一種熱電偶測量儀表的校準方法

摘要:提出了一種熱電偶測量儀表的校準方法。采用Labview軟件和精度高模擬輸出板卡相結(jié)合的方法,將溫差轉(zhuǎn)化為0~5V的直流電壓輸出,將不同類型的熱電偶分度表擬合出函數(shù)關系,用于糾正熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢和溫差之間非嚴格線性關系,然后通過外部模擬運算電路將板卡輸出電壓轉(zhuǎn)化為標準熱電偶的溫差電動勢輸出,可以實現(xiàn)多種類型熱電偶測量儀表在不同使用溫度范圍的校準。經(jīng)過數(shù)據(jù)測試及分析,輸出的溫差電動勢均在允許的誤差范圍內(nèi),且操作簡便能很方便地用于熱電偶測量儀表的校準。
0引言
　　熱電偶具有測量溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單以及價格相對便宜等優(yōu)點,在工業(yè)測量中得到廣泛應用。熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢和熱電偶的型號相關,并且會受到基準節(jié)點溫度的影響,因此在測量過程中需要加入補償電路。目前熱電偶測量儀表的校準方法主要有2種,一種是將熱電偶放在恒溫標準熱源環(huán)境中進行標定";另一種是用毫伏電壓發(fā)生器產(chǎn)生精度高毫伏電壓進行標定。采用第1種方法操作簡單,但標準熱源實現(xiàn)困難,在校準過程中需要長時間地等待溫度穩(wěn)定。采用第2種方法精度較高,但需要通過查表或計算將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢。
　　本文利用上位機軟件Labview的數(shù)據(jù)計算優(yōu)勢,將高速計算和精度高電壓產(chǎn)生的板卡相結(jié)合,在只需少量硬件電路的情況下,快速產(chǎn)生出各種熱電偶在不同測量溫度和不同基準節(jié)點所處環(huán)境溫度所對應的熱電動勢。如果擴充板卡輸出通道,則可支持多路獨立輸出,可以同時對多路不同的熱電偶測量儀表進行校準,提高熱電偶儀表的校準效率。
1系統(tǒng)設計
1.1總體設計
　　本方法需要使用的硬件系統(tǒng)主要由上位機、模.擬輸出板卡(具有16位的D/A轉(zhuǎn)化能力)和模擬運算電路3部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。上位機將根據(jù)輸入?yún)?shù)(熱電偶種類、被測溫度和環(huán)境溫度)計算出16位D/A編碼,同時將計算出的16位D/A編碼送出,通過總線發(fā)送到板卡進行D/A轉(zhuǎn)換得到0~5V電壓輸出,然后模擬運算電路將此電壓轉(zhuǎn)化為與熱電偶測量儀表工作范圍和熱電偶類型相對應的毫伏電壓輸出。
 
1.2.上位機軟件算法設計與系統(tǒng)誤差分析
　　熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢和溫差之間的關系不是嚴格的線性關系,以K型熱電偶為例,在0~600℃的溫度范圍內(nèi),大概有-1%的非線性誤差,相當于存在6℃的誤差,所以必須對其非線性誤差進行修正。首先將不同類型的熱電偶分度表擬合出函數(shù)關系即擬合函數(shù),然后計算機根據(jù)這個擬合函數(shù)計算出在設定的被測溫度和基準接點溫度時熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢的大小,最后將數(shù)據(jù)送到板卡經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生對應的毫伏電壓。其中所使用的擬合函數(shù)參照標準ASTME230。
本文所設計的熱電偶信號發(fā)生器能設定的被測溫度范圍為0~500℃,環(huán)境溫度范圍為0~70℃,適用于K型和J型2種熱電偶信號的產(chǎn)生。由于D/A轉(zhuǎn)換電壓的非連續(xù)性,在電壓轉(zhuǎn)換過程中必定會存在量化誤差。下面以16位的D/A用于K型熱電偶信號產(chǎn)生為例,分析量化誤差的大小。
　　通過查分度表可知,70℃和500℃所對應的熱電動勢分別為2.851mV和20.644mV。在70℃的.環(huán)境溫度下,0℃的被測溫度所對應的電動勢為-2.851mV,在0℃的環(huán)境溫度下,350℃的被測溫度所對應的電動勢為20.644mV。按照要求,所有的應用情況產(chǎn)生的電壓都應在-2.851~20.644mV的范圍內(nèi)，而J型熱電偶產(chǎn)生的電壓范圍為-3.650~27.393mV。為了能同時滿足2種熱電偶信號產(chǎn)生的要求,設定D/A產(chǎn)生的電壓經(jīng)過模擬衰減和調(diào)整后的輸出范圍為-4~30mV。理想的DAC編碼為
 
　　又由于DAC的輸入為整數(shù),所以要將計算得到的DAC編碼經(jīng)過就近取整后轉(zhuǎn)化為整數(shù),假設就近取整函數(shù)為
X=rand(x)。
DAC的12位編碼與輸出電壓的關系式為
X=rand[f1(t)]。
　　根據(jù)ASTME230(4),得到K型熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢和溫度的關系,即
 
　　通過計算得到,溫度絕對誤差最大值△Tmax(K)=0.0047℃,溫度絕對誤差最小值ATmin(K)=-0.0047℃,即溫度絕對誤差小于+0.0047℃。
　　按照上述方法,如果將16位A/D應用于J型熱.電偶信號的產(chǎn)生,設定被測溫度范圍為0~500℃,環(huán)境溫度范圍為0~70℃時,通過計算可得,△Tmax(J)=0.0050,△Tmin(J)=-0.0050,即溫度絕對誤差小于±0.0050℃。
1.3模擬運算電路設計
　　模擬運算電路的主要任務是將從DA輸出的0~5V電壓信號轉(zhuǎn)換為對應的熱電動勢。由于K型熱電偶對應的熱電動勢為-2.851~20.6443mV,而J型熱點偶對應的熱電動勢為-3.650~27.393mV,為了使同1個模擬電路產(chǎn)生2種不同的熱電偶信號,將最終輸出電動勢的范圍設定為-4~30mV,因此模擬運算電路需要提供的放大倍數(shù)為0.0068倍,然后再提供-4mV的偏置,即可得到所需要的熱電動勢。
　　本文選用了1種單級放大電路,可以實現(xiàn)0.0068的增益和-4mV的偏置,同時提供增益和偏置的微調(diào),并且在調(diào)整偏置的過程中,對增益的影響控制在0.001%以下。電路如圖4所示。
 
　　電路的總增益為電阻衰減網(wǎng)絡的放大倍數(shù)和后級同向放大電路的放大倍數(shù)的乘積。
　　選取合適的阻值并計算得Amin=0.0060,Amax=0.0078,通過調(diào)整可以實現(xiàn)0.0068倍的增益。△Vmax=-4.9mV,通過調(diào)整可以實現(xiàn)-4mV的增muEx益調(diào)整。同時增益對輸出增益產(chǎn)生的最大誤差為△Amax=9.79x10^-6”,表示偏置的調(diào)整對增益的影響很微小,符合設計要求。
2測試數(shù)據(jù)及分析
2.1測試方法
　　在進行0點和增益校準之后,選擇其中的一路進行測試。設定環(huán)境溫度為0℃,選擇熱電偶為J型,將測量溫度分別設定為0~500℃,間隔20℃。使用六位半萬用表HP34401A對輸出進行測量,并記錄數(shù)據(jù)。
2.2測試數(shù)據(jù)
　　測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示。
 
　　相對誤差。實際的最大絕對溫度誤差為+0.033℃。相對誤差在0點附近比較大,約0.098%,隨著輸出電壓的升高而減小,相對誤差最終達到0.012%左右。
3結(jié)語
　　本設計能在允許的誤差范圍內(nèi)輸出與K型和J型熱電偶溫差相對應的溫差電動勢,操作簡便,輸出電壓做到實時更新,能很方便地用于熱電偶測量儀表的校準。通過改變模擬運算電路的偏置電壓和增益可以使本電路應用于不同的熱電偶和不同的溫度范圍,并且可以通過選用支持高位數(shù)D/A轉(zhuǎn)換的板卡來達到高的精度。同時,環(huán)境溫度的改變會使0點和增益產(chǎn)生漂移,因此,本電路在使用前需要校準,并且要保證環(huán)境溫度在使用過程中保持相對穩(wěn)定。