PDF《热电偶测温的若干问题》

TEST & SENSOR

83 2003.

1 www.eepw.com.cn TEST & SENSOR 测试测量与传感器 引言 温度测量是通过某些测温物质 的各种物理性质变化,如固体的尺 寸、密度、 硬度、 粘度、 强度、 弹性 系数、 电导率、 热导率、 热辐射等等 的变化来判断被测物体温度的.在 温度测量中虽有许多不同方法,但 热电偶以其独特的优点成为目前工 业上温度测量中应用最广泛普遍的 传感元件之一, 工作时, 与显示仪表 配合可测量气体、液体、固体的温 度,也可以作为过程控制的状态量 为主机提供现场温度信息,微型热 电偶还可用于快速及动态温度的测 量. 近年来国际电工委员会(IEC)对 已被公认为性能较好的七种热电偶 制定了统一标准. 我国已采用IEC标准,并按标准生产. 以下讨论热电偶在实际应用中 的几个重要问题. 热电偶的参比端处理 如前所述, 热电偶的热电势大小 与热电极材料和两结点的温度有关, 热电偶的分度表和根据分度表刻度的 温度仪表都是以热电偶的冷端温度等 于零(0℃), 但在实际测量中, 很难保 证冷端温度恒定为0℃, 所以必须进 行冷端温度补偿与修正. 传统方法有 如下几种: (1) 0℃恒温法 (2)导线补偿法 (3) 热电势修正法 (4)电位补偿法 (5)电桥 补偿法 近年来, 利用集成温度传感器对 冷端温度进行补偿取得进展, 由于电 位补偿法和电桥补偿法都对电阻要求 较高, 尤其在多路温度测量中不易调 试, 因而随着芯片技术的发展, 出现 了用集成温度传感器精密测量热偶冷 端温度进行补偿的方法.从原理上 讲, 这种方法就是由集成温度传感器 测得冷端温度, 再与热电偶所测温度 叠加. 电路实现主要有两种形式, 即:模拟信号叠加形式和数字信号叠加形 式. 模拟信号叠加形式又可分为两 种, 如图1(a)、 (b)所示. 图1(a)中, 补 热电偶测温的若干问题 Discussion on Thermoelectric Couple Temperature Transducer 天津大学精密仪器与光电子工程学院 郝丽宏 林凌 易志明 李刚 摘要: 本文讨论了热电偶用于温度测量中的若干问题, 并着重阐述了冷端补偿问题, 给出了实用电路, 具有较 强的应用性和参考价值. 关键词: 热电偶;

温度测量;

冷端温度补偿 郝丽宏,研究生, 现从事测控方法与嵌入式系统开发方面的学习和研究;

林凌, 副教授;

李刚, 博导;

易志明, 研究生, 现从事信 号测试与处理方面的研究. (a) (b) 图1 冷端补偿的模拟信号叠加电路 TEST & SENSOR

84 2003.1 www.eepw.com.cn 测试测量与传感器 TEST & SENSOR 偿电势 V提高了热电偶温差电势E的 地电位,输出端为叠加后的电动势;

图1(b)中, 补偿通过运放构成的加法 器实现. 比较而言, 前者电路易于实 现, 设计巧妙, 后者电路参数选配繁 琐,一定程度上影响了补偿精度. 下面以 ADI 公司的集成温度传 感器 AD590 用作冷端补偿为例加以 说明.AD590 是绝对温度-电流传 感器, 满足I=K(T+273.2)的变换, 其中I和T的单位分别是 ?A 和℃, K=1?A/℃.它直接将温度转换成输 出电流, 且具有标准化(1?A/K)的线 性输出.AD590 工作时,两端加上 + 4V~ + 30V 的电压,器件呈现为 一个高阻抗(10M?)的温控电流源, 对激励电压变化不敏感, 功耗低, 用 长线传输信号时不会因为电压降或 感应的噪声电压而产生误差,抑制 干扰的能力也很强,因此可用于较 远距离的温度测量, 在-55℃~+150 ℃内优于其它温度传感器.这些特 点使它极易与热电偶配合,作高精 度的温度测量. 实际应用中的其它问题 AD 转换芯片位数的选择和信号 放大倍数的确定 测温范围(量程)和测温精度是 进行仪器设计时必 须着重考虑的问 题, 务必保证测量 允许误差大于满量 程范围内的热分辨 率(测温精度). 一 般来说, 由测温范 围(量程)和最大允 许误差(量程*精 度等级 %)之比,可估算出AD转换芯 片位数,注意要留出 1~2 位的余量. AD 转换芯片位数确定后,根据AD转 换芯片参考电压的大小,即AD 转换 芯片模拟输入电压的范围, 进一步确 定热电偶输出信号放大电路的放大倍 数. 既要保证放大电路最大输出小于 AD 转换芯片的输入范围,又要保证 测温精度小于允许误差. 以镍铬-镍 硅热电偶为例,要测量 +10~+150℃ 的温度, 要求最大测温误差不得超过 0.1℃, 则大致估算出 AD转换芯片的 位数为12(因为140/0.1=1400∈(1024, 2048),选择11位AD即可满足要求, 要留出一定的余量,应选12位). 设AD 转换芯片模拟输入范围是 0~2. 5V. 由热电偶分度表可知, +10~+150 ℃对应 0.40mV~6.13mV,0.1℃约对 应0.004mV,则按

11 位AD 估算,由于2500/(6.13-0.40)≈436, 放大倍数 小于它才能保证最大输出小于参考电 压;

又因为[2500/(211-1)]/0.004 ≈ 306,放大倍数大于它才能保证测温 精度小于允许误差;

所以, 放大倍数 G ∈(306,436).据此可设计放大电 路. 断偶检测问题 众所周知, 在实际应用中热电偶 可能由于各种原因发生断路, 使仪器 不能正常工作,如果不能及时发现, 势必给工业生产造成损失. 为此应该 设计一个断偶检测电路, 一旦发生热 电偶断路时仪器能够自动检测出来, 断偶检测电路的设计有很多种方法. 图2所示是一个带有断偶检测电路的 热电偶温度采集电路. 其中+5V电源 上拉电阻经 R1=10M Ω接到仪用放大 器输入端, 当热电偶正常工作时, 因 其阻值很大对放大器输入信号没什么 影响;

一旦热电偶断路, 仪用放大器 输入信号变为 5V,经放大和 AD 转换, 计算机或微控制器立刻可以检测 到这个不正常信号, 从而判定热电偶 断路,给出报警信号. 零位调整问题 在测温系统中, 必要的模拟开关 单元、直流放大单元、滤波单元、A/ D变换单元和微处理器等部件不可避 免地会存在温度漂移、 失调误差等问 题, 由于设计原理的需要, 有时也要 进行零位调整. 通常传统的方法是采 用低失调、低漂移、 高质量的元器件 设计放大通道或采用硬件补偿电路加 以解决.以图2 所示电路为例, 仪用 放大器可以保证低失调、 低漂移. 但 根据电路设计原理可知, 热电偶的平 均热电势为40?V/℃,而K=1?A/℃, 为 保证补偿电势 VA 随温度变化率与热 电偶的相同,令RP =40Ω,则VA =K (T+273.2)RP +E ≈ KT +E+10.928 (mV),要设法使输出电压与温度成 线性,应把大约 10.928mV 的电压从 输入端减去. 所以就设计了由R2 、 R3 、 Rb 组成的分压电路,其中 Rb 是电位 器,若取VREF =2.5V,则可取R2 =39?, R3 =8.5K,Rb =1K,此时,VB 的可调 图2 一种热电偶温度采集电路 TEST & SENSOR

85 2003.1 www.eepw.com.cn TEST & SENSOR 测试测量与传感器 范围大约为(10.22mV ~11.42mV). 调整Rb ,使0℃时输出 VO =0. 数字信号处理 热电偶及其信号放大电路把温 度信号转化为电压信号后,经AD 芯 片转化为数字信号, 微处理器要通过 系统软件设计对该信号进行处理, 由 该数字信号得到对应的温度信号. 常 用方法有查表法、 直线拟合法、 曲线 拟合法、 压缩表格的查表法, 还有表 格法和线性插值相结合的方法等. 查表法是直接利用微机内存单 元, 将对应温度的热电势存入指定的 内存单元. 此法简单, 但占用内存量 大, 对内存量不大的微处理器来说很 不合算. 直线拟合法是用直线方程拟和 温度与对应热电势的关系, 用计算的 方法求得温度值, 虽然这种方法占用 内存量很小, 但由于热电偶温度-热 电势不是严格的线性关系, 所以补偿 精度受到限制. 曲线拟合法一般是利用幂函数 的形式拟合热电势(e)与温度(t)的关 系,即t=∑ai ei , 显然, 阶数越高拟 合误差越小. 实际计算表明, 如果采 用分段的方法, 拟合公式的阶数不会 太高. 这种方法的缺点是计算程序复 杂. 压缩表格的查表法是针对原查 表法占用内存太大的弊端进行改进的 方法, 其设计思想是将原来的直接存 放的与毫伏值相应的数字量的相邻两 个量相减, 重做特征码表, 将相应于 温差的数字量之差存入内存. 这种方 法使占用内存字节数大为降低. 表格法和线性插值相结合的方 法则是综合了查表法和直线拟合法的 特点进行软件设计的. 固化的表格只 是将热电势分为若干个区间,工作 时,将热电势对应的数字量作为输 入,用二分法找到其所在的电压区 间, 再用线性插值确定其所对应的温 度值. 举例来说, 要测量+10~+150℃ 的温度,以温度增加1℃对应的电压 值建立 140个表格,A/D转换结果与 表格内的电压值进行比较,直到 UN ≤U≤ UN+1 时停止比较, 求出温度整 数部分,根据 U-UN 和UN+1 -UN 的比值 求解温度的小数部分, 就可求出温度 值. 这种方法简单方便, 也能满足一 般的设备精度要求. 结语 本文综合讨论了热电偶在温度 测量中经常遇到的冷端补偿、 信号放 大、断偶检测、 零位调整、 线性化等 问题,经理论分析和应用实践证明, 具有一定的参考价值. 参考文献: 1. 施文康、余晓芬, '检测技 术' , 机械工业出版社, 2000年5月. 2. 叶大均, '热力机械测试技 术' , 机械工业出版社, 1980年4月. 3. 李福山、 汪金龙, '热电偶测 温的冷端温度补偿技术及其实现' , 郑州工学院学报,第16卷,第4期, 1995年12月. 4. 陈正, 喻红, '热电偶测温的 线性化处理模块' ,计量技术,1999 年12月. 六路定时抢答器总体电 路如图

5 所示. 结语 借助于先进的MAX+plus II EDA 技术, 既可节省电路开发费用, 又提 高了设计效率. 也能有效实现电路的 数字化与微型化. 本文采用的电路图 编辑方法 (Graphic Edit)要求对系统很 了解, 并且系统速率较高或在大系统 中对时间特性要求较高. 虽然原理图 输入效率较低, 但容易实现仿真, 便 于信号的观察以及电路的调整. 图5 六路定时抢答器 72