AN-1087:使用AD8495/AD8496/AD8497时的热电偶线性化

AN-1087
应用笔记
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使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497时的热电偶线性化
作者:Reem Malik
简介
在特定温度范围内,应用需要的非线性度可能要优于直接由
AD8494/AD8495/AD8496/AD8497热电偶放大器为热电偶温度
热电偶提供的非线性度(意味着更高精度)。这种情况下,热电
测量提供了一种简单的低成本解决方案。这些放大器解决了
偶测量需要线性化或校正。
热电偶测量的许多困难。固定增益仪表放大器能够放大很小
热电偶测量是否需要线性化取决于选择的热电偶类型、所需
的热电偶电压,而集成温度传感器可实现冷结补偿。
的系统精度以及所测量的温度范围。经过仔细研究,热电偶
AD849x专为测量和放大J型和K型热电偶信号而优化,以便获
信号的非线性度对于特定热电偶类型是恒定的。因此,测量
得5 mV/°C线性响应,使得
系统可对非线性予以补偿。
AD849x热电偶非线性补偿
VOUT = (TMJ × 5 mV/°C) + VREF
虽然AD849x不能主动校正热电偶非线性,放大器却经过精密
其中TMJ表示热电偶的测量结温。
AD849x输出在整个测量范围内精确至2°C以内,表1列出了环
境温度。本应用笔记介绍了在工作或测量温度超出额定范围
调整,以匹配J型和K型热电偶的传递特性。这意味着AD849x
通过选择热电偶的特定部分,并通过对该部分进行线性最佳
拟合来补偿非线性,从而产生5 mV°/C输出。
的情况下使用AD849x实现更高精度的方法。
表1显示所选择的温度范围,由热电偶非线性引起的误差小于
热电偶非线性
±2°C。图2以图形方式显示非线性误差。
热电偶所产生的电压本身具有非线性。例如,J型热电偶在
25°C时变化幅度为52 μV/°C,150°C时变化幅度为55 μV/°C。K
型热电偶更倾向于线性,温度高于0°C时基本保持在41 μV/°C
附近。热电偶对于温度梯度的电压响应可用六阶以上的多项
式(参见图1)来描述。
产品
型号
AD8494
AD8495
AD8496
AD8497
热电偶
类型
J
K
J
K
最大
误差
±2°C
±2°C
±2°C
±2°C
环境温度范围
0°C 至 50°C
0°C 至 50°C
25°C 至 100°C
25°C 至 100°C
测量温度范围
−35°C 至 +95°C
−25°C 至 +400°C
+55°C 至 +565°C
−25°C 至 +295°C
80
E
T
60
2.0
J
1.5
–200
0
200
400
600
800
1000
TEMPERATURE (°C)
1200
1400
–0.5
–1.0
AD8494
AD8495
AD8496
AD8497
–1.5
与热电偶的输入信号同样是非线性的。
500
450
400
350
300
250
200
150
50
100
AD849x线性放大(冷结补偿)热电偶信号。这意味着输出信号
0
–2.0
–50
图1. 热电偶与温度的塞贝克系数
MEASUREMENT JUNCTION TEMPERATURE (°C)
图2. 由热电偶非线性引起的AD849x输出误差
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09282-001
0
–400
0
600
20
0.5
650
K
550
OUTPUT ERROR (°C)
1.0
40
09282-002
SEEBECK COEFFICIENT (µV/°C)
100
表1: AD849x ±2°C精度温度范围
AN-1087
AD849x系列的每款器件均经过精密调整,以针对特定热电偶
NIST热电电压查找表
类型及特定测量与环境温度范围优化线性的工作范围。以下
第二种方法是使用以下公式,其中T MJ是热电偶测量结温,
三个参数经调整以实现误差极小的5 mV/°C输出:
fNIST是毫伏-温度函数,依据的是标准查找表或美国国家标准
•
放大器增益
技术研究院(NIST)发布的公式(如需热电偶数据库,请访问
•
放大器失调电压(从0°C到25°C范围内的125 mV的误差)
•
温度传感器/冷结补偿器的比例因子
http://srdata.nist.gov/its90/main)。
如前所述,VTC TMJ − TRJ,使得
VTC = fNIST (TMJ − 0) − fNIST (TRJ − 0)
热电偶电压VTC与热电偶类型、测量结温(TMJ)和基准结温(TRJ)
成函数关系。
VTC
用于中间温度的输出值可使用AD849x输出公式及NIST热电电
TMJ – TRJ = (TMJ − 0) − (TRJ − 0)
压表(以0°C为基准)进行插值或计算。
应用以下传递函数决定由AD849x测量的实际热电偶电压(各器
对于AD8494,计算公式如下:
TMJ = fNIST ((VOUT − VREF)/96.7)
件的额定值参见表2)。
VTC =
VOUT − (TRJ × CJC ) − VOFFSET − VREF
对于AD8495,计算公式如下:
TMJ = fNIST ((VOUT − VREF − 1.25 mV)/122.4)
Gain
对于AD8496,计算公式如下:
其中:
TMJ = fNIST ((VOUT − VREF − 20.2 mV)/90.35)
CJC为冷结补偿比例因子。
对于AD8497,计算公式如下:
VOFFSET为从0°C到25°C时的125 mV误差。
TMJ = fNIST ((VOUT − VREF + 0.98 mV)/122.4)
VREF为用户输入电压。
使用与第一种方法相同的示例(AD8495接地基准引脚连接至
Gain为放大器的增益。
K型热电偶,在室温下输出1 V),校正程序如下:
表2:AD8494、AD8495、AD8496和AD8497的传递函数值
产品型号
AD8494
AD8495
AD8496
AD8497
增益
96.7
122.4
90.35
122.4
CJC 因子 (mV/°C)
5
4.95
4.8
5.0392
失调 (mV)
0
1.25
20.2
−0.98
1.
电偶的热电电压为8.138 mV,测量结温为201°C时,热电
电压为8.178 mV。
2.
线性校正算法
热电偶非线性通常在数字域中通过微控制器校正。可使用两
种校正算法。
AD849x输出查询表
第一种方法是使用表3,其中列出了与具有额定结温的J型和K
型热电偶的温度成函数关系的理想AD849x输出电压。
例如,接地基准引脚连接至K型热电偶的AD8495在室温(25°C)
下输出1 V。使用5 mV/°C传递函数,1 V代表200°C。如需更高
精度,用户必须计算对应于1 V输出的温度,具体如下:
1.
表3说明,在200°C的测量结温下,实际AD8495输出为
0.999 V,在220°C的测量结温下,输出为1.097 V。
2.
参考标准K型热电偶表,查得在测量结温为200°C时,热
两点之间的线性外推得出在1 V下200.2°C的答案。
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线性外推得出200.5°C的最终答案。
AN-1087
表3:反映热电偶非线性的实际AD849x结果
测量结温 (°C)
−260
−240
−220
−200
−180
−160
−140
−120
−100
−80
−60
−40
−20
0
20
25
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
AD8494/AD8495 输出, T A = TRJ = 25°C
理想输出 (V)
实际输出 (V)
AD8494/
AD8495
AD8494 J型输出 AD8495 K型输出
−1.3
−0.786
−1.2
−0.774
−1.1
−0.751
−1
−0.719
−0.9
−0.714
−0.677
−0.8
−0.658
−0.627
−0.7
−0.594
−0.569
−0.6
−0.523
−0.504
−0.5
−0.446
−0.432
−0.4
−0.365
−0.355
−0.3
−0.278
−0.272
−0.2
−0.188
−0.184
−0.1
−0.095
−0.093
0
0.002
0.003
0.1
0.100
0.100
0.125
0.125
0.125
0.2
0.201
0.200
0.3
0.303
0.301
0.4
0.406
0.402
0.5
0.511
0.504
0.6
0.617
0.605
0.7
0.723
0.705
0.8
0.829
0.803
0.9
0.937
0.901
1
1.044
0.999
1.1
1.151
1.097
1.2
1.259
1.196
1.3
1.366
1.295
1.4
1.473
1.396
1.5
1.580
1.497
1.6
1.687
1.599
1.7
1.794
1.701
1.8
1.901
1.803
1.9
2.008
1.906
2
2.114
2.010
2.1
2.221
2.113
2.2
2.328
2.217
2.3
2.435
2.321
2.4
2.542
2.425
2.5
2.650
2.529
2.6
2.759
2.634
2.7
2.868
2.738
2.8
2.979
2.843
2.9
3.090
2.947
3
3.203
3.051
3.1
3.316
3.155
3.2
3.431
3.259
3.3
3.548
3.362
3.4
3.666
3.465
Rev. 0 | Page 3 of 4
AD8496/AD8497 输出, T A = TRJ = 60°
理想输出 (V)
实际输出 (V)
AD8496/
AD8497
AD8496 J型输出 AD8497 K型输出
−1.3
−0.785
−1.2
−0.773
−1.1
−0.751
−1
−0.718
−0.9
−0.642
−0.676
−0.8
−0.590
−0.626
−0.7
−0.530
−0.568
−0.6
−0.464
−0.503
−0.5
−0.392
−0.432
−0.4
−0.315
−0.354
−0.3
−0.235
−0.271
−0.2
−0.150
−0.184
−0.1
−0.063
−0.092
0
0.027
0.003
0.1
0.119
0.101
0.125
0.142
0.126
0.2
0.213
0.200
0.3
0.308
0.301
0.4
0.405
0.403
0.5
0.503
0.505
0.6
0.601
0.605
0.7
0.701
0.705
0.8
0.800
0.804
0.9
0.900
0.902
1
1.001
0.999
1.1
1.101
1.097
1.2
1.201
1.196
1.3
1.302
1.296
1.4
1.402
1.396
1.5
1.502
1.498
1.6
1.602
1.599
1.7
1.702
1.701
1.8
1.801
1.804
1.9
1.901
1.907
2
2.001
2.010
2.1
2.100
2.114
2.2
2.200
2.218
2.3
2.300
2.322
2.4
2.401
2.426
2.5
2.502
2.530
2.6
2.603
2.634
2.7
2.705
2.739
2.8
2.808
2.843
2.9
2.912
2.948
3
3.017
3.052
3.1
3.124
3.156
3.2
3.231
3.259
3.3
3.340
3.363
3.4
3.451
3.466
AN-1087
测量结温 (°C)
700
720
740
760
780
800
820
840
860
880
900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
1100
1120
1140
1160
1180
1200
1220
1240
1260
1280
1300
1320
1340
1360
1380
AD8494/AD8495 输出, T A = TRJ = 25°C
理想输出 (V)
实际输出 (V)
AD8494/
AD8495
AD8494 J型输出 AD8495 K型输出
3.5
3.786
3.568
3.6
3.906
3.670
3.7
4.029
3.772
3.8
4.152
3.874
3.9
4.276
3.975
4
4.401
4.076
4.1
4.526
4.176
4.2
4.650
4.275
4.3
4.774
4.374
4.4
4.897
4.473
4.5
5.018
4.571
4.6
5.138
4.669
4.7
5.257
4.766
4.8
5.374
4.863
4.9
5.490
4.959
5
5.606
5.055
5.1
5.720
5.150
5.2
5.833
5.245
5.3
5.946
5.339
5.4
6.058
5.432
5.5
6.170
5.525
5.6
6.282
5.617
5.7
6.394
5.709
5.8
6.505
5.800
5.9
6.616
5.891
6
6.727
5.980
6.1
6.069
6.2
6.158
6.3
6.245
6.4
6.332
6.5
6.418
6.6
6.503
6.7
6.587
6.8
6.671
6.9
6.754
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AN09282sc–0–5/11(0)
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AD8496/AD8497 输出, T A = TRJ = 60°
理想输出 (V)
实际输出 (V)
AD8496/
AD8497
AD8496 J型输出 AD8497 K型输出
3.5
3.562
3.569
3.6
3.675
3.671
3.7
3.789
3.773
3.8
3.904
3.874
3.9
4.020
3.976
4
4.137
4.076
4.1
4.254
4.176
4.2
4.370
4.276
4.3
4.486
4.375
4.4
4.600
4.474
4.5
4.714
4.572
4.6
4.826
4.670
4.7
4.937
4.767
4.8
5.047
4.863
4.9
5.155
4.960
5
5.263
5.055
5.1
5.369
5.151
5.2
5.475
5.245
5.3
5.581
5.339
5.4
5.686
5.433
5.5
5.790
5.526
5.6
5.895
5.618
5.7
5.999
5.710
5.8
6.103
5.801
5.9
6.207
5.891
6
6.311
5.981
6.1
6.070
6.2
6.158
6.3
6.246
6.4
6.332
6.5
6.418
6.6
6.503
6.7
6.588
6.8
6.671
6.9
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