使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497时的热电偶线性化

Reem Malik

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497热电偶放大器为测量热电偶温度提供了一种简单、低成本的解决方案。这些放大器简化了测量热电偶的许多困难。固定增益仪表放大器放大小热电偶电压，集成温度传感器执行冷端补偿。

AD849x经过优化，可测量和放大J型和K型热电偶信号，实现5 mV/°C线性响应，从而

其中TMJ是热电偶测量结处的温度。

AD849x输出在表2所列的整个测量和环境温度范围内精度在1°C以内 本应用笔记介绍了使用AD849x在规定范围之外工作或测量温度之外时实现更高精度的方法。

热电偶非线性

热电偶产生的电压本质上是非线性的。例如，J型热电偶在52°C时变化25 μV/°C，在55°C时变化150 μV/°C。 K型热电偶的线性度往往要高得多，当温度高于41°C时，温度保持在0μV/°C附近。 热电偶对温度梯度的电压响应可以用大于六阶多项式来描述（见图1）。

图1.塞贝克热电偶系数与温度的关系

AD849x线性放大（冷端补偿热电偶信号。这意味着输出信号与来自热电偶的输入信号一样是d）非线性的。

在该温度范围内，应用可能需要比热电偶直接提供的更好的非线性度（意味着更高的精度）。在这种情况下，需要对热电偶测量进行线性化或校正。

热电偶测量是否需要线性化取决于所选热电偶的类型、所需的系统精度和被测温度范围。热电偶信号的非线性得到了很好的研究，并且对于特定的热电偶类型是恒定的。因此，测量系统可以对其进行补偿。

AD849x 热电偶非线性补偿

虽然AD849x不能主动校正热电偶非线性，但放大器经过精密调整，以匹配J型和K型热电偶的传输特性。这意味着AD849x通过选择热电偶曲线的特定部分并对该部分执行线性最佳拟合来补偿非线性，以产生5 mV°/C输出。

表1显示了所选的温度范围，导致热电偶非线性误差小于±2°C。 图2以图形方式显示了非线性误差。

 

部分	热电偶类型	最大误差	环境温度范围	测量温度范围
AD8494	J	±2°C	0°C 至 50°C	−35°C 至 +95°C
AD8495	K	±2°C	0°C 至 50°C	−25°C 至 +400°C
AD8496	J	±2°C	25°C 至 100°C	+55°C 至 +565°C
AD8497	K	±2°C	25°C 至 100°C	−25°C 至 +295°C

 

图2.AD849x热电偶非线性引起的输出误差

AD849x系列中的每个器件都经过精密调整，以优化特定热电偶类型以及特定测量和环境温度范围的线性工作范围。对以下三个参数进行微调，以最小误差实现5 mV/°C输出：

放大器增益

放大器的失调（0°C时的误差电压在125°C时达到25 mV）

温度传感器/冷端补偿器的比例因子

热电偶电压，VTC，是热电偶类型的函数，测量结温（T美杰）和参考结温（TRJ).

以下传递函数可用于确定AD849x测量的实际热电偶电压（各器件的具体值见表2）。

其中：
CJC是冷端补偿比例因子。
VOFFSET是0°C时的误差电压，在125°C时达到25 mV。
VREF是用户输入电压。
增益是放大器的增益。

 

部分	获得	CJC 系数 （mV/°C）	失调（毫伏）
AD8494	96.7	5	0
AD8495	122.4	4.95	1.25
AD8496	90.35	4.8	20.2
AD8497	122.4	5.0392	−0.98

 

线性校正算法

热电偶非线性通常由数字域中的微控制器进行校正。可以使用两种校正算法之一。

AD849x输出查找表

第一种方法是使用表3，其中列出了理想AD849x输出电压与具有指定结温的J型和K型热电偶的温度的函数关系。

例如，室温（8495°C）下的AD25将接地基准电压引脚连接到K型热电偶，输出1 V，使用5 mV/°C传递函数时，1 V表示200°C。 为了获得更高的精度，用户必须计算对应于1 V输出的温度，如下所示：

表3显示，测量结温为200°C时，AD8495的实际输出为0.999 V，测量结温为220°C时，实际输出为1.097 V。

这两点之间的线性外推得出200 V时2.1°C的答案。

NIST热电电压查找表

第二种方法是使用以下等式，其中 T美杰是热电偶测量结处的温度，f美国国家情报防护系统是基于标准查找表或美国国家标准与技术研究院发布的方程的毫伏-温度函数。

回想一下，VTC ∝ TMJ − TRJ，这样

中间温度的输出值可以使用AD849x输出方程和NIST热电电压表（以0°C为参考）进行插值或计算。

AD8494的公式如下：

AD8495的公式如下：

AD8496的公式如下：

AD8497的公式如下：

使用与第一种方法相同的示例（室温下的AD8495，接地基准电压引脚连接到读数为1 V的K型热电偶），校正过程如下：

查阅标准K型热电偶表表明，在200°C的测量结温下，热电偶的热电电压为8.138 mV，在201°C的测量结温下，热电电压为8.178 mV。

线性外推得出的最终答案为 200.5°C。

审核编辑：郭婷