基于K型熱電偶數(shù)據(jù)擬合的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:針對(duì)K型熱電偶測(cè)溫的特性結(jié)合虛擬儀器技術(shù),本文設(shè)計(jì)了一種具有精度高的溫度測(cè)量系統(tǒng)。利用溫度傳感器AD592完成K型熱電偶冷端自動(dòng)補(bǔ)償,儀用放大器完成對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入信號(hào)的要求,同時(shí)采用LabVIEW軟件完成曲線擬合。測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、可靠性高、使用靈活等特點(diǎn),當(dāng)被測(cè)溫度范圍在10~180℃之間,測(cè)量的絕對(duì)誤差小于±0.5℃可廣泛使用于要求較精度高溫度測(cè)量的領(lǐng)域。
0引言
　　K型熱電偶由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)溫范圍廣,性能穩(wěn)定,測(cè)量精度較高等特點(diǎn)被廣泛用于測(cè)量氣體、液體、固體在-200℃~1300℃范圍內(nèi)溫度。熱電偶測(cè)溫原理為賽貝克效應(yīng),即:將兩種不同的導(dǎo)體A、B組成一個(gè)閉合回路,如兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同,則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)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]。可見(jiàn)當(dāng)保持冷端溫度To為恒定時(shí),熱電動(dòng)勢(shì)E_AB(T,T0)與測(cè)量端溫度T為單值函數(shù)關(guān)系。
　　由于熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)分度表是在其冷端溫度To為0℃的條件下測(cè)的熱電勢(shì)。所以在使用熱電偶時(shí)，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(bǔ)償,E_AB(T,0)為冷端補(bǔ)償后的熱電勢(shì),E_AB(T,T0)為直接測(cè)量得出的熱電勢(shì),E_AB(To,0)為冷端溫度To相對(duì)0℃的熱電勢(shì),在冷端引入.溫度補(bǔ)償電路使其輸出電壓與E_AB(To,0)相等來(lái)達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪康摹?br /> 1系統(tǒng)構(gòu)成
　　為了提高測(cè)量精度，系統(tǒng)采用AD592溫度傳感器實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。根據(jù)中間溫度定理,信號(hào)處理模塊完成將AD592補(bǔ)償?shù)碾妷号c熱電偶輸出的熱電勢(shì)相加完成冷端補(bǔ)償,并且將補(bǔ)償后的電壓放大滿足數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入信號(hào)的要求,數(shù)據(jù)采集卡完成輸入電壓的采集,在PC機(jī)上采用LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)擬合達(dá)到精度高測(cè)量的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
1.1冷端補(bǔ)償電路
　　冷端補(bǔ)償電路如圖2所示,電流輸出型溫度傳感器AD592測(cè)量范圍為-25℃~105℃,測(cè)量精度可達(dá)±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(duì)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(zhǔn)電阻R9將AD592輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。但由于AD592在0℃時(shí),輸出電流為1μA/Kx273.2K=273.2μA,因此環(huán)境溫度為T°C時(shí),其輸出電壓為(273.2μA+1μA/℃xT。℃)x410=11.201mV+41μV/℃xT0℃,其中第二項(xiàng)作為熱電偶冷端補(bǔ)償電壓，第--項(xiàng)為誤差電壓,此項(xiàng)在OP07組成的跟隨電路中通過(guò)R8和R9對(duì)2.5V電壓分壓來(lái)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(diǎn),如圖3所示，由三個(gè)OP07運(yùn)放組成,并分為兩級(jí):第-級(jí)為兩個(gè)同相放大器U1、U2組成,達(dá)到高輸入阻抗的目的;第二級(jí)為普通差動(dòng)放大器,把雙端輸入變?yōu)閷?duì)地的單端輸出I5]。儀用放大器為了保證差動(dòng)放大器的完全對(duì)稱，使R1=R6,R4=R5,R2=R7,由于K型熱電偶在測(cè)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(duì)采集信號(hào)的要求,設(shè)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(duì)儀用放大器輸出的電壓信號(hào)Uo進(jìn)行采集,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中,構(gòu)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(hào)輸入端并且具有采樣率為1000SPS的12位AD轉(zhuǎn)換器。采集信號(hào)范圍有±5V、±10V、0-10V、0-5V在此選用-5V~+5V范圍。
 
2LabVIEW軟件設(shè)計(jì)
　　在PC機(jī)上,采用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理。在軟件設(shè)計(jì)中,需要讀取數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào),進(jìn)而擬合出電壓與被測(cè)溫度之間的曲線并計(jì)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(gè)數(shù)組、首末通道設(shè)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(lái)指定--路或多路通道進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。利用數(shù)組是將-個(gè)通道作為--個(gè)集合傳遞給數(shù)據(jù)采集接口,其元素為-個(gè)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(shè)備.上取得一-次AD轉(zhuǎn)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(xiàng)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(jì)算模塊、電子表格讀取和存儲(chǔ)模塊、擬合方式選取模塊、多項(xiàng)式擬合階數(shù)輸入模塊、最佳表達(dá)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(cè)試結(jié)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(shì)EAB(T,T0)之間成線性關(guān)系。但是由于測(cè)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(duì)測(cè)量精度的影響,所以將K型熱電偶輸出熱電勢(shì)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(dá)到精度高的要求,需要擬合為多項(xiàng)式。
　　測(cè)試采用TH-2015超級(jí)恒溫槽提供標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試中對(duì)10~180℃中的數(shù)據(jù)進(jìn)行12個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量,測(cè)試結(jié)果如表1所際,得出最佳擬合方程為:
 
式中,T為被測(cè)溫度，U。為儀用放大器輸出電壓。
　　擬合曲線如圖6所示，可見(jiàn)K型熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)所測(cè)儀用放大器的輸出電壓值與實(shí)際溫度之間滿足擬合方程。測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量絕對(duì)誤差小于±0.5℃,達(dá)到了較高的測(cè)量精度。
 
4結(jié)論
　　采用LabVIEW的CurveFitting工具包可以方便地實(shí)現(xiàn)各種曲線的擬合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,利用LabVIEW軟件結(jié)合AD592冷端補(bǔ)償電路,可以實(shí)現(xiàn)較精度高的溫度測(cè)量以及具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和良好的人機(jī)界面。系統(tǒng)不僅適合于K型熱電偶,將冷端補(bǔ)償電路進(jìn)行簡(jiǎn)單修改即可滿足其他類型的熱電偶。