热电偶测量电路优化方案

热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微伏（μV），要求测量用的运算放大器的漂移必须很小，有关元件也需认真选择。图7-18所示为日本K型热电偶的测量电路，表7-4所示为元件表。实际中应注意滤波器的电容C₁，若其漏电大，则会产生很大的偏移电压。例如，C₁的漏电流若为0.1μA，电阻R₃为1kΩ，就会产生0.1μA×1kΩ=100μV的偏移电压。

图7-18 K型热电偶测量电路

表7-4 元件表

表7-5示出了K、J、E、T型热电偶产生的相对于基准点冷端（0℃）的温差电动势。由该表可知K型热电偶在0℃时输出为0mV，600℃时输出为24.902mV。如果放大器的增益由电位器R_w1调整为240.94倍，则0℃时输出为0V，600℃时输出为6.000V。

表7-5 K、J、E、T型热电偶温差电动势

以600℃的输出作为满刻度，绘出其非线性误差曲线，如图7-19所示。从图中可见，其最大有1%的误差。K型热电偶还是上述热电偶中线性最好的。由此看来要提高测量精度，一般都要进行线性校正。

线性校正电路有多种实现方法，这里介绍一下高次多项式线性校正电路的实现。

图7-19 K型热电偶的非线性误差

热电偶的温差电势可近似表示为

E_AB（T₁，0）=a₀+a₁T+a₂T₂+…+a_NT_N

式中 T——温度；

a₀，…，a_N——系数。

因此高次幂运算电路就能作为线性校正电路。电路运算次数越高，线性精度也越高，但价格、响应时间等将随之提高。一般只考虑到2次，此时，已能将线性校正到很高的精度。

现使用平方运算的专用集成电路AD538构成校正电路。这种集成电路有三个输入U_X、U_Y、UZ，且满足如下函数关系式：(www.xing528.com)

U_out=U_Y（U_Z/U_X）^m

用AD538作为平方电路既简单又方便。AD538的特性参数如表7-6所示。

表7-6 AD538的特性参数（U_s=+15V，T_a=25℃）

图7-20所示为由AD538构成的线性校正电路，由R₁～R₄确定一次系数和二次系数的增益。AD538的4脚输出10V基准电压。如图连接时，函数关系式中的m=1，U_Y=U_Z=U_a，U_X=10V。表7-7所示为元件表。

图7-20 K型热电偶线性校正电路

表7-7 元件表

U_out=-7.76+249.952U_i-5.56×10^-6×（249.952U_i）2=-7.76+U_a-5.56×10^-6U_a²（mV）

式中，U_a=249.952U_i，一次系数为1，二次系数为5.56×10^-6。

AD538的U_o=U_a²/10000mV，故U_out=-7.76+U_a-0.0556U_o（mV）。

二次系数是R₄/R₂=0.0556，取R₄=15kΩ，R₂=270kΩ；一次系数为[（1+R₄/R₂）R₃]/（R₁+R₃）=1，取R₁=15kΩ，R₃=270kΩ；U_R6=7.7mV，选R₆=100Ω，R₅=130kΩ。

校正与不校正，结果大不一样，如图7-21所示。在没有线性校正电路时，有近1%的非线性误差，而有校正电路后则只有约0.1%～0.2%的非线性误差。

图7-21 K型热电偶校正前后温度误差特性比较