溫度傳感器S型熱電偶測溫電路設計.

摘要:針對航天領(lǐng)域環(huán)境溫度測量寬量程、精度高的需求，提出一種基于溫度傳感器進(jìn)行冷端補償的S型熱電偶測量電路,該電路由S型熱電偶溫度傳感器信號調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)生補償電動(dòng)勢,以補償s型熱電偶冷端溫度,實(shí)現其測點(diǎn)絕對溫度的測量;通過(guò)S型熱電偶輸出電動(dòng)勢與測量溫度在分段線(xiàn)性擬合和全量程線(xiàn)性擬合兩種算法下的線(xiàn)性度比較，S型熱電偶測量時(shí)的非線(xiàn)性誤差采用分段線(xiàn)性擬合校正算法。對測量電路進(jìn)行多次試驗,結果表明,該設計可實(shí)現的溫度測量范圍為0~1600℃,全溫度范圍測量精度+0.2%。電路經(jīng)工程應用驗證,測量結果符合環(huán)境變化情況。
0引言
      在航天領(lǐng)域溫度測量中往往需要采集較高的溫度并且對溫度采集的精度要求較高，在接觸式測溫法中，熱電偶的應用普遍。S型熱電偶的測量溫度范圍為0~1600℃,可以滿(mǎn)足對高溫的測量需求。熱電偶的工作原理為熱電效應，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,然而熱電偶冷端溫度的變化會(huì )導致溫度采集精度下降[2]。針對目前S型熱電偶暫無(wú)專(zhuān)用冷端補償集成放大器的情況,本文從使用溫度傳感器對S型.熱電偶進(jìn)行冷端補償人手，設計了S型熱電偶測溫電路,并使用相關(guān)的儀器設備對電路進(jìn)行了測試，驗證了該電路的可靠性。
1電路整體設計
      該測溫電路主要包括兩部分,分別為信號調理電路和采樣量化電路。其中信號調理電路的主要作用是對電壓信號進(jìn)行濾波、補償和放大，采樣量化電路的主要作用是將已調理的電壓信號量化為數字量以供后續的軟件處理，電路整體設計框圖如圖1所示。

2硬件設計
2.1信號調理模塊設計
S型熱電偶測溫電路設計是基于消除射頻干擾(RFI)以及S型熱電偶冷端自動(dòng)補償功能的實(shí)現為核心的。
2.1.1RFI濾波電路設計
      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信號和手機信號對于熱電偶采集的溫度信號都屬于高頻噪聲[3]。如果不將熱電偶長(cháng)引線(xiàn)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)生直流輸出失調誤差,并且在后續的濾波電路中無(wú)法消除而導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)對稱(chēng)的一階RC濾波電路構成，為保證RFI濾波電路在高頻段工作的可靠性,需要對R/C2和R2/C3的值進(jìn)行嚴格匹配。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)補償電路設計
      S型熱電偶的熱電性能好，抗氧化性強，可以在氧化性介質(zhì)中連續使用，熱電偶的熱電動(dòng)勢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 )對熱電偶測溫精度造成較大影響[6-7]。針對目前S型熱電偶暫無(wú)專(zhuān)用冷端補償集成放大器的情況，設計了基于溫度傳感器的S型熱電偶冷端補償電路。
在此次設計中選用溫度傳感器AD590,AD590是一款半導體集成溫度傳感器,輸出電流與絕對溫.度成正比,由于A(yíng)D590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測溫電路的影響，基于A(yíng)D590的冷端補償電路如圖3所示[8]。

      圖3所示的AD590冷端補償電路中，為保證溫度傳感器AD590可以實(shí)現在室溫下對S型熱電偶完成冷端補償，設計加入了由穩壓電壓源AD580提供的參考電壓Vrefo當補償電流Ic經(jīng)過(guò)Rc時(shí)可以產(chǎn)生補償電壓Uc,即:
Uc=UM-Vref(3)
S型熱電偶輸出熱電勢為:
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)
當進(jìn)入儀表放大器的電壓為熱電偶測量節點(diǎn)的熱電勢時(shí)，即Uc-eAB(R)=0,此時(shí)該補償電路已完全補償。
根據節點(diǎn)電壓法電壓UM為:

      對該補償電路進(jìn)行室溫即25℃進(jìn)行補償,只有當補償電壓對溫度的變化率與S型熱電偶在25℃的熱電勢率相等時(shí)，該電路即可實(shí)現完全補償,則:

      其中S型熱電偶在25℃時(shí)的熱電勢率為6×.10^-6V/℃C,S型熱電偶在25℃時(shí)的輸出熱電勢為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Rc=6.0042,R=9111.894Ω時(shí)可完全補償。
      此時(shí)若冷端所處的溫度為25℃時(shí),此時(shí)補償電壓Uc=0.143mV,等于S型熱電偶在25℃時(shí)的輸出熱電勢。
2.1.3增益調整電路
      熱電偶的輸出熱電勢較小，在經(jīng)過(guò)補償后輸出電壓不一定滿(mǎn)足后續模數轉換器的電壓輸人范圍,需要將電壓調理至合適的范圍。S型熱電偶的測溫范圍為0~1600℃,對應S型熱電偶的熱電勢輸出范圍為0~18.612mV,而后續模數轉換芯片的電壓輸人范圍為0~2.048V。在此設計中選用AD8227對S型熱電偶信號進(jìn)行增益調整以滿(mǎn)足模數轉換.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)調整外部電阻對芯片的增益范圍進(jìn)行調整[9]。根據AD8227的輸出電壓公式:.

其中Rc為AD8227的外部配置電阻。假設熱電偶信號經(jīng)增益調整后最大輸出電壓為1.9V,可計算得外部配置電阻的大小為781Ω。
2.2采樣量化模塊設計
      S型熱電偶信號通過(guò)補償、增益調整之后輸出為模擬量,模擬量只有轉化為數字量才可以被后續的軟件處理,將熱電偶信號轉化為數字量的過(guò)程稱(chēng)之為采樣量化。主控制器FPGA通過(guò)控制模數轉.換芯片，對輸人的模擬信號依次采樣量化。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轉換器輸人信號緩沖作用,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型熱電偶標定方法研究
      S型熱電偶在全量程范圍內輸出電壓與溫度信號不具有線(xiàn)性關(guān)系，僅在某些特定的溫度范圍內具有線(xiàn)性關(guān)系叫。例如S型熱電偶在0℃時(shí)的微分熱電勢為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(xiàn)性擬合的結果。S型熱電偶分別在0~250℃范圍、200~1200℃范圍、1200~16009℃范圍和全范圍內的線(xiàn)性相關(guān)系數為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線(xiàn)性度較差，而將S型熱電偶分度值進(jìn)行分段線(xiàn)性擬合的線(xiàn)性度優(yōu)于整體擬合的線(xiàn)性度。為提高S型熱電偶測溫的精度，將S型熱電偶測溫區間進(jìn)行分段擬合,線(xiàn)性擬合后的線(xiàn)性度可達0.9999。分段多項式線(xiàn)性擬合的系數如表1所示，其中溫度與熱電勢關(guān)系可以表示為:

4試驗結果及誤差分析
      對標定后的S型熱電偶測溫電路測試，測試結果如表2所示。對測試結果分析發(fā)現,測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誤差。導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(xiàn)性所帶來(lái)的誤差[12]。為減小熱電偶標.定后所帶來(lái)的擬合誤差,分別對0~250℃、250~1200℃和1200~1600℃擬合函數增加校準系數△即:

其中△為：


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

5結束語(yǔ).
      本文設計了一種S型熱電偶測溫電路,詳細介紹了使用溫度傳感器對S型熱電偶進(jìn)行冷端自動(dòng)補償和RFI濾波的工作原理。經(jīng)過(guò)多次試驗驗證表明該測溫電路可針對S型熱電偶實(shí)現全范圍的自動(dòng)冷端補償,測溫準確度優(yōu)于±0.2%,有效地解決了S型熱電偶暫無(wú)專(zhuān)用冷端補償集成放大器導致S型熱電偶溫度采集精度較低的問(wèn)題。該測量系統可廣泛應用于RF高頻強干擾、采集溫度要求高、測溫精度要求較高的工程測溫環(huán)境中。