一种基于热电偶CJC测温电路的设计*

王　冰，任勇峰，2*，贾兴中，刘兴俊（.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原03005；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原03005）

一种基于热电偶CJC测温电路的设计*

王冰1，任勇峰1，2*，贾兴中1，刘兴俊1
（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

针对太空飞船大底区实时环温监测的特殊要求及常见温度传感器存在测试精度低，稳定性差等问题，设计了基于热电偶测温原理的自动CJC电路方案。详细介绍了自动冷端（基准结）补偿式测温电路的设计思路，对于热电偶本身的测量的非线性特性采用分段线性拟合校正算法，并对线性算法处理后的温度的非线性度和高低温误差精度通过了实验验证，符合设计要求。而在太空飞船大底区温度测量环境属于强RFI（射频干扰）环境，极易导致电路中仪表放大器内部射频整流，从而导致输出电压失调。为此，在电路输入前端专门设计了RFI低通滤波器，滤除高频射频信号。基于热电偶CJC测温电路已成功应用于工程实践中，测温范围-60℃～1 300℃，测量精度优于1℃。基于热电偶CJC（冷端补偿）测温电路为温度的精密测量提供了一种快速、有效、精确的手段。

热电偶；冷端补偿；射频干扰；测温电路

对于太空飞船大底区测温特殊的环境和多点温度监测的实际需求，若使用传统的温度补偿方法，会带来稳定性差、监测系统复杂繁琐等问题，难以达到工程实践的要求。为了既能满足使用热电偶测温的要求，又能克服传统温度补偿方法缺点，本文从热电偶冷端补偿的重要性入手，设计了专门针对热电偶的精密测温电路。试验结果表明，经过线性拟合算法之后的可控温误差精度小于1℃，分辨率优于 0.001℃，达到要求的范围。

1　设计要求及方案制定

基于热电偶CJC（冷端补偿）测温电路要求测温范围是-60℃～1 300℃，测温精度≤0.5%F.S（满量程）。

常见的实用测温方式有热电偶、铂RTD（电阻式温度检测器）、热敏电阻、I.C（集成电路）传感器等。

目前在国内外已经投入使用的热电偶类型有J、K、T、E、N、R、S、B、G、C和D型等。在满足测温范围大、IEC（国际电工技术委员会）温度范围内的容差值以及低成本的条件下，选择了工程用廉金属K型热电偶的测温方案。

图1所示为热电偶CJC测温电路方案。热电偶温度传感器测量信号首先进入RFI低通滤波器实现强射频低通滤波，滤除RF高频强射频信号，随后进入集成冷端温度补偿的精密仪表放大器，对输入端的差分小信号放大122.4倍并实现对热电偶非线性的实时冷端自动补偿。继而电压信号通过单增益塞林更滤波器，再次滤除高频噪声干扰信号，同时也可根据输出电压要求调整放大倍数，最后经过跟随电路完成热电偶温度测量信号的调理。

图1　基于热电偶自动冷端补偿测温电路方案设计框图

2　硬件电路设计

热电偶CJC测温电路设计是基于K型热电偶冷端自动补偿功能的实现和RFI（射频干扰）的消除为核心的。

2.1冷端补偿电路设计

2.1.1冷端补偿

热电偶是一种结实耐用的低成本温度传感器，其电压输出与热端（测量结）和冷端之间的温差近似成正比。K型热电偶具有测温范围大（-270℃～+1 372℃）［1］，热电动势较大，相对于贵金属热电偶其价格低廉，具有较高的耐热性和耐腐蚀性。热电偶是基于热电效应原理产生热电势，该热电势由参考端电势和温差电势两部分组成。由于测温原理的局限性，热电偶的测温误差主要是由冷端（参考结）电势变化造成的。为了提高热电偶测温的误差精度，结合实际工程使用中对测温传感器的便捷性和可靠性，必须采用一种能够自动补偿热电偶冷端温度的方式。

热电偶冷端补偿的基本原理可以简单理解为：在热电偶的冷端增加一种随温度实时线性变化的微弱小电压发生机制并将该微弱小电压与热电偶正向串联。基于热电偶冷端补偿的测温特点，常用的补偿方式有两种，一种是将基准结设为0℃（CJC冷端补偿），即0℃补偿法，直接读取温度；另外一种是冷端（测量基准结）的气温而补偿相应的温差电势，即基准结点补偿法。图2所示为两种常见的冷端温度补偿法示意图［2］。

图2　冷端温度补偿示意图

AD8495是专门针对K型热电偶冷端补偿的微功耗（＜1mW，供电电压为5 V）精密仪表放大器，固定增益为122.4，可以放大K型温度传感器输出端的微弱小信号。其内部包括一个低失调、固定增益仪表放大器和一个温度传感器，具有精度高，成本低，体积小，调试简单，使用灵活，冷端温度补偿范围大等优点。冰点基准与预校准放大器的结合，使其能直接从热电偶的信号产生高电平输出。

仪表放大器内部集成的温度传感器可实时监测冷端环温变化并实时调整内部温度补偿微弱小信号电压发生机制的输出电压，从而实现自动准确的冷端温度补偿。在PCB设计时须严格将热电偶的冷端与仪表放大器置于同一温度场中。在热电偶冷端与仪表放大器输入端之间（包括对插连接件相接段、连接件与PCB点号焊接连接段）大部分都是使用铜导线或镀银线作为信号传输线，铜导线或镀银线不具备热电偶温度补偿的功能。若信号传输段的温度场变化越大，直接导致测量温度误差精度也越大，这也是最普遍造成测度电路误差精度大的原因。同时，若要求仪表放大器提供大功率输出，自身产生的热量也会直接影响温度场的变化。

同时，该仪表放大器具有高共模抑制性能，能够抑制热电偶的长引线可能会拾取的共模噪声，防止地电位的变化和其他共模噪声对测量的影响。

2.1.2负温度测量-基准偏置电压VREF设计

通过调整该仪表放大器的基准偏置电压值VREF可测量0℃以下的温度。测温电路的基准偏置电压设计为0.9 V，负温测量可达到-60℃。在-100℃～400℃温度范围内，该放大器的传递函数近似于5 mV/℃的输出［3］，可作为测量温度的粗略估算。传递输出电压与温度的传递函数如下公式（1）：

若令VOUT=0 V，

式中，TMJ为热电偶测量结温（℃）；VOUT为仪表放大器输出电压（mV）；VREF为基准参考电压（mV）。由式（2）得出，该电路若要测量负温度基准偏置电压下限值是0.3V。

图3　NI公司的运算放大器LM 124AJ简化原理图

测温电路运算放大器使用型号为LM124AJ （DIP-14封装、883等级）。该运放不是输出电压轨到轨运放，同时采用单电源+15 V供电［4］，典型参数最大输出电压摆幅范围为0V～V+-1.5V。经反复测试，作为跟随器为两路以上热电偶CJC测温电路提供参考电压时，输出端存在死区电压，会直接拉到0.6 V左右，提供不出0.3 V参考电压。在图3NI公司的LM124 AJ简化原理图中可以看出，在运放内部的射极输出电路端存在锗三极管Q7，是共发射极连接方式，发射结正向偏置电压（|UBE|）约为0.2 V～0.4 V。正常工作时，其处于截止状态。为两路以上的测温电路供电时，电流输出过大，由式（3）可知Rsc上的电压在发射结正向偏置电压（|UBE|）范围内，使Q7工作在导通状态，集电极电流使三极管Q5的基极驱动电流减小，最终导致运放工作在正向过流保护状态。

四路测温电路正常工作时其电流I为10.1mA。Rsc阻值约为25Ω。

图4　运算放大器LM 124AJ作为跟随基准偏置电压输出测量实验电路

如图4原理图所示搭好硬件电路，调整R1电阻阻值，用高精度万用表（Agilent34410A）在VREF0.3 V端测量电压。经过反复测试实验，同时接四路测温电路LM124AJ作为基准偏置电压跟随输出端在0.7 V左右稳定。因此，最终将参考电压VREF设置为0.9 V，此时测-60℃时VOUT输出为0.2 V。

2.1.3冷端补偿优化设计

如图5所示，在基于热电偶自动冷端补偿测温电路设计了热电偶的开路检测功能，该放大器的的输入为PNP型晶体管，偏置电流总是流出输入端［5］，通过在输入端增加接地电阻（1MΩ），可以将输入偏置电流将任何未连接的输入驱高，达到供电轨。除此之外，接地电阻也起共模电压的接地作用。若测量结是绝缘顶端，则信号输入端的电阻非常小，将不会产生有意义的共模电压。通过加大阻值的电阻接地，即使从测量端到地的电流比较小，仍可有效防止产生测量误差［6］。但是，放大器前端能且只能通过一个电阻来进行接地连接，任何多余的接地都会造成对热电偶小信号的干扰，因为通过热电偶会形成接地环路。

图5　仪表放大器前端的RFI射频滤波器

2.2RFI射频滤波器设计

在温度信号被调理前，热电偶传感器的测量结到冷端的传输线路较长，而温度传感器输出信号是毫伏级的微弱小信号（满量程热电势范围：-6.548 mV～54.886mV），极易受到强射频干扰。正常情况下AD8495的CMR（共模抑制比）≥76 dB，射频整流后，其CMR劣化到40 dB左右。当有强射频干扰时，表现出测量信号被芯片内部整流后会产生直流输出失调误差。并且，在信号输入前级信号被整流，由此带来的直流失调误差在后级调理电路中将无法被消除，由此会强烈影响温度测量的精度［7］。同时，射频整流也会导致放大器输入端的共模信号大幅衰减。

针对AD8495输入的射频整流问题，在放大器的信号输入前端设计了RFI射频滤波器，如图5所示。RFI射频滤波器主要完成3项工作：尽可能多地从输入端去除RF能量［8］，保持每个输入端和地之间的AC信号平衡，以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。

在RFI射频滤波器中，R1、R2、C1、C3组成了两个对称的低通滤波器，C1/R2和C3/R1的数值需要严格匹配，否则会降低放大器在高频段的共模抑制能力，R1、R2选择精度为10 kΩ/1%金属薄膜电阻，约翰逊噪声为18nV/√Hz，小于仪表放大器的32 nV/√Hz。C1、C3采用高Q值、低损耗、精度为±2%的PPS薄膜电容器。最大限度地消除输入级RF能量，保持差分输入端与地之间的交流信号平衡，保证高输入阻抗，提高对后级的带负载能力。同时，电阻R1、R2将放大器的输入端与温度输入信号隔离开，对输入起到了过载保护作用，防止脉冲信号地冲击对元器件造成永久性损坏。C2跨接在C1、C3两端，先与C1和C3串联之后再并联，C2容值是C1的10倍，可以将它由于C1/C2不匹配造成的共模抑制误差降低20倍。RFI射频滤波器有两种不同的带宽，差分带宽和共模带宽。根据下式计算出该仪表放大器的差分带宽和共模带宽为：

-3 dB差分带宽计算：

-3 dB共模带宽计算：为了测试AD8495仪表放大器的RFI抑制，使用非常短的导线将两个输入端连接在一起。通过50Ω终端电缆将一个优质的正弦发生器（GWINSTEK EL152151）连接到待测输入端。使用示波器调整信号发生器在电缆终端有1 V峰峰值输出。由于本身该仪表放大器的固定增益大于100倍（122.4倍），工作在高增益状态，在输入端使用高精度万用表直接读出DC失调误差为0.972mV。

图6　测量仪表放大器RFI抑制的典型测试方案

3　多项式线性拟合算法

热电偶的测量是否要线性化取决于热电偶的类型、系统所需的精度以及所测量的温度范围。热电偶信号的非线性度对于特定热电偶的类型是恒定的。在特定的温度范围内，使用的计算方法的非线性度必须优于直接由热电偶提供的非线性度。

AD8495是线性放大热电偶的信号，这意味着输出信号与热电偶的输出信号同样是非线性的。热电偶所产生的微弱电压本身就具有非线性。K型热电偶相比于其他的热电偶更趋向于线性，温度在0～600℃时基本保持在41μV/℃附近［9］。但是，舵机温度测量时，K型热电偶温度传感器的测温出现在非线性区域。因此，数据处理及分析系统可对非线性采取线性校正算法进行校正。图7是几种热电偶与温度的塞贝克系数曲线。

图7　几种常见热电偶与温度的塞贝克系数

图8中的曲线是将K型热电偶分度表中的温度与热电势的数值对应关系采取用最小二乘法线性拟合后的曲线，在0℃以下拟合曲线线性度较差，因此以0℃为分界点。为了达到测温精度由于1℃，经过反复线性拟合计算后，再次取500℃为分界点。将K型热电偶的测温区间内分为采取三段线性拟合，分段区间分别为-270℃～0℃，0℃～500℃，500℃～1 372℃，线性拟合后的线性度均为0.999 9。

分段多项式线性拟合后带入式（6）、式（7），最终得出输出电压与温度的关系，其中TMJ是热电偶测量结温，ft是输出电压-温度函数：

1.25mV为AD8495失调电压；X=（VOUT-VREF-1.25mV）/122.4。 ft是输出电压-温度函数。

图8　K型热电偶对应温度与热电势线性拟合曲线

分段多项式线性拟合算法的各项系数罗列如表1所示。

表1　分段多项式线性拟合系数

4　实验结果及验证分析

首先将后级线性电路（AD8495仪表放大器输出端至最终电压输出端）采取八点线性拟合（y=Kx+b，y为放大器后端输出电压VAD为x：最终输出电压VOUT）得出K、b系数。把最终输出电压VOUT根据K、b系数反推出仪表放大器输出端电压VAD，最后将VAD代入对应分段多项式线性拟合式（6）得出自动冷端补偿电路调理后温度值。

表2　实验数据及精度验证［10］

实验结果精度验证时，在温度信号输入端接入Omega公司的手持式K型热电偶温度传感器（TJ36-CAXL-18E-12），-30℃～300℃温度范围使用超级恒温油槽（GHY-3005）进行误差精度验证，温度梯度分度为50℃，300℃～1 200℃温度范围使用管式炉（SGL1700C）验证，温度梯度设置为100℃。在系统输出端使用高精度万用表测量电压值。测量数据与两支标准温度K型热电偶传感器（分辨率0.1℃，精度为读数的0.05%+0.3℃）同时监测温度梯度值的平均值作为标准温度值，然后将数据对比验证，验证结果如表2所示。由表2可知误差精度优于1°C。

图9　实测验证温度值与误差精度关系

5　总结

本文给出了自动冷端补偿测温的硬件电路原理，集中分析了自动冷端补偿和RFI射频滤波器的工作原理。经过验证表明该测量电路能针对K型热电偶温度传感器实现全范围的自动冷端补偿，测温精度优于1℃，有效地解决了在RF高频强干扰的恶劣环境中温度监测系统复杂繁琐问题。该测量系统可广泛应用于RF高频强干扰、稳定度要求好、测温精度要求较高的工程测温环境中。

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王冰（1989-），男，安徽宿州人，中北大学硕士研究生，研究方向为测试计量技术及仪器、温度传感器技术，491817317@qq.com；

任勇峰（1968-），男，山西中阳人，教授，硕士生导师，研究方向为测试计量技术及仪器、电路与系统；

刘兴俊（1989-），男，汉，山西太原人，中北大学，硕士研究生，研究方向为电路与系统。

贾兴中（1984-），男，山西太原人，硕士，工程师，研究方向为电路与系统。

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

项目来源：国家自然科学基金项目（51275491）

2015-08-11修改日期：2015-09-08

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