熱電偶測(cè)溫采集精度影響因素

摘要:熱電偶測(cè)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(hào)采集精度的3個(gè)關(guān)鍵因素,包括熱電偶信號(hào)采集電路分析、熱電偶信號(hào)的非線性化處理和冷端補(bǔ)償方法,通過(guò)對(duì)以上3個(gè)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(hào)采集精度,從而提高熱電偶的測(cè)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(shí)間快、測(cè)溫范圍廣、成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測(cè)元件的首選。熱電偶的測(cè)溫精度對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制有著至關(guān)重要的意義,影響熱電偶測(cè)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(hào)采集電路、信號(hào)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(gè)因素分析熱電偶信號(hào)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(lái)組成一個(gè)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(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng),而這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的,其中直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱(chēng)測(cè)量端),另一端叫做冷端(也稱(chēng)為補(bǔ)償端)，冷端與測(cè)量?jī)x表連接。當(dāng)熱端與冷端有溫差時(shí),測(cè)量?jī)x表便能測(cè)出被測(cè)介質(zhì)的溫度1-4。熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的升高而增大,其熱電勢(shì)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(zhǎng)度、直徑無(wú)關(guān)。熱電偶工作原理如圖1所示。
 
2熱電偶信號(hào)采集精度分析
2.1熱電偶信號(hào)采集電路分析
　　熱電偶信號(hào)是變化緩慢的微弱微伏級(jí)信號(hào),信號(hào)在傳輸過(guò)程中,容易受到外界的電磁干擾，因此熱電偶測(cè)溫儀表采集熱電偶信號(hào)時(shí),其信號(hào)前端需要增加信號(hào)調(diào)理電路,提高電磁抗干擾能力,并且.信號(hào)采集需選用精度高、高可靠的AD轉(zhuǎn)換器,同時(shí)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(hào)更需要采用差分信號(hào)輸人來(lái)消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲，通過(guò)以上合適的.電路優(yōu)化設(shè)計(jì)才能保證熱電偶信號(hào)采集精度的要求。
2.2熱電偶信號(hào)采集電路的優(yōu)化方法
　　熱電偶信號(hào)采集優(yōu)化方案從以下3個(gè)方面考慮:
　　信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)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(wú)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(huì)增加,采集系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)信號(hào)波動(dòng)的最小值來(lái)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(gè)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(cè)量熱電偶信號(hào)來(lái)舉例說(shuō)明。AD7793適合精度高測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內(nèi)置1個(gè)低噪聲、帶有3個(gè)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(cè)量熱電偶信號(hào)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(shí)，模擬輸人電壓信號(hào)計(jì)算公示為
 
　　顯然,基準(zhǔn)電壓有漂移會(huì)影響到熱電偶信號(hào)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(hào)的非線性處理
3.1熱電偶信號(hào)的非線性處理
　　測(cè)溫儀表采集的熱電偶的熱電勢(shì)必須經(jīng)過(guò)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(shì),修正公式為
E(T,0℃)=E(T,t0)+E(t0,0℃)(2)
　　式中:E(T,0℃)為被測(cè)介質(zhì)在參考溫度0℃時(shí)實(shí)際溫度T℃對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì),mV;E(T,t0)為在恒溫t0下測(cè)得的熱電勢(shì),mV;E(t0,0℃)為在參考溫度0℃時(shí)恒溫t0時(shí)熱電偶的熱電勢(shì),mV。
　　經(jīng)過(guò)修正后的實(shí)際熱電勢(shì)，根據(jù)熱電偶分度表,可以查出對(duì)應(yīng)的被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度叫。查表法適用于易于存儲(chǔ)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(chǔ)空間有限且CPU運(yùn)算速度較慢的測(cè)溫儀表等嵌入式系統(tǒng),若嵌人式系統(tǒng)采用查表法，會(huì)占用較大的存儲(chǔ)空間,并且查表時(shí)間比較長(zhǎng),滿足不了測(cè)溫實(shí)時(shí)性的要求。
　　由于熱電偶的熱電勢(shì)與溫度信號(hào)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(shì)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(duì)熱電偶的熱電勢(shì)和溫度信號(hào)作線性化處理,減少運(yùn)算工作量”。
　　從熱電偶信號(hào)的非線性特點(diǎn)出發(fā),熱電偶溫度信號(hào)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(chǔ)空間。
3.2非線性處理的優(yōu)化方法
　　熱電偶信號(hào)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(shì)差所對(duì)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(guò)冷端補(bǔ)償后的熱電偶的熱電勢(shì),如式(2)中的E(T,0℃)值。
　　為了提高熱電偶測(cè)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(huì)增加計(jì)算運(yùn)行時(shí)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(lái)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(duì)應(yīng)的電勢(shì)、終點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的電勢(shì),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(shì)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(shì)為39314μV,根據(jù)式(4)可得實(shí)際溫度值為T(mén)abs=(41859--39314)/39+950=1015.3℃。
　　查表可得,41859μV對(duì)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(guò)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(guò)冷端溫度補(bǔ)償才能獲得被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì),根據(jù)此熱電勢(shì)才能計(jì)算出真實(shí)的溫度值。顯然,冷端溫度的精度會(huì)影響到熱電偶的測(cè)量精度,若冷端溫度測(cè)量誤差較大,會(huì)造成熱電偶的測(cè)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(cè)量冷端溫度法
　　冷端溫度值直接采用溫度傳感器測(cè)量,測(cè)溫儀表一般采用熱電阻測(cè)量冷端溫度，然后利用式(2)獲得最終的實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)，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(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度不在0C時(shí)引起的熱電勢(shì)變化值。使用補(bǔ)償電橋時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①不同分度號(hào)的熱電偶要配用與熱電偶同型號(hào)的補(bǔ)償電橋;②補(bǔ)償電橋與熱電偶、電源和測(cè)量?jī)x表連接時(shí),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(zhǎng)引線可能拾取的共模噪聲。針對(duì)K型熱電偶作了預(yù)校準(zhǔn),只適合于K型熱電偶測(cè)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(hào)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(kāi)路檢測(cè)功能，以及熱電偶對(duì)GND或VCC短路檢測(cè)功能。每款芯片只針對(duì)某一類(lèi)型的熱電偶測(cè)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(hào)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(duì)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(kāi)短路檢測(cè)功能,但是其轉(zhuǎn)換精度由芯片本身決定,只針對(duì)某一類(lèi)型熱電偶作了冷端補(bǔ)償預(yù)校準(zhǔn),系統(tǒng)不能通過(guò)軟件來(lái)修改熱電偶采集類(lèi)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(lèi)型熱電偶在該冷端溫度下的熱電勢(shì),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(guò)程序設(shè)置測(cè)溫儀表采集某一類(lèi)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(lèi)型熱電偶信號(hào)采集。
5結(jié)語(yǔ)
　　綜上所述,熱電偶信號(hào)二次元件端采集精度主要取決于3個(gè)方面的因素,包括熱電偶信號(hào)采集電.路，熱電偶信號(hào)的線性化以及熱電偶的冷端補(bǔ)償。任何一個(gè)因素處理不當(dāng)都會(huì)影響到熱電偶信號(hào)采集的精度，通過(guò)以上3個(gè)方面給出的優(yōu)化方法，可以極大地提高熱電偶信號(hào)二次元件端的采集精度,從而提高熱電偶的測(cè)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(lèi)型熱電偶測(cè)量的AD轉(zhuǎn)換器以后會(huì)越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。