溫度傳感器S型熱電偶測(cè)溫電路設(shè)計(jì).

摘要:針對(duì)航天領(lǐng)域環(huán)境溫度測(cè)量寬量程、精度高的需求，提出一種基于溫度傳感器進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)?strong>S型熱電偶測(cè)量電路,該電路由S型熱電偶溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路和采樣量化電路兩部分組成。利用溫度傳感器AD590的輸出電流產(chǎn)生補(bǔ)償電動(dòng)勢(shì),以補(bǔ)償s型熱電偶冷端溫度,實(shí)現(xiàn)其測(cè)點(diǎn)絕對(duì)溫度的測(cè)量;通過(guò)S型熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì)與測(cè)量溫度在分段線性擬合和全量程線性擬合兩種算法下的線性度比較，S型熱電偶測(cè)量時(shí)的非線性誤差采用分段線性擬合校正算法。對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行多次試驗(yàn),結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量范圍為0~1600℃,全溫度范圍測(cè)量精度+0.2%。電路經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證,測(cè)量結(jié)果符合環(huán)境變化情況。
0引言
      在航天領(lǐng)域溫度測(cè)量中往往需要采集較高的溫度并且對(duì)溫度采集的精度要求較高，在接觸式測(cè)溫法中，熱電偶的應(yīng)用普遍。S型熱電偶的測(cè)量溫度范圍為0~1600℃,可以滿足對(duì)高溫的測(cè)量需求。熱電偶的工作原理為熱電效應(yīng)，即熱電偶的冷端和熱端處于不同的溫度場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),然而熱電偶冷端溫度的變化會(huì)導(dǎo)致溫度采集精度下降[2]。針對(duì)目前S型熱電偶暫無(wú)專用冷端補(bǔ)償集成放大器的情況,本文從使用溫度傳感器對(duì)S型.熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償人手，設(shè)計(jì)了S型熱電偶測(cè)溫電路,并使用相關(guān)的儀器設(shè)備對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該電路的可靠性。
1電路整體設(shè)計(jì)
      該測(cè)溫電路主要包括兩部分,分別為信號(hào)調(diào)理電路和采樣量化電路。其中信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償和放大，采樣量化電路的主要作用是將已調(diào)理的電壓信號(hào)量化為數(shù)字量以供后續(xù)的軟件處理，電路整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)
2.1信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)
S型熱電偶測(cè)溫電路設(shè)計(jì)是基于消除射頻干擾(RFI)以及S型熱電偶冷端自動(dòng)補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)為核心的。
2.1.1RFI濾波電路設(shè)計(jì)
      RFI濾波電路目的是消除熱電偶在采集溫度時(shí)拾取的高頻噪聲，例如生活中的WiFi信號(hào)和手機(jī)信號(hào)對(duì)于熱電偶采集的溫度信號(hào)都屬于高頻噪聲[3]。如果不將熱電偶長(zhǎng)引線所帶來(lái)的高頻噪聲濾除掉,噪聲進(jìn)人到儀表放大器,就會(huì)被儀表放大器整流從而產(chǎn)生直流輸出失調(diào)誤差,并且在后續(xù)的濾波電路中無(wú)法消除而導(dǎo)致溫度采集的精度降低[4]。RFI濾波電路如圖2所示。
      RFI濾波電路由兩個(gè)對(duì)稱的一階RC濾波電路構(gòu)成，為保證RFI濾波電路在高頻段工作的可靠性,需要對(duì)R/C2和R2/C3的值進(jìn)行嚴(yán)格匹配。其中R1和R2選擇7.5k92/1%的電阻,C2和C3選擇容值為10nF的電容器。為降低由于兩個(gè)RC濾波電路不匹配造成的RFI濾波電路的共模抑制比(CMRR)降低,需保證C1≥10C2,C1選擇100nF的電容。

      該RFI濾波電路可以對(duì)頻率大于101.1Hz的差模頻率和頻率大于2.12kHz的共模頻率具有較好的抑制作用。
2.1.2冷端自動(dòng)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
      S型熱電偶的熱電性能好，抗氧化性強(qiáng)，可以在氧化性介質(zhì)中連續(xù)使用，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)輸出與熱電偶的熱端和冷端的溫度差成正比5]。由于熱電偶的冷端在通常情況下暴露在空氣中，冷端的溫度不恒定會(huì)對(duì)熱電偶測(cè)溫精度造成較大影響[6-7]。針對(duì)目前S型熱電偶暫無(wú)專用冷端補(bǔ)償集成放大器的情況，設(shè)計(jì)了基于溫度傳感器的S型熱電偶冷端補(bǔ)償電路。
在此次設(shè)計(jì)中選用溫度傳感器AD590,AD590是一款半導(dǎo)體集成溫度傳感器,輸出電流與絕對(duì)溫.度成正比,由于AD590的寬電壓輸人范圍以及高輸入阻抗，使得AD590可以很好地抑制電源電壓漂移和紋波對(duì)測(cè)溫電路的影響，基于AD590的冷端補(bǔ)償電路如圖3所示[8]。

      圖3所示的AD590冷端補(bǔ)償電路中，為保證溫度傳感器AD590可以實(shí)現(xiàn)在室溫下對(duì)S型熱電偶完成冷端補(bǔ)償，設(shè)計(jì)加入了由穩(wěn)壓電壓源AD580提供的參考電壓Vrefo當(dāng)補(bǔ)償電流Ic經(jīng)過(guò)Rc時(shí)可以產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Uc,即:
Uc=UM-Vref(3)
S型熱電偶輸出熱電勢(shì)為:
EAB(MJ,tRJ)=eAB(M])-eAB(tRJ)(4)
進(jìn)入儀表放大器的電壓為:
UIN=Uc+EAB(tMJ,tRJ)(5)
當(dāng)進(jìn)入儀表放大器的電壓為熱電偶測(cè)量節(jié)點(diǎn)的熱電勢(shì)時(shí)，即Uc-eAB(R)=0,此時(shí)該補(bǔ)償電路已完全補(bǔ)償。
根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法電壓UM為:

      對(duì)該補(bǔ)償電路進(jìn)行室溫即25℃進(jìn)行補(bǔ)償,只有當(dāng)補(bǔ)償電壓對(duì)溫度的變化率與S型熱電偶在25℃的熱電勢(shì)率相等時(shí)，該電路即可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償,則:

      其中S型熱電偶在25℃時(shí)的熱電勢(shì)率為6×.10^-6V/℃C,S型熱電偶在25℃時(shí)的輸出熱電勢(shì)為0.143mV,AD590在25℃時(shí)的輸出電流為298μA,參考電壓Vrer=2.5V,聯(lián)立上式可得當(dāng)Rc=6.0042,R=9111.894Ω時(shí)可完全補(bǔ)償。
      此時(shí)若冷端所處的溫度為25℃時(shí),此時(shí)補(bǔ)償電壓Uc=0.143mV,等于S型熱電偶在25℃時(shí)的輸出熱電勢(shì)。
2.1.3增益調(diào)整電路
      熱電偶的輸出熱電勢(shì)較小，在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后輸出電壓不一定滿足后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓輸人范圍,需要將電壓調(diào)理至合適的范圍。S型熱電偶的測(cè)溫范圍為0~1600℃,對(duì)應(yīng)S型熱電偶的熱電勢(shì)輸出范圍為0~18.612mV,而后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電壓輸人范圍為0~2.048V。在此設(shè)計(jì)中選用AD8227對(duì)S型熱電偶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換.芯片的電壓輸人范圍,AD8227是一種寬電壓輸入范圍,軌到軌輸出的儀表放大器,可通過(guò)調(diào)整外部電阻對(duì)芯片的增益范圍進(jìn)行調(diào)整[9]。根據(jù)AD8227的輸出電壓公式:.

其中Rc為AD8227的外部配置電阻。假設(shè)熱電偶信號(hào)經(jīng)增益調(diào)整后最大輸出電壓為1.9V,可計(jì)算得外部配置電阻的大小為781Ω。
2.2采樣量化模塊設(shè)計(jì)
      S型熱電偶信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償、增益調(diào)整之后輸出為模擬量,模擬量只有轉(zhuǎn)化為數(shù)字量才可以被后續(xù)的軟件處理,將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的過(guò)程稱之為采樣量化。主控制器FPGA通過(guò)控制模數(shù)轉(zhuǎn).換芯片，對(duì)輸人的模擬信號(hào)依次采樣量化。采樣量化電路主要包括分壓跟隨電路和抗混疊濾波電路,分壓跟隨電路用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸人信號(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[10],電路如圖4所示。

3S型熱電偶標(biāo)定方法研究
      S型熱電偶在全量程范圍內(nèi)輸出電壓與溫度信號(hào)不具有線性關(guān)系，僅在某些特定的溫度范圍內(nèi)具有線性關(guān)系叫。例如S型熱電偶在0℃時(shí)的微分熱電勢(shì)為5.40μV/9C,在1600℃時(shí)增加至12.36μV/℃。如圖5所示為S型熱電偶分度表線性擬合的結(jié)果。S型熱電偶分別在0~250℃范圍、200~1200℃范圍、1200~16009℃范圍和全范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)為0.99622,0.99842,0.99999,0.9954。

      由圖5可知，S型熱電偶在全量程范圍內(nèi)線性度較差，而將S型熱電偶分度值進(jìn)行分段線性擬合的線性度優(yōu)于整體擬合的線性度。為提高S型熱電偶測(cè)溫的精度，將S型熱電偶測(cè)溫區(qū)間進(jìn)行分段擬合,線性擬合后的線性度可達(dá)0.9999。分段多項(xiàng)式線性擬合的系數(shù)如表1所示，其中溫度與熱電勢(shì)關(guān)系可以表示為:

4試驗(yàn)結(jié)果及誤差分析
      對(duì)標(biāo)定后的S型熱電偶測(cè)溫電路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),測(cè)量所得到的溫度與實(shí)際溫度的誤差不是恒為正誤差或恒為負(fù)誤差。導(dǎo)致這種情況的原因可能是擬合過(guò)程所帶來(lái)誤差以及元器件的非線性所帶來(lái)的誤差[12]。為減小熱電偶標(biāo).定后所帶來(lái)的擬合誤差,分別對(duì)0~250℃、250~1200℃和1200~1600℃擬合函數(shù)增加校準(zhǔn)系數(shù)△即:

其中△為：


      在0~250℃測(cè)溫區(qū)間最大正誤差為1.2℃,最大負(fù)誤差為-0.7℃,添加校準(zhǔn)系數(shù)01=0.25℃。
      同理在250~1200℃測(cè)溫區(qū)間添加校準(zhǔn)系數(shù)△2=0.1℃,在1200~1600℃測(cè)溫區(qū)間添加校準(zhǔn)系數(shù)△3=-0.4℃。
      對(duì)于0~250℃溫度采集最大擬合誤差由+1.2℃降低至+0.95℃,對(duì)于250~1200℃溫度采集最大擬合誤差由+1.1℃降低至+19℃,對(duì)于1200~1600℃溫度采集最大擬合誤差由+1.6℃降低至+1.2℃。
使用超級(jí)恒溫油槽(GHY-3005)以及管式爐(SGL1700C)對(duì)校準(zhǔn)后的S型熱電偶測(cè)溫電路進(jìn)行誤差精度驗(yàn)證，并且在溫度測(cè)量端接入Omega公司的手持式K型熱電偶溫度傳感器。在超級(jí)恒溫油槽為25℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得溫度為24.9℃,在管式爐為500℃和1200℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器所測(cè)溫度分別為500.5℃和1200.4℃。該S型熱電偶測(cè)溫電路實(shí)際測(cè)得的溫度如圖6所示，縱坐標(biāo)為測(cè)量溫度,橫坐標(biāo)為時(shí)間。
      由圖6可知測(cè)量溫度在24.9℃，500.5℃,1200.4℃時(shí)的最大誤差分別為±0.5℃,±1℃,±0.8℃。滿足溫度測(cè)量精度優(yōu)于±0.2%的要求。

5結(jié)束語(yǔ).
      本文設(shè)計(jì)了一種S型熱電偶測(cè)溫電路,詳細(xì)介紹了使用溫度傳感器對(duì)S型熱電偶進(jìn)行冷端自動(dòng)補(bǔ)償和RFI濾波的工作原理。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證表明該測(cè)溫電路可針對(duì)S型熱電偶實(shí)現(xiàn)全范圍的自動(dòng)冷端補(bǔ)償,測(cè)溫準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.2%,有效地解決了S型熱電偶暫無(wú)專用冷端補(bǔ)償集成放大器導(dǎo)致S型熱電偶溫度采集精度較低的問(wèn)題。該測(cè)量系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于RF高頻強(qiáng)干擾、采集溫度要求高、測(cè)溫精度要求較高的工程測(cè)溫環(huán)境中。