内(0℃~100℃),要求所配用的热电偶的热电特性相同。补偿导线与热电偶的热电特性的微小差别在精密测量中表现出较大的误差。表1为K型热电偶和相对应的KC型补偿导线在0℃~100℃时的热电势变化表。从表1中可以看出,在0℃~40℃时,补偿导线与热电偶的测量值相等,但随着温度的继续升高,其测量误差增大,必须加以修正。

　　(3)冷端温度波动的电桥补偿

　　在热电偶与测量仪表之间接入一个直流电桥称为冷端补偿电桥。补偿电桥的3个桥臂电阻是用电阻温度系数极小的锰铜丝制成,可以认为阻值是定值;而另一桥臂电阻则用电阻温度系数大的铜丝制成。使用时用延长导线将热电偶冷端延伸到补偿电桥处,使补偿电桥与热电偶冷端感受同一温度Tn。当冷端温度Tn变化时,补偿电桥中的补偿电阻Rt也随着Tn变化补偿电桥输出一个不平衡电压Uab。Uab与热电偶输出的热电势EAB(T,Tn)叠加成输出电压Uo,并送往测量仪表。