아날로그 온도 센서를 사용한 열전대 냉접점 보상

열전대 조회 테이블과 수학적 모델은 0°C에서 기준 접합을 사용하여 열전대 출력 전압을 지정합니다. 그러나 실제로 냉접점은 일반적으로 0°C가 아니며 출력 전압을 올바르게 해석하려면 신호 조절 전자 장치가 필요합니다. 이는 열전대와 관련하여 냉접점 보상(CJC)으로 알려져 있습니다.

이 기사에서는 아날로그 회로를 사용하여 냉접점 보상을 구현하는 방법을 살펴보겠습니다.

아날로그 냉접점 보상의 기본 아이디어는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1에서는 열접점, 냉접점 및 측정 시스템이 각각 Th, Tc 및 TADC에 있다고 가정합니다. 냉접점 온도(Tc)는 온도 센서(종종 반도체 센서, 때로는 서미스터)에 의해 측정되고 "보상 회로"에 전달되어 적절한 보상 전압 항 Vcomp를 생성합니다. 이 전압은 열전대 출력 Vtherm에 추가됩니다. 따라서 ADC에 의해 측정된 전압은 다음과 같습니다.

$$V_{out}=V_{therm}+V_{comp}$$

냉접점 보상에 대한 이전 기사에서 Vcomp는 열접점이 Tc이고 냉접점이 0°C일 때 열전대가 생성한 전압과 동일하다는 것을 알고 있습니다. 이 전압은 열전대 참조 표나 수학적 모델을 통해 확인할 수 있습니다. 아날로그 회로에서는 조회 테이블이나 수학 방정식을 구현하는 것이 매우 어려울 수 있습니다. 따라서 아날로그 설계에서 Vcomp는 실제 열전대 출력의 대략적인 값일 수 있습니다.

아날로그 CJC 회로는 일반적으로 선형 근사치를 사용하여 실제 열전대 출력에 가까운 보상 전압을 생성합니다. 이 출력은 냉접점 온도가 일반적으로 실내 온도를 중심으로 상대적으로 좁은 범위에서 변하기 때문에 가능합니다. 이는 선형 근사치가 상대적으로 정확한 값을 생성할 수 있음을 의미합니다. 다음 몇 섹션에서는 아날로그 CJC 다이어그램의 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

아날로그 냉접점 보상 구현의 예가 그림 2에 나와 있습니다.

이 경우 Analog Devices의 저전압 온도 센서인 TMP35를 사용하여 K형 열전대의 냉접점을 측정합니다. 연산 증폭기의 비반전 입력은 열전대 출력 전압 Vtherm과 저항기 R1 및 R2(Vcomp)로 나누어진 TMP35에 의해 생성된 전압을 측정합니다. 수학적 언어로 번역하면 비반전 입력 VB의 전압은 다음과 같이 계산됩니다.

$$V_{B}=V_{열}+V_{압축}$$

냉접점 보상 이론을 통해 Vcomp는 Tc가 일반적으로 실내 온도 주변의 좁은 범위에 있는 Tc의 온도에 배치될 때 0°C 기준 열전대가 출력하는 전압과 같아야 한다는 것을 알고 있습니다. 표 1은 0°C ~ 50°C의 온도 범위에서 K형 열전대의 출력 전압을 보여줍니다.

그림 3은 위의 ​​데이터(표 1)를 사용하여 온도에 따른 K형 열전대 출력을 표시합니다.

이 제한된 온도 범위에서 열전대는 상대적으로 선형적인 반응을 보이는 것으로 보입니다. 보상기 회로가 이러한 값을 생성하려면 Vcomp는 사용된 열전대와 동일한 온도 계수를 가져야 하며 위 특성 곡선에서 임의의 지점을 통과해야 합니다. K형 열전대의 출력이 실온(25°C)에서 약 41μV/°C만큼 변화한다는 것을 표의 데이터에서 확인할 수 있습니다.

그림 2의 노드 A인 TMP35에서 생성된 전압의 온도 계수는 10mV/°C입니다. 이 값을 41μV/°C로 줄이려면 41μV/°C 10mV/°C = 0.0041의 배율 인수가 필요합니다. 이 스케일링 계수는 아래 계산된 것처럼 R1과 R2로 구성된 저항성 전압 분배기를 통해 달성됩니다(수식 1).

$$감쇠\,인수 = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0.102\,k\Omega}{24.9\,k\Omega+0.102\,l\ 오메가}\약0.0041$$