熱電偶測溫采集精度影響因素

摘要:熱電偶測溫精度是由多方面因素決定,除了熱電偶本身精度誤差、安裝方式、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線之外,主要由熱電偶二次采集元件端的精度決定。該文在介紹熱電偶工作原理的.基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析了二次采集元件影響熱電偶信號采集精度的3個關(guān)鍵因素,包括熱電偶信號采集電路分析、熱電偶信號的非線性化處理和冷端補(bǔ)償方法,通過對以上3個關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化處理，可以極大地提高熱電偶信號采集精度,從而提高熱電偶的測溫精度。
　　在鋼鐵冶金領(lǐng)域，溫度是非常重要的參數(shù),熱電偶具有精度高、響應(yīng)時間快、測溫范圍廣、成本低和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測元件的首選。熱電偶的測溫精度對工業(yè)生產(chǎn)過程控制有著至關(guān)重要的意義,影響熱電偶測溫精度有多方面的因素，除了熱電偶材質(zhì)的影響、安裝位置是否合適、安裝方法是否合理、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)等之外，還主要包括二次采集元件端(例如熱電偶二次儀表、PLC熱電偶模塊等)的因素，如熱電偶信號采集電路、信號非線性化處理技術(shù)及合適的冷端補(bǔ)償方法等。著重從以上3個因素分析熱電偶信號采集精度,并提出合理的優(yōu)化方法。
1熱電偶的基本工作原理
　　把2根不同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體(A和B)焊接起來組成一個閉合回路，該閉合回路叫熱電回路。當(dāng)兩接合點(diǎn)處于不同溫度T和T時，回路中就會產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的,其中直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱測量端),另一端叫做冷端(也稱為補(bǔ)償端)，冷端與測量儀表連接。當(dāng)熱端與冷端有溫差時,測量儀表便能測出被測介質(zhì)的溫度1-4。熱電偶的熱電勢隨溫度的升高而增大,其熱電勢的大小與熱電偶的材質(zhì)、熱電偶兩端的溫度有關(guān),而與熱電極的長度、直徑無關(guān)。熱電偶工作原理如圖1所示。
 
2熱電偶信號采集精度分析
2.1熱電偶信號采集電路分析
　　熱電偶信號是變化緩慢的微弱微伏級信號,信號在傳輸過程中,容易受到外界的電磁干擾，因此熱電偶測溫儀表采集熱電偶信號時,其信號前端需要增加信號調(diào)理電路,提高電磁抗干擾能力,并且.信號采集需選用精度高、高可靠的AD轉(zhuǎn)換器,同時AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源要求選用精度高、低漂移的基準(zhǔn)電壓源,并且熱電偶信號更需要采用差分信號輸人來消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲，通過以上合適的.電路優(yōu)化設(shè)計(jì)才能保證熱電偶信號采集精度的要求。
2.2熱電偶信號采集電路的優(yōu)化方法
　　熱電偶信號采集優(yōu)化方案從以下3個方面考慮:
　　信號調(diào)理電路信號前端設(shè)計(jì)差分低通濾波器和共模濾波器，濾波器可以采用電阻和電容等無源器件構(gòu)成,濾波器的截止頻率決定了阻容值的大小，也可以考慮采用有源濾波器,采用低失調(diào)，低溫漂的運(yùn)算放大器構(gòu)成有源濾波器,并且運(yùn)算放大器輸人阻抗高,輸出.阻抗低,可以提供良好的隔離性能,并.可提供所需增益。
　　AD轉(zhuǎn)換器選型AD轉(zhuǎn)換器宜選用高分辨率、低噪聲、高共模抑制比、帶差分輸人通道、內(nèi)置可編程增益的AD轉(zhuǎn)換器。分辨率越高,采集精度越高,但是器件成本會增加,采集系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)信號波動的最小值來選擇合適的分辨率。例如熱電偶S分度,其變化1℃最小值是5μV,則最低有效位LSB必須低于5μV。
　　AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源可以選擇內(nèi)置或者外部單獨(dú)接1個基準(zhǔn)電壓源,基準(zhǔn)電壓源要求低溫漂、精度高、低噪聲。內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源精度一般，若想更精度高的基準(zhǔn)電壓源,則要求選擇外置的電壓源。
　　以AD7793正確測量熱電偶信號來舉例說明。AD7793適合精度高測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內(nèi)置1個低噪聲、帶有3個差分模擬輸人的16位Σ-△型ADC，它集成了片內(nèi)低噪聲儀用放大器,并且增益可設(shè)置。
　　AD7793測量熱電偶信號電路如圖2所示。AD7793的差分輸人用于消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲,組成差分低通濾波器的R1,R2,C2放置在AD7793的前端，可以消除熱電偶引腳上可能存在的拾取噪聲。R1,R2,C1和C3電容組成共模濾波器,可以提供額外的共模濾波。基準(zhǔn)電壓源選用ADI公司的AD3425,AD3425是低成本、低功耗、精度高基準(zhǔn)電壓源,具有±0.1%的初始精度。
 
　　當(dāng)AD7793配置為單極性工作模式時，模擬輸人電壓信號計(jì)算公示為
 
　　顯然,基準(zhǔn)電壓有漂移會影響到熱電偶信號的采集電壓值。轉(zhuǎn)換位數(shù)越大,最低有效位LSB越小，采集精度就越高，以基準(zhǔn)電壓2500mV為準(zhǔn),AD7793最低有效位LSB為38.147μV,若AD轉(zhuǎn)換器更換為24位的AD7792，最低有效位LSB為0.149μV,精度提高了256倍。
3熱電偶信號的非線性處理
3.1熱電偶信號的非線性處理
　　測溫儀表采集的熱電偶的熱電勢必須經(jīng)過冷端補(bǔ)償修正，才能得到參考溫度0℃情況下熱電偶的熱電勢,修正公式為
E(T,0℃)=E(T,t0)+E(t0,0℃)(2)
　　式中:E(T,0℃)為被測介質(zhì)在參考溫度0℃時實(shí)際溫度T℃對應(yīng)的熱電勢,mV;E(T,t0)為在恒溫t0下測得的熱電勢,mV;E(t0,0℃)為在參考溫度0℃時恒溫t0時熱電偶的熱電勢,mV。
　　經(jīng)過修正后的實(shí)際熱電勢，根據(jù)熱電偶分度表,可以查出對應(yīng)的被測介質(zhì)的實(shí)際溫度叫。查表法適用于易于存儲大量數(shù)據(jù)單元、計(jì)算速度快的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),但難以適用于數(shù)據(jù)存儲空間有限且CPU運(yùn)算速度較慢的測溫儀表等嵌入式系統(tǒng),若嵌人式系統(tǒng)采用查表法，會占用較大的存儲空間,并且查表時間比較長,滿足不了測溫實(shí)時性的要求。
　　由于熱電偶的熱電勢與溫度信號呈現(xiàn)出較高的非線性關(guān)系，不能用線性函數(shù)表示兩者的關(guān)系,如果不作線性化處理,直接根據(jù)熱電勢查找熱電偶分度表,查找工作量巨大,不適合嵌人式熱電偶采.集系統(tǒng)，因此需要對熱電偶的熱電勢和溫度信號作線性化處理,減少運(yùn)算工作量”。
　　從熱電偶信號的非線性特點(diǎn)出發(fā),熱電偶溫度信號的線性化采用分段近似斜率法,該方法適合于嵌人式系統(tǒng),并且精度高、運(yùn)算量少、不占用較大存儲空間。
3.2非線性處理的優(yōu)化方法
　　熱電偶信號的非線性處理采用分段近似斜率.法。分段近似斜率法是將熱電偶在某一區(qū)間內(nèi)的溫度差與此區(qū)間內(nèi)電勢差所對應(yīng)的線性轉(zhuǎn)換值作為該區(qū)間的校正斜率,再加，上該區(qū)間的初值，得到非線性校正公式為實(shí)際溫度值=斜率值x(線性轉(zhuǎn)換值-區(qū)間段電壓初始值)+區(qū)間段溫度初值(3)
　　式中線性轉(zhuǎn)換值為經(jīng)過冷端補(bǔ)償后的熱電偶的熱電勢,如式(2)中的E(T,0℃)值。
　　為了提高熱電偶測溫精度，分段區(qū)間做的越多,熱電偶計(jì)算值與實(shí)際值誤差越小、精度越高,但是分段區(qū)間多會增加計(jì)算運(yùn)行時間,具體分段數(shù)目需根據(jù)熱電偶采集精度的實(shí)際需要以及CPU的主頻速度來決定。
以K分度熱電偶為例，假設(shè)把熱電偶0℃~1372℃分為17段,每一段有起始溫度值、起始溫度值對應(yīng)的電勢、終點(diǎn)溫度對應(yīng)的電勢,以及該段的斜率4。具體分段如表1所示。
 
　　假設(shè)采用式(2)實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償后的K分度熱電.偶的熱電勢為41859μV，顯然該值落在第12分段.，區(qū)間,其初始溫度值為950℃，斜率39μV/℃,該區(qū)間段的起始熱電勢為39314μV,根據(jù)式(4)可得實(shí)際溫度值為Tabs=(41859--39314)/39+950=1015.3℃。
　　查表可得,41859μV對應(yīng)的溫度值為1015℃。查表值與分段斜率計(jì)算值相差0.3℃，達(dá)到了非線，性化的目的。顯然分段近似斜率法可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn),易于在嵌人式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。
4熱電偶的冷端補(bǔ)償
4.1熱電偶的冷端補(bǔ)償分析
　　根據(jù)式(2)可知,熱電偶必須經(jīng)過冷端溫度補(bǔ)償才能獲得被測介質(zhì)實(shí)際溫度對應(yīng)的熱電勢,根據(jù)此熱電勢才能計(jì)算出真實(shí)的溫度值。顯然,冷端溫度的精度會影響到熱電偶的測量精度,若冷端溫度測量誤差較大,會造成熱電偶的測量溫度值誤差較大。冷端溫度補(bǔ)償目前常用的方法有3種。
(1)直接測量冷端溫度法
　　冷端溫度值直接采用溫度傳感器測量,測溫儀表一般采用熱電阻測量冷端溫度，然后利用式(2)獲得最終的實(shí)際溫度對應(yīng)的熱電勢，最后利用線性化處理方法,獲得實(shí)際溫度值。
(2)電橋補(bǔ)償法
　　電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度不在0C時引起的熱電勢變化值。使用補(bǔ)償電橋時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①不同分度號的熱電偶要配用與熱電偶同型號的補(bǔ)償電橋;②補(bǔ)償電橋與熱電偶、電源和測量儀表連接時,要接線正確,特別是電源正、負(fù)極不可反接;③不平衡電橋的輸出電壓隨直流電源的電壓而變，因此直流電源的電壓要恒定不變。
(3)集成冷端補(bǔ)償?shù)男酒?br /> 　　集成冷端補(bǔ)償?shù)男酒饕ň軣犭娕挤糯笃骱蜔犭娕糀D轉(zhuǎn)換器。
　　例如AD8495是一款集成冷端補(bǔ)償?shù)木軣犭娕挤糯笃?內(nèi)部帶有固定增益放大器,以提供5mV/℃輸出,該放大器具有高共模抑制性能,能夠抑制熱電偶的長引線可能拾取的共模噪聲。針對K型熱電偶作了預(yù)校準(zhǔn),只適合于K型熱電偶測量。
　　MAX31855是一款集成冷端補(bǔ)償?shù)腁D轉(zhuǎn)換器,器件輸出14位帶符號數(shù)據(jù),SPI接口,轉(zhuǎn)換器的溫度分辨率為0.25℃C,具有熱電偶開路檢測功能，以及熱電偶對GND或VCC短路檢測功能。每款芯片只針對某一類型的熱電偶測量,其靈活性不夠。
4.2熱電偶的冷端補(bǔ)償優(yōu)化方法
　　冷端補(bǔ)償采用電橋補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)，其靈活性不.夠，不同熱電偶需要配與熱電偶同型號的電橋,并且不平衡電橋的輸出電壓隨直流電源的電壓而變,因此直流電源的電壓要恒定不變,對直流電源的精度要求比較高,基于以上缺點(diǎn)，目前電橋補(bǔ)償法很少使用。
　　集成冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕疾杉酒膬?yōu)點(diǎn)是集成冷端補(bǔ)償,芯片體積小,具有熱電偶開短路檢測功能,但是其轉(zhuǎn)換精度由芯片本身決定,只針對某一類型熱電偶作了冷端補(bǔ)償預(yù)校準(zhǔn),系統(tǒng)不能通過軟件來修改熱電偶采集類型。
　　采用溫度傳感器采集冷端溫度作冷端補(bǔ)償,溫度傳感器可以選擇精度高、可靠高、低溫漂的傳感器,采集到的冷端溫度再轉(zhuǎn)換成某一類型熱電偶在該冷端溫度下的熱電勢,系統(tǒng)利用式(2)實(shí)現(xiàn)了冷端補(bǔ)償,并且系統(tǒng)可以通過程序設(shè)置測溫儀表采集某一類型的熱電偶,因此,該種方法靈活性好、精度高,可以用于多種類型熱電偶信號采集。
5結(jié)語
　　綜上所述,熱電偶信號二次元件端采集精度主要取決于3個方面的因素,包括熱電偶信號采集電.路，熱電偶信號的線性化以及熱電偶的冷端補(bǔ)償。任何一個因素處理不當(dāng)都會影響到熱電偶信號采集的精度，通過以上3個方面給出的優(yōu)化方法，可以極大地提高熱電偶信號二次元件端的采集精度,從而提高熱電偶的測溫精度。隨著集成電路的高速發(fā)展,集成冷端補(bǔ)償、高共模抑制能力、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可配置為多種類型熱電偶測量的AD轉(zhuǎn)換器以后會越來越得到廣泛的應(yīng)用。