基于K型熱電偶數(shù)據(jù)擬合的溫度測量系統(tǒng)設計

摘要:針對K型熱電偶測溫的特性結合虛擬儀器技術,本文設計了一種具有精度高的溫度測量系統(tǒng)。利用溫度傳感器AD592完成K型熱電偶冷端自動補償,儀用放大器完成對熱電偶輸出信號進行放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號的要求,同時采用LabVIEW軟件完成曲線擬合。測試結果表明,系統(tǒng)具有測量精度高、可靠性高、使用靈活等特點,當被測溫度范圍在10~180℃之間,測量的絕對誤差小于±0.5℃可廣泛使用于要求較精度高溫度測量的領域。
0引言
　　K型熱電偶由于結構簡單,測溫范圍廣,性能穩(wěn)定,測量精度較高等特點被廣泛用于測量氣體、液體、固體在-200℃~1300℃范圍內(nèi)溫度。熱電偶測溫原理為賽貝克效應,即:將兩種不同的導體A、B組成一個閉合回路,如兩個接觸點的溫度不同,則回路中就會產(chǎn)生熱電動勢E_AB(T,T0),其大小為:
 
　　式中,k為波爾茲曼常數(shù),e為電子電荷量,nA、nB為A、B材料的自由電子密度,σA、σB為A、B材料的湯姆遜系數(shù)12]?？梢姰敱３掷涠藴囟萒o為恒定時,熱電動勢E_AB(T,T0)與測量端溫度T為單值函數(shù)關系。
　　由于熱電偶的標準分度表是在其冷端溫度To為0℃的條件下測的熱電勢。所以在使用熱電偶時，只有滿足To=0℃的條件下,才能使用分度表或分度曲線。根據(jù)中間溫度定理:
 
　　完成冷端補償,E_AB(T,0)為冷端補償后的熱電勢,E_AB(T,T0)為直接測量得出的熱電勢,E_AB(To,0)為冷端溫度To相對0℃的熱電勢,在冷端引入.溫度補償電路使其輸出電壓與E_AB(To,0)相等來達到冷端補償?shù)哪康摹?br /> 1系統(tǒng)構成
　　為了提高測量精度，系統(tǒng)采用AD592溫度傳感器實現(xiàn)冷端補償。根據(jù)中間溫度定理,信號處理模塊完成將AD592補償?shù)碾妷号c熱電偶輸出的熱電勢相加完成冷端補償,并且將補償后的電壓放大滿足數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號的要求,數(shù)據(jù)采集卡完成輸入電壓的采集,在PC機上采用LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)擬合達到精度高測量的目的。系統(tǒng)結構如圖1所示。
 
1.1冷端補償電路
　　冷端補償電路如圖2所示,電流輸出型溫度傳感器AD592測量范圍為-25℃~105℃,測量精度可達±0.3℃,其輸出電流為:
 
　　式中,S=1μA/K為電流輸出靈敏度,T。為冷端絕對溫度[3.4。由于K型熱電偶的電壓溫度系數(shù)為41.269μV/℃，利用41Ω的基準電阻R9將AD592輸出電流轉換為電壓實現(xiàn)冷端補償。但由于AD592在0℃時,輸出電流為1μA/Kx273.2K=273.2μA,因此環(huán)境溫度為T°C時,其輸出電壓為(273.2μA+1μA/℃xT。℃)x410=11.201mV+41μV/℃xT0℃,其中第二項作為熱電偶冷端補償電壓，第--項為誤差電壓,此項在OP07組成的跟隨電路中通過R8和R9對2.5V電壓分壓來消除。
 
1.2儀用放大器電路
　　儀用放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低失調(diào)電壓與低溫漂等特點,如圖3所示，由三個OP07運放組成,并分為兩級:第-級為兩個同相放大器U1、U2組成,達到高輸入阻抗的目的;第二級為普通差動放大器,把雙端輸入變?yōu)閷Φ氐膯味溯敵鯥5]。儀用放大器為了保證差動放大器的完全對稱，使R1=R6,R4=R5,R2=R7,由于K型熱電偶在測溫范圍內(nèi)電壓輸出為-1.889mV~52.398mV,為了滿足數(shù)據(jù)采集卡對采集信號的要求,設置其增益AV=-(1+2R4/R3)xR2/R1=-98。
1.3數(shù)據(jù)采集卡
　　數(shù)據(jù)采集卡完成對儀用放大器輸出的電壓信號Uo進行采集,將其轉換為數(shù)字信號供計算機讀取。系統(tǒng)采用基于PCI總線的PCI2300數(shù)據(jù)采集卡,可直接插入IBM-PC/AT或與之兼容的計算機內(nèi)的任一PCI插槽中,構成采集系統(tǒng)。PCI2300數(shù)據(jù)采集卡提供16雙端/32單端的模擬輸入通道,可選擇任一通道作為信號輸入端并且具有采樣率為1000SPS的12位AD轉換器。采集信號范圍有±5V、±10V、0-10V、0-5V在此選用-5V~+5V范圍。
 
2LabVIEW軟件設計
　　在PC機上,采用LabVIEW軟件編程實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制和管理。在軟件設計中,需要讀取數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號,進而擬合出電壓與被測溫度之間的曲線并計算出溫度的大小。所以LabVIEW程序主要分為數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)擬合兩部分。
2.1數(shù)據(jù)采集模塊
　　數(shù)據(jù)采集模塊主要由PCI2300采集卡自帶的數(shù)據(jù)采集接口模塊、-個數(shù)組、首末通道設置模塊組成如圖4所示。其中，數(shù)據(jù)采集接口為批量讀取接口，首末通道用來指定--路或多路通道進行采集數(shù)據(jù)。利用數(shù)組是將-個通道作為--個集合傳遞給數(shù)據(jù)采集接口,其元素為-個通道,維度數(shù)為1。ReadDevBulkAD為PCI2300數(shù)據(jù)采集卡自帶的數(shù)據(jù)采集接口,它的功能是為用戶每調(diào)用一次該函數(shù)，即可從PCI設備.上取得一-次AD轉換器的輸出數(shù)據(jù)。
2.2數(shù)據(jù)擬合模塊
　　LabVIEW的CurveFitting工具包中提供了線性擬合(LinearFit)指數(shù)擬合(ExponentialFit人多項式擬合(GeneralPolynomialFit)和非線性擬合(NonlinearLevenberg-MarquardFit)等多種擬合方式。數(shù)據(jù)擬合模塊如圖5所示，主要由溫度顯示模塊、誤差計算模塊、電子表格讀取和存儲模塊、擬合方式選取模塊、多項式擬合階數(shù)輸入模塊、最佳表達式輸出模塊和曲線顯示模塊組成。選擇不同的擬合方式可以得出不同的擬合曲線。
 
3測試結果分析
　　K型熱電偶在冷端溫度固定的條件下由式(1)可得,熱端溫度T與輸出熱電勢EAB(T,T0)之間成線性關系。但是由于測量電路的誤差與K型熱.電偶器件自身消耗功率的自發(fā)熱對測量精度的影響,所以將K型熱電偶輸出熱電勢隨溫度變化的曲線擬合為線性和指數(shù)方式誤差都比較大,不能達到精度高的要求,需要擬合為多項式。
　　測試采用TH-2015超級恒溫槽提供標準溫度,該恒溫槽的溫度范圍為0~200℃,溫度誤差小于0.05%。由于其不能制冷所以最低溫度為室溫,測試中對10~180℃中的數(shù)據(jù)進行12個溫度點測量,測試結果如表1所際,得出最佳擬合方程為:
 
式中,T為被測溫度，U。為儀用放大器輸出電壓。
　　擬合曲線如圖6所示，可見K型熱電偶測溫系統(tǒng)所測儀用放大器的輸出電壓值與實際溫度之間滿足擬合方程。測溫系統(tǒng)的測量絕對誤差小于±0.5℃,達到了較高的測量精度。
 
4結論
　　采用LabVIEW的CurveFitting工具包可以方便地實現(xiàn)各種曲線的擬合。經(jīng)實驗證明,利用LabVIEW軟件結合AD592冷端補償電路,可以實現(xiàn)較精度高的溫度測量以及具有強大的數(shù)據(jù)處理功能和良好的人機界面。系統(tǒng)不僅適合于K型熱電偶,將冷端補償電路進行簡單修改即可滿足其他類型的熱電偶。