熱電偶測溫采集精度影響因素

摘要:熱電偶測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、熱電偶補償導線(xiàn)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.基礎上,重點(diǎn)分析了二次采集元件影響熱電偶信號采集精度的3個(gè)關(guān)鍵因素,包括熱電偶信號采集電路分析、熱電偶信號的非線(xiàn)性化處理和冷端補償方法,通過(guò)對以上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采集精度,從而提高熱電偶的測溫精度。
　　在鋼鐵冶金領(lǐng)域，溫度是非常重要的參數,熱電偶具有精度高、響應時(shí)間快、測溫范圍廣、成本低和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測元件的首選。熱電偶的測溫精度對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制有著(zhù)至關(guān)重要的意義,影響熱電偶測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、熱電偶補償導線(xiàn)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，如熱電偶信號采集電路、信號非線(xiàn)性化處理技術(shù)及合適的冷端補償方法等。著(zhù)重從以上3個(gè)因素分析熱電偶信號采集精度,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)的導體或半導體(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,這種現象稱(chēng)為熱電效應,而這種電動(dòng)勢稱(chēng)為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的,其中直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱(chēng)測量端),另一端叫做冷端(也稱(chēng)為補償端)，冷端與測量?jì)x表連接。當熱端與冷端有溫差時(shí),測量?jì)x表便能測出被測介質(zhì)的溫度1-4。熱電偶的熱電勢隨溫度的升高而增大,其熱電勢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(cháng)度、直徑無(wú)關(guān)。熱電偶工作原理如圖1所示。
 
2熱電偶信號采集精度分析
2.1熱電偶信號采集電路分析
　　熱電偶信號是變化緩慢的微弱微伏級信號,信號在傳輸過(guò)程中,容易受到外界的電磁干擾，因此熱電偶測溫儀表采集熱電偶信號時(shí),其信號前端需要增加信號調理電路,提高電磁抗干擾能力,并且.信號采集需選用精度高、高可靠的AD轉換器,同時(shí)AD轉換器的基準電壓源要求選用精度高、低漂移的基準電壓源,并且熱電偶信號更需要采用差分信號輸人來(lái)消除熱電偶線(xiàn)路上的大部分共模噪聲，通過(guò)以上合適的.電路優(yōu)化設計才能保證熱電偶信號采集精度的要求。
2.2熱電偶信號采集電路的優(yōu)化方法
　　熱電偶信號采集優(yōu)化方案從以下3個(gè)方面考慮:
　　信號調理電路信號前端設計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，低溫漂的運算放大器構成有源濾波器,并且運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轉換器選型AD轉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、內置可編程增益的AD轉換器。分辨率越高,采集精度越高,但是器件成本會(huì )增加,采集系統應該根據信號波動(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轉換器的基準電壓源AD轉換器的基準電壓源可以選擇內置或者外部單獨接1個(gè)基準電壓源,基準電壓源要求低溫漂、精度高、低噪聲。內置基準電壓源精度一般，若想更精度高的基準電壓源,則要求選擇外置的電壓源。
　　以AD7793正確測量熱電偶信號來(lái)舉例說(shuō)明。AD7793適合精度高測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內置1個(gè)低噪聲、帶有3個(gè)差分模擬輸人的16位Σ-△型ADC，它集成了片內低噪聲儀用放大器,并且增益可設置。
　　AD7793測量熱電偶信號電路如圖2所示。AD7793的差分輸人用于消除熱電偶線(xiàn)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A(yíng)D7793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?；鶞孰妷涸催x用ADI公司的AD3425,AD3425是低成本、低功耗、精度高基準電壓源,具有±0.1%的初始精度。
 
　　當AD7793配置為單極性工作模式時(shí)，模擬輸人電壓信號計算公示為
 
　　顯然,基準電壓有漂移會(huì )影響到熱電偶信號的采集電壓值。轉換位數越大,最低有效位LSB越小，采集精度就越高，以基準電壓2500mV為準,AD7793最低有效位LSB為38.147μV,若AD轉換器更換為24位的AD7792，最低有效位LSB為0.149μV,精度提高了256倍。
3熱電偶信號的非線(xiàn)性處理
3.1熱電偶信號的非線(xiàn)性處理
　　測溫儀表采集的熱電偶的熱電勢必須經(jīng)過(guò)冷端補償修正，才能得到參考溫度0℃情況下熱電偶的熱電勢,修正公式為
E(T,0℃)=E(T,t0)+E(t0,0℃)(2)
　　式中:E(T,0℃)為被測介質(zhì)在參考溫度0℃時(shí)實(shí)際溫度T℃對應的熱電勢,mV;E(T,t0)為在恒溫t0下測得的熱電勢,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,mV。
　　經(jīng)過(guò)修正后的實(shí)際熱電勢，根據熱電偶分度表,可以查出對應的被測介質(zhì)的實(shí)際溫度叫。查表法適用于易于存儲大量數據單元、計算速度快的計算機系統,但難以適用于數據存儲空間有限且CPU運算速度較慢的測溫儀表等嵌入式系統,若嵌人式系統采用查表法，會(huì )占用較大的存儲空間,并且查表時(shí)間比較長(cháng),滿(mǎn)足不了測溫實(shí)時(shí)性的要求。
　　由于熱電偶的熱電勢與溫度信號呈現出較高的非線(xiàn)性關(guān)系，不能用線(xiàn)性函數表示兩者的關(guān)系,如果不作線(xiàn)性化處理,直接根據熱電勢查找熱電偶分度表,查找工作量巨大,不適合嵌人式熱電偶采.集系統，因此需要對熱電偶的熱電勢和溫度信號作線(xiàn)性化處理,減少運算工作量”。
　　從熱電偶信號的非線(xiàn)性特點(diǎn)出發(fā),熱電偶溫度信號的線(xiàn)性化采用分段近似斜率法,該方法適合于嵌人式系統,并且精度高、運算量少、不占用較大存儲空間。
3.2非線(xiàn)性處理的優(yōu)化方法
　　熱電偶信號的非線(xiàn)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間內的溫度差與此區間內電勢差所對應的線(xiàn)性轉換值作為該區間的校正斜率,再加，上該區間的初值，得到非線(xiàn)性校正公式為實(shí)際溫度值=斜率值x(線(xiàn)性轉換值-區間段電壓初始值)+區間段溫度初值(3)
　　式中線(xiàn)性轉換值為經(jīng)過(guò)冷端補償后的熱電偶的熱電勢,如式(2)中的E(T,0℃)值。
　　為了提高熱電偶測溫精度，分段區間做的越多,熱電偶計算值與實(shí)際值誤差越小、精度越高,但是分段區間多會(huì )增加計算運行時(shí)間,具體分段數目需根據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、起始溫度值對應的電勢、終點(diǎn)溫度對應的電勢,以及該段的斜率4。具體分段如表1所示。
 
　　假設采用式(2)實(shí)現冷端補償后的K分度熱電.偶的熱電勢為41859μV，顯然該值落在第12分段.，區間,其初始溫度值為950℃，斜率39μV/℃,該區間段的起始熱電勢為39314μV,根據式(4)可得實(shí)際溫度值為T(mén)abs=(41859--39314)/39+950=1015.3℃。
　　查表可得,41859μV對應的溫度值為1015℃。查表值與分段斜率計算值相差0.3℃，達到了非線(xiàn)，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,易于在嵌人式系統上實(shí)現。
4熱電偶的冷端補償
4.1熱電偶的冷端補償分析
　　根據式(2)可知,熱電偶必須經(jīng)過(guò)冷端溫度補償才能獲得被測介質(zhì)實(shí)際溫度對應的熱電勢,根據此熱電勢才能計算出真實(shí)的溫度值。顯然,冷端溫度的精度會(huì )影響到熱電偶的測量精度,若冷端溫度測量誤差較大,會(huì )造成熱電偶的測量溫度值誤差較大。冷端溫度補償目前常用的方法有3種。
(1)直接測量冷端溫度法
　　冷端溫度值直接采用溫度傳感器測量,測溫儀表一般采用熱電阻測量冷端溫度，然后利用式(2)獲得最終的實(shí)際溫度對應的熱電勢，最后利用線(xiàn)性化處理方法,獲得實(shí)際溫度值。
(2)電橋補償法
　　電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來(lái)補償熱電偶因冷端溫度不在0C時(shí)引起的熱電勢變化值。使用補償電橋時(shí)，應注意以下幾點(diǎn):①不同分度號的熱電偶要配用與熱電偶同型號的補償電橋;②補償電橋與熱電偶、電源和測量?jì)x表連接時(shí),要接線(xiàn)正確,特別是電源正、負極不可反接;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)集成冷端補償的芯片
　　集成冷端補償的芯片主要包括精密熱電偶放大器和熱電偶AD轉換器。
　　例如AD8495是一款集成冷端補償的精密熱電偶放大器,內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(cháng)引線(xiàn)可能拾取的共模噪聲。針對K型熱電偶作了預校準,只適合于K型熱電偶測量。
　　MAX31855是一款集成冷端補償的AD轉換器,器件輸出14位帶符號數據,SPI接口,轉換器的溫度分辨率為0.25℃C,具有熱電偶開(kāi)路檢測功能，以及熱電偶對GND或VCC短路檢測功能。每款芯片只針對某一類(lèi)型的熱電偶測量,其靈活性不夠。
4.2熱電偶的冷端補償優(yōu)化方法
　　冷端補償采用電橋補償法實(shí)現，其靈活性不.夠，不同熱電偶需要配與熱電偶同型號的電橋,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,對直流電源的精度要求比較高,基于以上缺點(diǎn)，目前電橋補償法很少使用。
　　集成冷端補償的熱電偶采集芯片的優(yōu)點(diǎn)是集成冷端補償,芯片體積小,具有熱電偶開(kāi)短路檢測功能,但是其轉換精度由芯片本身決定,只針對某一類(lèi)型熱電偶作了冷端補償預校準,系統不能通過(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換成某一類(lèi)型熱電偶在該冷端溫度下的熱電勢,系統利用式(2)實(shí)現了冷端補償,并且系統可以通過(guò)程序設置測溫儀表采集某一類(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)型熱電偶信號采集。
5結語(yǔ)
　　綜上所述,熱電偶信號二次元件端采集精度主要取決于3個(gè)方面的因素,包括熱電偶信號采集電.路，熱電偶信號的線(xiàn)性化以及熱電偶的冷端補償。任何一個(gè)因素處理不當都會(huì )影響到熱電偶信號采集的精度，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二次元件端的采集精度,從而提高熱電偶的測溫精度。隨著(zhù)集成電路的高速發(fā)展,集成冷端補償、高共模抑制能力、精度高、抗干擾能力強、可配置為多種類(lèi)型熱電偶測量的AD轉換器以后會(huì )越來(lái)越得到廣泛的應用。