一種基于熱電偶CJC測溫電路的設(shè)計*

王　冰，任勇峰，2*，賈興中，劉興?。?中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原03005；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原03005）

一種基于熱電偶CJC測溫電路的設(shè)計*

王冰1，任勇峰1，2*，賈興中1，劉興俊1
（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對太空飛船大底區(qū)實(shí)時環(huán)溫監(jiān)測的特殊要求及常見溫度傳感器存在測試精度低，穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計了基于熱電偶測溫原理的自動CJC電路方案。詳細(xì)介紹了自動冷端（基準(zhǔn)結(jié)）補(bǔ)償式測溫電路的設(shè)計思路，對于熱電偶本身的測量的非線性特性采用分段線性擬合校正算法，并對線性算法處理后的溫度的非線性度和高低溫誤差精度通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，符合設(shè)計要求。而在太空飛船大底區(qū)溫度測量環(huán)境屬于強(qiáng)RFI（射頻干擾）環(huán)境，極易導(dǎo)致電路中儀表放大器內(nèi)部射頻整流，從而導(dǎo)致輸出電壓失調(diào)。為此，在電路輸入前端專門設(shè)計了RFI低通濾波器，濾除高頻射頻信號?；跓犭娕糃JC測溫電路已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中，測溫范圍-60℃～1 300℃，測量精度優(yōu)于1℃?；跓犭娕糃JC（冷端補(bǔ)償）測溫電路為溫度的精密測量提供了一種快速、有效、精確的手段。

熱電偶；冷端補(bǔ)償；射頻干擾；測溫電路

對于太空飛船大底區(qū)測溫特殊的環(huán)境和多點(diǎn)溫度監(jiān)測的實(shí)際需求，若使用傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法，會帶來穩(wěn)定性差、監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜繁瑣等問題，難以達(dá)到工程實(shí)踐的要求。為了既能滿足使用熱電偶測溫的要求，又能克服傳統(tǒng)溫度補(bǔ)償方法缺點(diǎn)，本文從熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)闹匾匀胧?，設(shè)計了專門針對熱電偶的精密測溫電路。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過線性擬合算法之后的可控溫誤差精度小于1℃，分辨率優(yōu)于 0.001℃，達(dá)到要求的范圍。

1　設(shè)計要求及方案制定

基于熱電偶CJC（冷端補(bǔ)償）測溫電路要求測溫范圍是-60℃～1 300℃，測溫精度≤0.5%F.S（滿量程）。

常見的實(shí)用測溫方式有熱電偶、鉑RTD（電阻式溫度檢測器）、熱敏電阻、I.C（集成電路）傳感器等。

目前在國內(nèi)外已經(jīng)投入使用的熱電偶類型有J、K、T、E、N、R、S、B、G、C和D型等。在滿足測溫范圍大、IEC（國際電工技術(shù)委員會）溫度范圍內(nèi)的容差值以及低成本的條件下，選擇了工程用廉金屬K型熱電偶的測溫方案。

圖1所示為熱電偶CJC測溫電路方案。熱電偶溫度傳感器測量信號首先進(jìn)入RFI低通濾波器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)射頻低通濾波，濾除RF高頻強(qiáng)射頻信號，隨后進(jìn)入集成冷端溫度補(bǔ)償?shù)木軆x表放大器，對輸入端的差分小信號放大122.4倍并實(shí)現(xiàn)對熱電偶非線性的實(shí)時冷端自動補(bǔ)償。繼而電壓信號通過單增益塞林更濾波器，再次濾除高頻噪聲干擾信號，同時也可根據(jù)輸出電壓要求調(diào)整放大倍數(shù)，最后經(jīng)過跟隨電路完成熱電偶溫度測量信號的調(diào)理。

圖1　基于熱電偶自動冷端補(bǔ)償測溫電路方案設(shè)計框圖

2　硬件電路設(shè)計

熱電偶CJC測溫電路設(shè)計是基于K型熱電偶冷端自動補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)和RFI（射頻干擾）的消除為核心的。

2.1冷端補(bǔ)償電路設(shè)計

2.1.1冷端補(bǔ)償

熱電偶是一種結(jié)實(shí)耐用的低成本溫度傳感器，其電壓輸出與熱端（測量結(jié)）和冷端之間的溫差近似成正比。K型熱電偶具有測溫范圍大（-270℃～+1 372℃）［1］，熱電動勢較大，相對于貴金屬熱電偶其價格低廉，具有較高的耐熱性和耐腐蝕性。熱電偶是基于熱電效應(yīng)原理產(chǎn)生熱電勢，該熱電勢由參考端電勢和溫差電勢兩部分組成。由于測溫原理的局限性，熱電偶的測溫誤差主要是由冷端（參考結(jié)）電勢變化造成的。為了提高熱電偶測溫的誤差精度，結(jié)合實(shí)際工程使用中對測溫傳感器的便捷性和可靠性，必須采用一種能夠自動補(bǔ)償熱電偶冷端溫度的方式。

熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)幕驹砜梢院唵卫斫鉃椋涸跓犭娕嫉睦涠嗽黾右环N隨溫度實(shí)時線性變化的微弱小電壓發(fā)生機(jī)制并將該微弱小電壓與熱電偶正向串聯(lián)?；跓犭娕祭涠搜a(bǔ)償?shù)臏y溫特點(diǎn)，常用的補(bǔ)償方式有兩種，一種是將基準(zhǔn)結(jié)設(shè)為0℃（CJC冷端補(bǔ)償），即0℃補(bǔ)償法，直接讀取溫度；另外一種是冷端（測量基準(zhǔn)結(jié)）的氣溫而補(bǔ)償相應(yīng)的溫差電勢，即基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償法。圖2所示為兩種常見的冷端溫度補(bǔ)償法示意圖［2］。

圖2　冷端溫度補(bǔ)償示意圖

AD8495是專門針對K型熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)奈⒐模ǎ?mW，供電電壓為5 V）精密儀表放大器，固定增益為122.4，可以放大K型溫度傳感器輸出端的微弱小信號。其內(nèi)部包括一個低失調(diào)、固定增益儀表放大器和一個溫度傳感器，具有精度高，成本低，體積小，調(diào)試簡單，使用靈活，冷端溫度補(bǔ)償范圍大等優(yōu)點(diǎn)。冰點(diǎn)基準(zhǔn)與預(yù)校準(zhǔn)放大器的結(jié)合，使其能直接從熱電偶的信號產(chǎn)生高電平輸出。

儀表放大器內(nèi)部集成的溫度傳感器可實(shí)時監(jiān)測冷端環(huán)溫變化并實(shí)時調(diào)整內(nèi)部溫度補(bǔ)償微弱小信號電壓發(fā)生機(jī)制的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動準(zhǔn)確的冷端溫度補(bǔ)償。在PCB設(shè)計時須嚴(yán)格將熱電偶的冷端與儀表放大器置于同一溫度場中。在熱電偶冷端與儀表放大器輸入端之間（包括對插連接件相接段、連接件與PCB點(diǎn)號焊接連接段）大部分都是使用銅導(dǎo)線或鍍銀線作為信號傳輸線，銅導(dǎo)線或鍍銀線不具備熱電偶溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。若信號傳輸段的溫度場變化越大，直接?dǎo)致測量溫度誤差精度也越大，這也是最普遍造成測度電路誤差精度大的原因。同時，若要求儀表放大器提供大功率輸出，自身產(chǎn)生的熱量也會直接影響溫度場的變化。

同時，該儀表放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制熱電偶的長引線可能會拾取的共模噪聲，防止地電位的變化和其他共模噪聲對測量的影響。

2.1.2負(fù)溫度測量-基準(zhǔn)偏置電壓VREF設(shè)計

通過調(diào)整該儀表放大器的基準(zhǔn)偏置電壓值VREF可測量0℃以下的溫度。測溫電路的基準(zhǔn)偏置電壓設(shè)計為0.9 V，負(fù)溫測量可達(dá)到-60℃。在-100℃～400℃溫度范圍內(nèi)，該放大器的傳遞函數(shù)近似于5 mV/℃的輸出［3］，可作為測量溫度的粗略估算。傳遞輸出電壓與溫度的傳遞函數(shù)如下公式（1）：

若令VOUT=0 V，

式中，TMJ為熱電偶測量結(jié)溫（℃）；VOUT為儀表放大器輸出電壓（mV）；VREF為基準(zhǔn)參考電壓（mV）。由式（2）得出，該電路若要測量負(fù)溫度基準(zhǔn)偏置電壓下限值是0.3V。

圖3　NI公司的運(yùn)算放大器LM 124AJ簡化原理圖

測溫電路運(yùn)算放大器使用型號為LM124AJ （DIP-14封裝、883等級）。該運(yùn)放不是輸出電壓軌到軌運(yùn)放，同時采用單電源+15 V供電［4］，典型參數(shù)最大輸出電壓擺幅范圍為0V～V+-1.5V。經(jīng)反復(fù)測試，作為跟隨器為兩路以上熱電偶CJC測溫電路提供參考電壓時，輸出端存在死區(qū)電壓，會直接拉到0.6 V左右，提供不出0.3 V參考電壓。在圖3NI公司的LM124 AJ簡化原理圖中可以看出，在運(yùn)放內(nèi)部的射極輸出電路端存在鍺三極管Q7，是共發(fā)射極連接方式，發(fā)射結(jié)正向偏置電壓（|UBE|）約為0.2 V～0.4 V。正常工作時，其處于截止?fàn)顟B(tài)。為兩路以上的測溫電路供電時，電流輸出過大，由式（3）可知Rsc上的電壓在發(fā)射結(jié)正向偏置電壓（|UBE|）范圍內(nèi)，使Q7工作在導(dǎo)通狀態(tài)，集電極電流使三極管Q5的基極驅(qū)動電流減小，最終導(dǎo)致運(yùn)放工作在正向過流保護(hù)狀態(tài)。

四路測溫電路正常工作時其電流I為10.1mA。Rsc阻值約為25Ω。

圖4　運(yùn)算放大器LM 124AJ作為跟隨基準(zhǔn)偏置電壓輸出測量實(shí)驗(yàn)電路

如圖4原理圖所示搭好硬件電路，調(diào)整R1電阻阻值，用高精度萬用表（Agilent34410A）在VREF0.3 V端測量電壓。經(jīng)過反復(fù)測試實(shí)驗(yàn)，同時接四路測溫電路LM124AJ作為基準(zhǔn)偏置電壓跟隨輸出端在0.7 V左右穩(wěn)定。因此，最終將參考電壓VREF設(shè)置為0.9 V，此時測-60℃時VOUT輸出為0.2 V。

2.1.3冷端補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計

如圖5所示，在基于熱電偶自動冷端補(bǔ)償測溫電路設(shè)計了熱電偶的開路檢測功能，該放大器的的輸入為PNP型晶體管，偏置電流總是流出輸入端［5］，通過在輸入端增加接地電阻（1MΩ），可以將輸入偏置電流將任何未連接的輸入驅(qū)高，達(dá)到供電軌。除此之外，接地電阻也起共模電壓的接地作用。若測量結(jié)是絕緣頂端，則信號輸入端的電阻非常小，將不會產(chǎn)生有意義的共模電壓。通過加大阻值的電阻接地，即使從測量端到地的電流比較小，仍可有效防止產(chǎn)生測量誤差［6］。但是，放大器前端能且只能通過一個電阻來進(jìn)行接地連接，任何多余的接地都會造成對熱電偶小信號的干擾，因?yàn)橥ㄟ^熱電偶會形成接地環(huán)路。

圖5　儀表放大器前端的RFI射頻濾波器

2.2RFI射頻濾波器設(shè)計

在溫度信號被調(diào)理前，熱電偶傳感器的測量結(jié)到冷端的傳輸線路較長，而溫度傳感器輸出信號是毫伏級的微弱小信號（滿量程熱電勢范圍：-6.548 mV～54.886mV），極易受到強(qiáng)射頻干擾。正常情況下AD8495的CMR（共模抑制比）≥76 dB，射頻整流后，其CMR劣化到40 dB左右。當(dāng)有強(qiáng)射頻干擾時，表現(xiàn)出測量信號被芯片內(nèi)部整流后會產(chǎn)生直流輸出失調(diào)誤差。并且，在信號輸入前級信號被整流，由此帶來的直流失調(diào)誤差在后級調(diào)理電路中將無法被消除，由此會強(qiáng)烈影響溫度測量的精度［7］。同時，射頻整流也會導(dǎo)致放大器輸入端的共模信號大幅衰減。

針對AD8495輸入的射頻整流問題，在放大器的信號輸入前端設(shè)計了RFI射頻濾波器，如圖5所示。RFI射頻濾波器主要完成3項(xiàng)工作：盡可能多地從輸入端去除RF能量［8］，保持每個輸入端和地之間的AC信號平衡，以及在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對輸入信號源的帶載能力。

在RFI射頻濾波器中，R1、R2、C1、C3組成了兩個對稱的低通濾波器，C1/R2和C3/R1的數(shù)值需要嚴(yán)格匹配，否則會降低放大器在高頻段的共模抑制能力，R1、R2選擇精度為10 kΩ/1%金屬薄膜電阻，約翰遜噪聲為18nV/√Hz，小于儀表放大器的32 nV/√Hz。C1、C3采用高Q值、低損耗、精度為±2%的PPS薄膜電容器。最大限度地消除輸入級RF能量，保持差分輸入端與地之間的交流信號平衡，保證高輸入阻抗，提高對后級的帶負(fù)載能力。同時，電阻R1、R2將放大器的輸入端與溫度輸入信號隔離開，對輸入起到了過載保護(hù)作用，防止脈沖信號地沖擊對元器件造成永久性損壞。C2跨接在C1、C3兩端，先與C1和C3串聯(lián)之后再并聯(lián)，C2容值是C1的10倍，可以將它由于C1/C2不匹配造成的共模抑制誤差降低20倍。RFI射頻濾波器有兩種不同的帶寬，差分帶寬和共模帶寬。根據(jù)下式計算出該儀表放大器的差分帶寬和共模帶寬為：

-3 dB差分帶寬計算：

-3 dB共模帶寬計算：為了測試AD8495儀表放大器的RFI抑制，使用非常短的導(dǎo)線將兩個輸入端連接在一起。通過50Ω終端電纜將一個優(yōu)質(zhì)的正弦發(fā)生器（GWINSTEK EL152151）連接到待測輸入端。使用示波器調(diào)整信號發(fā)生器在電纜終端有1 V峰峰值輸出。由于本身該儀表放大器的固定增益大于100倍（122.4倍），工作在高增益狀態(tài)，在輸入端使用高精度萬用表直接讀出DC失調(diào)誤差為0.972mV。

圖6　測量儀表放大器RFI抑制的典型測試方案

3　多項(xiàng)式線性擬合算法

熱電偶的測量是否要線性化取決于熱電偶的類型、系統(tǒng)所需的精度以及所測量的溫度范圍。熱電偶信號的非線性度對于特定熱電偶的類型是恒定的。在特定的溫度范圍內(nèi)，使用的計算方法的非線性度必須優(yōu)于直接由熱電偶提供的非線性度。

AD8495是線性放大熱電偶的信號，這意味著輸出信號與熱電偶的輸出信號同樣是非線性的。熱電偶所產(chǎn)生的微弱電壓本身就具有非線性。K型熱電偶相比于其他的熱電偶更趨向于線性，溫度在0～600℃時基本保持在41μV/℃附近［9］。但是，舵機(jī)溫度測量時，K型熱電偶溫度傳感器的測溫出現(xiàn)在非線性區(qū)域。因此，數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)可對非線性采取線性校正算法進(jìn)行校正。圖7是幾種熱電偶與溫度的塞貝克系數(shù)曲線。

圖7　幾種常見熱電偶與溫度的塞貝克系數(shù)

圖8中的曲線是將K型熱電偶分度表中的溫度與熱電勢的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系采取用最小二乘法線性擬合后的曲線，在0℃以下擬合曲線線性度較差，因此以0℃為分界點(diǎn)。為了達(dá)到測溫精度由于1℃，經(jīng)過反復(fù)線性擬合計算后，再次取500℃為分界點(diǎn)。將K型熱電偶的測溫區(qū)間內(nèi)分為采取三段線性擬合，分段區(qū)間分別為-270℃～0℃，0℃～500℃，500℃～1 372℃，線性擬合后的線性度均為0.999 9。

分段多項(xiàng)式線性擬合后帶入式（6）、式（7），最終得出輸出電壓與溫度的關(guān)系，其中TMJ是熱電偶測量結(jié)溫，ft是輸出電壓-溫度函數(shù)：

1.25mV為AD8495失調(diào)電壓；X=（VOUT-VREF-1.25mV）/122.4。 ft是輸出電壓-溫度函數(shù)。

圖8　K型熱電偶對應(yīng)溫度與熱電勢線性擬合曲線

分段多項(xiàng)式線性擬合算法的各項(xiàng)系數(shù)羅列如表1所示。

表1　分段多項(xiàng)式線性擬合系數(shù)

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證分析

首先將后級線性電路（AD8495儀表放大器輸出端至最終電壓輸出端）采取八點(diǎn)線性擬合（y=Kx+b，y為放大器后端輸出電壓VAD為x：最終輸出電壓VOUT）得出K、b系數(shù)。把最終輸出電壓VOUT根據(jù)K、b系數(shù)反推出儀表放大器輸出端電壓VAD，最后將VAD代入對應(yīng)分段多項(xiàng)式線性擬合式（6）得出自動冷端補(bǔ)償電路調(diào)理后溫度值。

表2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及精度驗(yàn)證［10］

實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度驗(yàn)證時，在溫度信號輸入端接入Omega公司的手持式K型熱電偶溫度傳感器（TJ36-CAXL-18E-12），-30℃～300℃溫度范圍使用超級恒溫油槽（GHY-3005）進(jìn)行誤差精度驗(yàn)證，溫度梯度分度為50℃，300℃～1 200℃溫度范圍使用管式爐（SGL1700C）驗(yàn)證，溫度梯度設(shè)置為100℃。在系統(tǒng)輸出端使用高精度萬用表測量電壓值。測量數(shù)據(jù)與兩支標(biāo)準(zhǔn)溫度K型熱電偶傳感器（分辨率0.1℃，精度為讀數(shù)的0.05%+0.3℃）同時監(jiān)測溫度梯度值的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度值，然后將數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。由表2可知誤差精度優(yōu)于1°C。

圖9　實(shí)測驗(yàn)證溫度值與誤差精度關(guān)系

5　總結(jié)

本文給出了自動冷端補(bǔ)償測溫的硬件電路原理，集中分析了自動冷端補(bǔ)償和RFI射頻濾波器的工作原理。經(jīng)過驗(yàn)證表明該測量電路能針對K型熱電偶溫度傳感器實(shí)現(xiàn)全范圍的自動冷端補(bǔ)償，測溫精度優(yōu)于1℃，有效地解決了在RF高頻強(qiáng)干擾的惡劣環(huán)境中溫度監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜繁瑣問題。該測量系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于RF高頻強(qiáng)干擾、穩(wěn)定度要求好、測溫精度要求較高的工程測溫環(huán)境中。

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王冰（1989-），男，安徽宿州人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闇y試計量技術(shù)及儀器、溫度傳感器技術(shù)，491817317@qq.com；

任勇峰（1968-），男，山西中陽人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闇y試計量技術(shù)及儀器、電路與系統(tǒng)；

劉興?。?989-），男，漢，山西太原人，中北大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

賈興中（1984-），男，山西太原人，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

Research and Design of the Thermocouple CJC Based Tem perature Measurement Circuit*

WANG Bing1，REN Yongfeng1，2*，JIA Xingzhong1，LIU Xingjun1
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North Uniυersity of China，Taiyuan 030051，China；2.Dynamic Testing Laboratory Instrument Science and the Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

On the special requirements for real-time spaceship outsole areamonitoring ambient temperature and the presence of common temperature sensor's low precision，poor stability，an automatic CJC circuit scheme was designed based on the principle of the thermocouple.Details of the automatic cold junction（reference junction）temperature compensation circuitdesign ideasare introduced，and the non-linear characteristicsof the thermocouple itselfmeasurementare achieved by using the piecesise linear fitting correction algorithm.The temperature processing with the piecewise linear fitting correction algorithm exhibits an extreme precision in its non-linear property，and the errors in its high and low temperaline rangemeet the design requirement from the experimental verification. In the spaceship outsole zone，temperature measurement environmentisa strong RFI（Radio Frequency Interference）environment，it can easily lead to internal RF instrumentation amplifier circuit rectifier，causing the output voltage offset.In the front inputend of the circuitan RFI low-pass filter was specially designed to filter outhigh frequency RF signals.Based on CJC thermocouple temperature measurement circuithas been successfully applied to engineering practice，temperaturemeasurement range-60℃～1 300℃，the measurement accuracy better than 1℃.On thermocouple CJC（cold junction compensation）the temperature measurement circuitprovidesa fast，efficientand accuratemethod for precise temperature measurement.

thermocouple；cold junction compensation；radio frequency interference；temperaturemeasurementcircuit

TP212.1

A

1005-9490（2016）04-0907-06

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275491）

2015-08-11修改日期：2015-09-08

EEACC:1200；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.030