基于多種類(lèi)型熱電偶的分層測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

摘要:針對(duì)航天領(lǐng)域測(cè)溫范圍差異大、環(huán)境復(fù)雜以及精度要求高等需求，設(shè)計(jì)了一種基于多種類(lèi)型熱電偶的分層測(cè)溫電路。根據(jù)不同類(lèi)型熱電偶的測(cè)溫范圍以及特點(diǎn),選用了T型、K型和S型3種熱電偶。首先,分別設(shè)計(jì)了與3種熱電偶相對(duì)應(yīng)的冷端補(bǔ)償方案,并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及過(guò)壓保護(hù)，以提高電路的抗干擾能力。利用采集量化電路選取測(cè)溫通道,并將熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。采取多項(xiàng)式分段線(xiàn)性擬合的方式對(duì)熱電偶進(jìn)行非線(xiàn)性校正,并通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算測(cè)溫電路的誤差精度。T型熱電偶通道測(cè)溫范圍為-50℃~300℃,K型熱電偶為-20℃~1100℃,S型熱電偶為0℃~1600℃。結(jié)果表明,3種類(lèi)型熱電偶測(cè)量精度均滿(mǎn)足±0.2%F.S。
0引言
　　T型熱電偶是最佳的測(cè)低溫廉金屬熱電偶，測(cè)溫范圍是-200℃~350℃具有靈敏度高、穩(wěn)定性好及溫度近似線(xiàn)性等優(yōu)勢(shì)。在測(cè)量低溫的條件下,比K型熱電偶精度更高。K型熱電偶是常見(jiàn)的廉金屬熱電偶,具有線(xiàn)性度良好、熱電動(dòng)勢(shì)大及靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，具有很寬的測(cè)溫范圍:-200℃~1200℃。S型熱電偶屬于貴金屬熱電偶,具有穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)勢(shì)，其測(cè)溫范圍為0℃~1600℃。常見(jiàn)測(cè)溫系統(tǒng)通常采用單種類(lèi)型熱電偶,但每種熱電偶測(cè)溫范圍、適用環(huán)境具有較大的差異,使得測(cè)溫系統(tǒng)的使用范圍受到很大的限制。并且采用單種類(lèi)型熱電偶進(jìn)行全量程范圍溫度的測(cè)量,無(wú)法達(dá)到最佳的精度。本文同時(shí)選用這3種不同類(lèi)型的熱電偶,可以根據(jù)測(cè)量溫度以及范圍的不同選擇適合的通道。這種分層測(cè)溫的設(shè)計(jì),不僅能夠提高測(cè)溫的精度,最大化地利用不同類(lèi)型熱電偶的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),也能夠利用廉金屬熱電偶在某些條件下替代貴金屬熱電偶,從而節(jié)省了成本。
　　本設(shè)計(jì)針對(duì)T型、K型、S型這3種類(lèi)型的熱電偶,分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊和采集量化模塊,并對(duì)熱電偶進(jìn)行線(xiàn)性擬合等處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電偶信號(hào)的調(diào)理和采集。
1總體設(shè)計(jì)方案
　　每種熱電偶設(shè)有4個(gè)通道。其中T型熱電偶測(cè)溫范圍均為-50℃~300℃,K型熱電偶測(cè)溫范圍均為-20℃~1100℃,S型熱電偶測(cè)溫范圍均為0℃~1600℃。信號(hào)調(diào)理模塊主要是針對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行冷端補(bǔ)償、信號(hào)放大、濾波以及過(guò)壓保護(hù)等處理。采集量化模塊用于熱電偶測(cè)溫通道的選擇、并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行采集和處理。設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1冷端補(bǔ)償電路
　　熱電偶是通過(guò)測(cè)量熱端和冷端的溫差,輸出相應(yīng)的電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。但是對(duì)于大多數(shù)測(cè)溫裝置而言,始終保持冷端為0℃很難實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際應(yīng)用中,需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償,從而使得其輸出為穩(wěn)定狀態(tài)凹。
1)采用AD8495的冷端補(bǔ)償電路
　　AD8495為一款針對(duì)于K型熱電偶的儀表放大器,其集冷端補(bǔ)償和放大功能于一體,具有精度高、冷端補(bǔ)償范圍廣等特點(diǎn)。其固定增益為122.4,用于放大熱電偶輸出的微小信號(hào),提供5mV/℃的線(xiàn)性輸出。此外,AD8495具有很高的共模抑制比,從而可以有效抑制共模噪聲干擾3]。
　　圖2為K型熱電偶冷端補(bǔ)償電路,在輸入正端串聯(lián)一個(gè)1Mn的電阻并接地,能夠?qū)犭娕歼M(jìn)行開(kāi)路檢測(cè)。為.了防止長(zhǎng)引線(xiàn)熱電偶所產(chǎn)生的高頻噪聲隨有效信號(hào)一起進(jìn)入放大電路,進(jìn)而導(dǎo)致有效信號(hào)受到干擾。需要在熱電偶與AD8495之間接入RFI射頻濾波電路,提高電路的抗干擾能力![4]如圖2左端所示。

　　此外,由于熱電偶的響應(yīng)速度較慢,因此需要進(jìn)行濾波處理。在放大器輸出信號(hào)后接入二階低通濾波電路,消除口電路中串?dāng)_噪聲的影響,如圖3所示

2)采用AD590的冷端補(bǔ)償電路
　　T型與S型熱電偶暫時(shí)沒(méi)有典型的專(zhuān)用冷端補(bǔ)償儀表放大器，因此可以添加一個(gè)隨溫度線(xiàn)性變化的補(bǔ)償電壓U.來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD590是一款集成兩端感溫電流源,其電流與絕對(duì)溫度成比例輸出:1μA/℃的。當(dāng)處于完全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí),有:

　　式中:Ic為AD590產(chǎn)生的電流，V。由溫度補(bǔ)償式帶隙基ef2準(zhǔn)電壓源AD580提供，ea(t,Rr)為參考節(jié)點(diǎn)電勢(shì)。當(dāng)補(bǔ)償AB電壓U.隨溫度的變化率與熱電偶在該溫度(工作溫度的中心值)下的微分熱電勢(shì)一致時(shí),即可完成補(bǔ)償。即對(duì)U。進(jìn)行求導(dǎo),得到式：

　　例如,設(shè)定熱電偶工作環(huán)境為0℃~50℃，則選取25℃對(duì)其進(jìn)行完全補(bǔ)償。其中,AD590在25℃時(shí)輸出電流為298μA,參考電壓為25V。T型熱電偶在25℃下，輸出熱電勢(shì)為0.992mV,微分熱電勢(shì)率為4X10-5V/°C。S型熱電偶在25℃下輸出熱電勢(shì)為0.143mV,微分熱電勢(shì)為6×10^-6“V/℃。聯(lián)立式(3)、(4)并分別帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，即可算出2種熱電偶冷端補(bǔ)償電路中R9、R10以及R11的阻值[8]。
　　此外,熱電偶經(jīng)過(guò)冷端補(bǔ)償后還需要通過(guò)AD8227對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,其增益G=5+80K/(R12+R13)。同K型熱電偶調(diào)理電路一樣,T型和S型熱電偶也需要接入射頻濾波電路和二階低通濾波電路,如圖4所示。

2.2增益調(diào)整電路
　　熱電偶輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)冷端補(bǔ)償以及放大之后,需要進(jìn)行采集,但是此時(shí)的電壓范圍和A/D變換的輸入電壓范圍不一定能夠匹配,因此需要進(jìn)行增益調(diào)整[9]對(duì)于K型熱電偶而言,AD8495的增益是固定的，需要分壓之后再進(jìn)行模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換,如圖5所示。對(duì)于T型和S型熱電偶而言,可以根據(jù)測(cè)溫范圍以及所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入電壓范圍進(jìn)行計(jì)算,確定R14和R15的阻值已達(dá)到預(yù)設(shè)的增益。

2.3過(guò)壓保護(hù)電路
　　為了避免調(diào)理電路出現(xiàn)超量程而使得后續(xù)采集電路損壞，需要在采集電路前接入過(guò)壓保護(hù)電路。V;表示熱電偶調(diào)理電路的輸出信號(hào)，V0與采集電路模塊相連，如圖6所示。

2.4信號(hào)采集電路
　　采樣量化電路的主控制器FPGA通過(guò)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,對(duì)輸入的模擬信號(hào)依次采樣量化,主要由模擬開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC組成。模擬開(kāi)關(guān)電路主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集通道的切換。信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路前需要通過(guò)分壓跟隨和抗混疊濾波電路，如圖7所示。分壓跟隨電路用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)緩沖作用，抗混疊濾波電路可以有效地抑制反沖噪聲和帶外噪聲。

3多項(xiàng)式分段線(xiàn)性擬合.
　　熱電偶在測(cè)試過(guò)程中,通過(guò)讀取其輸出的熱電勢(shì),去反推溫度,實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。例如可以使用二分法去查找對(duì)應(yīng)熱電偶分度表的方法得到對(duì)應(yīng)的溫度。鑒于分度表的間隔是整數(shù),在大多數(shù)情況下,無(wú)法正確找到對(duì)應(yīng)的溫度,因此還需配合線(xiàn)性方程一起使用。但是熱電偶的熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系在全量程范圍內(nèi)并不是呈線(xiàn)性關(guān)系的,其響應(yīng)曲線(xiàn)的斜率會(huì)隨著溫度而變化，從而會(huì)導(dǎo)致熱電偶的輸出電壓與實(shí)際測(cè)得的溫度存在一定的偏差。并且,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶而言,若型號(hào)相同,其誤差基本是恒定的。因此,對(duì)熱電偶進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償具有必要性和可行性[12]。利用最小二乘法得到不同溫度段的“溫度熱電勢(shì)”函數(shù),并將熱電勢(shì)帶入對(duì)應(yīng)的方程中,反推得到溫度。這種方法適合于熱電勢(shì)率比較穩(wěn)定的熱電偶類(lèi)型，從而可以將溫度分為較少的幾個(gè)區(qū)段去擬合[13]。
　　NIST提出了標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表和各類(lèi)型熱電偶“溫度-熱電勢(shì)”變換函數(shù)的高階多項(xiàng)式系數(shù)及變換函數(shù)反函數(shù)的系數(shù)。這種方式相對(duì)于最小二乘法而言,精度更高,并且適用性更廣。其溫度與熱電偶輸出電壓的關(guān)系式為:

　　其中，E為熱電偶輸出電壓,dN為多項(xiàng)式系數(shù)[14]。
3.1K型熱電偶
　　K型熱電偶溫度和輸出電壓曲線(xiàn)在0℃以下線(xiàn)性度存在明顯的偏差。因此,需要對(duì)溫度進(jìn)行分段擬合。經(jīng)過(guò)多次嘗試,將溫度分為3段:-270℃~0℃、0℃~500℃和500℃~1372℃。并分別進(jìn)行擬合,結(jié)果表明,其線(xiàn)性度均可達(dá)到0.9999。
　　K型熱電偶的N多項(xiàng)式系數(shù)如表1所示,單位為mV。代入系數(shù)可以得出輸出電壓一溫度函數(shù):


3.2T型熱電偶
　　與K型熱電偶類(lèi)似,T型熱電偶在全量程范圍內(nèi)溫度和輸出電壓也并不是呈完全線(xiàn)性，因此也需要進(jìn)行分段擬合數(shù)。將溫度分為2段:200℃~0℃和0℃~400℃。其多項(xiàng)式系數(shù)如表2所示。

3.3S型熱電偶
　　S型熱電偶溫度分為:0℃~250℃、250℃~1200℃和1200℃~1600℃。S型熱電偶多項(xiàng)式系數(shù)如表3所示。

　　由于器件及補(bǔ)償誤差等因素,無(wú)法保證電路的絕對(duì)線(xiàn)性。使得實(shí)際測(cè)量結(jié)果和線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)存在一定的誤差,并且該誤差并不是恒定為正或者為負(fù)。因此,引入一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)b。b為實(shí)際測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)和理想擬合線(xiàn)性曲線(xiàn)最大正誤差b1和最大負(fù)誤差b2和的1/2,可以得到最終的.“輸出電壓-溫度”函數(shù)[15]

4試驗(yàn)與驗(yàn)證
　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和正確性,需要對(duì)設(shè)備工作性能進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)合3種熱電偶的預(yù)設(shè)測(cè)溫范圍和分段線(xiàn)性擬合區(qū)段,分別設(shè)定幾個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。使用Omega公司的CL3515R系列溫度校準(zhǔn)儀模擬熱電偶在所設(shè)定溫度下的輸出熱電勢(shì),通過(guò)采集設(shè)備讀取相應(yīng)的數(shù)字量,并帶入標(biāo)定公式換算得到對(duì)應(yīng)的溫度值,再與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行對(duì)比,得到最終測(cè)量精度。3種熱電偶測(cè)試結(jié)果分別為表4~6所示。