了解如何使用ADI公司和德州儀器TMP35和LM335溫度傳感器的示例實現冷端補償。

熱電偶查找表和數學模型使用0°C的參考結來指定熱電偶輸出電壓。然而，在實踐中，冷端通常不是在0°C，需要信號調理電子設備來正確解釋輸出電壓。這在熱電偶的背景下稱為冷端補償（CJC）。

在本文中，我們將了解如何使用模擬電路來實現冷端補償。

模擬電路中的冷端補償

模擬冷端補償的基本原理如圖1所示。.

***圖1. *模擬冷端補償概述圖

在圖1中，我們假設熱端、冷端和測量系統分別位于T處h， Tc，和

T模數轉換器。冷端溫度（Tc）由溫度傳感器（通常是半導體傳感器，有時是熱敏電阻）測量并輸送到“補償器電路”以產生適當的補償電壓項V比較。該電壓被添加到熱電偶輸出V中熱;因此，ADC測量的電壓為：

從我們之前關于冷端補償的文章中，我們知道 V比較等于熱電偶在其熱結在T處時產生的電壓 c, 其冷端為0°C。 該電壓可以通過熱電偶參考表或數學模型確定。對于模擬電路，實現查找表或數學方程可能極具挑戰性。因此，采用模擬設計時，V比較只能是實際熱電偶輸出的近似值。

模擬CJC電路通常使用線性近似來產生接近實際熱電偶輸出的補償電壓。這種輸出是可能的，因為冷端溫度通常在室溫周圍相對較窄的范圍內變化，這意味著線性近似可以產生相對準確的值。在接下來的幾節中，我們將看一些模擬 CJC 圖的示例。

冷端補償示例 1—TMP35 溫度傳感器

模擬冷端補償的示例實現如圖2所示。

* 圖2. 模擬冷端補償的實現示例。圖片[重新創建]由ADI公司提供*

在這種情況下，ADI公司的低壓溫度傳感器TMP35用于測量K型熱電偶的冷端。運算放大器的同相輸入測量熱電偶輸出電壓V熱，加上 TMP35產生的電壓除以電阻器 R1 和 R2 （V比較）。翻譯成數學語言，同相輸入端的電壓，VB，由下式給出：

從冷端補償理論中，我們知道V比較應等于0°C參考熱電偶在T溫度下輸出的電壓c其中 Tc通常在室溫附近的狹窄范圍內。表1顯示了K型熱電偶在0 °C至50 °C溫度范圍內的輸出電壓。

* 表 1. 數據由REOTEMP提供。*

圖3使用上述數據（表1）繪制K型熱電偶輸出與溫度的關系圖。

***圖3. *顯示K型熱電偶輸出與溫度的關系圖。

在這個有限的溫度范圍內，熱電偶似乎具有相對線性的響應。為了使補償器電路產生這些值，V比較應具有與所采用的熱電偶相同的溫度系數，并從上述特性曲線中穿過任意點。您可以從表中的數據中驗證K型熱電偶的輸出在室溫（41°C）下變化約25μV/°C。

TMP35（圖 2 中的節點 A）產生的電壓具有 10 mV/°C 的溫度系數。 為了將該值降低到41 μV/°C，我們需要41 μV/°C的比例因子10 mV/°C = 0.0041。該比例因子通過R1和R2形成的電阻分壓器實現，計算如下（公式1）：

等式 1.

現在 V比較具有與熱電偶相同的溫度系數，我們需要確保它也通過熱電偶特性曲線中的任意點。TMP35 在 250 °C 時產生 25 mV 的輸出。 該值乘以 0.0041（衰減因子），得出 V 比較 = 1.025 mV，接近表中的理想輸出（1 °C時為25 mV）。因此，對于TMP35，我們只需要一個電阻分壓器即可將半導體溫度傳感器的溫度系數調整為所采用的熱電偶的溫度系數，并且不需要偏移值。為了進一步澄清這個討論，讓我們看另一個例子。

冷端補償示例 2—LM335 溫度傳感器

另一個模擬冷端補償電路如圖4所示。

* 圖4. 冷端補償的另一個實現示例。圖片 [重新創建] 由 TI 提供*

為了更好地理解該電路，我們首先忽略圖4中的“失調調整”部分，并找到節點C處的電壓。在本例中，LM335用于檢測冷端溫度。連接在 LM335 上的電位器能夠以 10 mV/°C 的標稱值校準傳感器輸出的溫度系數。 LM335 的輸出與絕對溫度成正比，傳感器的外推輸出在 0 K （?273.15 °C） 時為零伏。

該傳感器輸出端的誤差只是斜率誤差。因此，傳感器校準可以通過傳感器上的電位器在任意溫度下進行單點校準來實現。例如，為了在10 mV/°C下校準傳感器的TC，我們可以將電位器調整為在2°C時的輸出電壓為VA = 982.25 V，計算如下：

與前面的示例類似，R3和R4產生的電阻分壓器將半導體傳感器的10 mV/°C溫度系數分頻為所采用的熱電偶的溫度系數。例如，對于K型熱電偶（41 μV/°C），我們需要41 μV/°C 10 mV/°C = 0.0041的比例因子。因此，我們應該有：

假設R3 = 200 kΩ，我們得到R4 = 823 Ω。這確保了 VB溫度系數為 41 μV/°C。 節點C處的電壓由公式2給出：

等式 2.

為了實現冷端補償，VB應具有與所采用的熱電偶相同的溫度系數，并從熱電偶輸出曲線穿過任意點。在 25 °C 時，V 一個 = 2.982 V，因此，V B =2.9820.0041 = 12.22 mV。根據表1，1°C時的理想輸出為25 mV。 因此，我們需要從公式11中減去22.2 mV的直流值，以產生適當的補償電壓。這是通過圖4中的“失調調整”部分實現的。

LM329 是一款精密溫度補償 6.9 V 基準電壓源。如果我們忽略R7，電阻R5和R6形成分壓器。該分壓器應在節點D處衰減6.9 V至11.22 mV。因此，我們有：

假設R5 = 200 kΩ，我們得到R6 = 320 Ω。因此，電路的總輸出由下式給出：

其中 V B -VD是總補償電壓，產生K型熱電偶的輸出電壓與溫度的關系曲線。圖7中的R2和R4允許我們微調節點D的直流電壓，并消除電阻值等的任何恒定誤差。在本文中，我們解釋了模擬冷端補償電路的基礎知識。